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Saneamiento … un viaje
con NEMO
El objetivo de los sistemas de
saneamiento es recoger el agua
contaminada, …
2
…, conducirla fuera de los núcleos
urbanos, de forma que no suponga
ningún peligro para la salud humana, …
…, reducir su nivel de contam
inación, …
3
… y devolverla de forma
adecuada al medio acuático natural.
¿Qué transportamos en las
redes de saneamiento?
¿Cuánto y Cómo?
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¿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
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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, 1997. Surface Water Quality Modelling. McGraw-Hill
• [2] Ingeniería de las aguas residuales. Tratamiento, vertido y reutilización. Ed. McGraw-Hill.
• [3] Delleur, J. W. 2001. Sediment movement in drainage systems. In Mays, L. Stormwater collection systems design handbook. Chapter 14.
• [4] Orozco y otros. 2003. Contaminación Ambiental. Una visión desde la Química. Ed. Thompson.
• [5] Butler and Davis, 2004. Urban Drainage. SecondEdition.
• [6] Erosion and Sedimentation Manual. Edited by the United States Department of Interior, Bureau of Reclamation. 2006.
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Parámetros indicadores de contaminación
• FísicosCaracterísticas 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);
• BiológicosBacterias, virus, hongos, algas � coliformes
Parámetros indicadores de contaminación
• FísicosCaracterísticas 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);
• BiológicosBacterias, virus, hongos, algas � coliformes
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Tipo de parámetro Parámetro Unidades Contaminación fuerte Contaminación media Contaminación ligera
Sol. Suspensión Mg/l 500 300 100
S.S. volátiles Mg/l 400 250 70
S.S. fijos Mg/l 100 50 30
Sol totales Mg/l 1000 500 200
S.T. volátiles Mg/l 700 350 120
S.T. fijos Mg/l 300 150 80
S. disueltos Mg/l 500 200 100
S. D. Volátiles Mg/l 300 100 50
S.D. fijos Mg/l 200 100 50
Temperatura ºC 10-20 10-20 10-20
Color Gris-negro Gris-negro Gris-negro
Olor SH2 SH2 SH2
Químicos D.B.O.5 MgO2/l 300 200 100
D.Q.O. MgO2/l 800 450 160
pH. 6-9 6-9 6-9
N. total Mg/l 86 50 25
N. orgánico Mg/l 35 20 10
NH4+ Mg/l 50 30 15
NO3- Mg/l 0,4 0,2 0,1
NO2- Mg/l 0,1 0,05 0
P total Mg/l 17 7 2
Cl- Mg/l 175 100 15
Grasas Mg/l 40 20 0
Biológicos Coli totales NMP/l 109
5 x 108
108
Coli fecales NMP/l 108
5 x 107
107
Virus totales Ui/l 10000 5000 1000
Físicos
Químicos
Biológicos
Parámetro
Indicadores de contaminación fecal ¡Patógenos!!! �RED SUBTERRÁNEA BAJO LARED DE ABASTECIMIENTO
1. Sólidos en el agua
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• Sólidos totales (mg/l) - residuo después de someter al agua a un proceso de evaporación a 103-105 oC.
• 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 ± 5oC
Definiciones
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Problemas derivados de la
presencia de sólidos
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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?
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0.01
0.1
1
10
1.E+00 1.E+01 1.E+02 1.E+03 1.E+04 1.E+05 1.E+06
Rep
suspension
motion
no motion
bedload transport
negligible suspension
bedload and suspended load transport
sand gravelsilt
∗τ 50bf∗τ c
Diagrama de Shields, con criterio de suspensión
( )ν
pp
p
dgRd=Re
pp
b
Rg
d
u
Rg
d
2 *=
=∗
ρ
ττ
0wu b ==∗ρ
τ
Velocidad de fricción
0
*SgRu h=
Rh = Radio hidráulico
S0 = pendiente de la conducción
f = factor de fricción (Darcy)
U = velocidad media
ε = Rugosidad (2.5x10-3 m para el cemento)
2
8.14log2
−
=
εhR
22
*8
Uf
u =
12
Fg = m x g = ρsV g
Fe = ρw V g
V = 1/6 π dp3
Ap = 1/4 π dp2
dp
D
p
w
ws
C
dgw
−=
ρ
ρρ
3
42
0En equilibrio
Ff = CDApρww0
2/2
Velocidad de sedimentación
R
µ/)(Re 0 pdw=
CD
Régimen laminar Régimen turbulentoTransición
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µ/)(Re 0 pdw=
CD
<<++
<
=
10000) Re(1 34.0Re
3
Re
24
laminar)régimen 1, (Re Re
24
DC
Ff = CDAρww0
2/2
Fg = m x g = ρsV g
Fe = ρw V g
V = 1/6 π dp3
A = 1/4 π dp2
dp
Velocidad de sedimentación
2
018
pRdg
wµ
=
Ley de Stokes(régimen laminar)
Ley de Newton(régimen turbulento)
pRdg
w44.0
0 ≈
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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. 2650 kg/m3, y el diámetro característico de la arena de tamaño medio es de 250-500 µm (usa 300 µm).
