determinacion experimental de la distribucion de tiempo de

DETERMINACION EXPERIMENTAL DE LA DISTRIBUCION DE TIEMPO DE RESIDENCIA EN LA LAGUNA DE
ESTABILIZACION DE AGUAS SERVIDAS DE CABRERO, CON TRITIO COMO RADIOTRAZADOR
Francisco Díaz*, Oscar Durán*, Liliana Padilla**, David González** y Edmundo García Agudo***
*Comisión Chilena de Energía Nuclear
Casilla 188-D
Fax (56-2)273-8723, Santiago, Chile.
**Empresa de Servicios Sanitarios del Bio-bio S.A.
Tucapel 717
Fax (56-41) 332184, Concepción, Chile.
***Organismo Internacional de Energía Atómica
P.O. Box 100 A-1400.
Fax (43-1)20607, Vienna, Austria.
RESUMEN
Este trabajo fue realizado entre Instituciones Chilenas y el Organismo Internacional de Energía Atómica y
aborda funcionamiento hidrodinámico de lagunas de estabilización de aguas servidas mediante el uso de trazadores.
Se seleccionó la planta de la ciudad de Cabrero, a 500 kms. al sur de Santiago, que es una laguna facultativa rectangular
de 7100 m2 de área superficial y un volumen máximo de 12.327 m3 que recibe un flujo promedio de 20 l/s, sirviendo a una
población de 7000 habitantes. El objetivo del trabajo es caracterizar el escurrimiento del flujo que ingresa a la laguna,
mediante una experiencia de radiotrazado, donde se marca agua de entrada y se determina su paso en la salida de la
misma, obteniéndose la Distribución de Tiempos de Residencia. Se selecciona tritio en la forma de agua tritiada como
trazador que se vierte puntualmente