Encuentra la velocidad mínima y la pendiente mínima en la alcantarilla para que no se produzca deposición
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m/m
00
* )8/( wUfSgRu h ≥==
Pendientes mínimas para alcantarillas
Velocidades mínimas
Pendientesmínimas
Diámetros mínimos
Objetivo: auto-limpiezaLos 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
Criterios de diseño
y elementos en redes
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Adaptaciones de la red a la topografía
(pendiente insuficiente)
Desagüeh
h
Estaciones de bombeo
Velocidades máximas
Pendientesmáximas
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
Criterios de diseño
y elementos en redes
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Desagüe
Rápidos
Adaptaciones de la red a la topografía
(pendiente excesiva)
2. Materia orgánica, oxígeno y otros gases
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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
g0
C6H12O6 +6O2 → 6CO2 + 6H2O180 g 192 g
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¿Cómo cuantificamos el contenido orgánico?
L
L0
Materia orgánica, en equivalentes de oxígeno
Balances de masa en
un recipiente cerrado
kVLdt
VLd−=
)(Materia orgánica
Oxígeno
)exp()( 0 ktLtL −=⇒
)()( 000
kteLLoto
−−−=
Demanda ‘ejercida’ bioquímica de oxígeno, DBO = f(tiempo)!!!
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DBO y materia orgánica
L0e-kt
Tiempo (días)
Materia orgánica
L0
Con
cent
raci
ón (
mgO
/ l)
L0- L0e-kt
DBO y materia orgánica
L0e-kt
DBO = L0(1 - e-kt)
Tiempo (días)
Materia orgánica
L0
Con
cent
raci
ón (
mgO
/ l)
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¿DBO5 vs. DBOu?
)1(0
tkeLy
−−=Recordad que definimos DBO como
i.e. es una función del tiempo.
)1()1(
5
50
5
05 k
k
e
yLeLy
−
−
−=→−=
DBO5 es la DBO para 5 días, i.e.
DBO5 Valores guía
• Aguas muy puras DBO5 < 3 mg/l O2
• Pureza intermedia 3<DBO5< 5• Agua contaminada DBO5> 5• Agua residual urbana DBO5 ≈ 100-400• Industria agroalimentaria DBO5 < 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
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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 O2/l
DBO/DQO indicador del tipo de contaminación- DBO5/DQO < 0.2 – contaminantes no biodegradables- DBO5/DQO > 0.6 – contaminación orgánica
DBO DQO
Microorganismos oxidantes
Ejemplo 2
Determinar la DBO de 1 día y la DBO última de un agua residual cuya DBO a los 5
días a 20oC es de 200 mg/l. La constante de reacción k = 0.23 d-1
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Ejemplo 3
Suponed agua residual, con 200 mg/L de DBOu (= L0!!) 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
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(Thiobacillus)
CORROSIÓN de alcantarillas de hormigón (H2SO4reacciona con el cemento y el hierro)
Peligro potencial para los operarios
Problemas derivados de la ausencia de oxígeno
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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 auto-limpieza
• 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
Infiltracionesy aportaciones incontroladas
Escorrentía urbana (pluviales)
- Contaminación orgánica (+sales disueltas y S.S. inorgánicos).- Biodegradables (DBO5/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)
Doméstica o sanitaria
(zonas residenciales, comerciales y públicas)
Agua residual urbana
Industrial
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Aguas ‘negras’Caudales estables
Infiltracionesy aportaciones incontroladas
Escorrentía urbana (pluviales)
Doméstica o sanitaria
(zonas residenciales, comerciales y públicas)
Agua residual urbana
Industrial
Aguas ‘blancas’Caudales más
altos y variables, que ocurren de forma episódica
Infiltracionesy aportaciones incontroladas
Escorrentía urbana (pluviales)
Doméstica o sanitaria
(zonas residenciales, comerciales y públicas)
Agua residual urbana
Industrial
Red separativa sanitaria(por gravedad o a presión)
… y de aguas pluviales(por gravedad)
Red (o sistema) unitaria(por gravedad)
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Sistema unitario
Sistema separativo
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Ejercicio propuesto
Suponed agua residual, con 400 mg/L de DBOu (= L0!!) 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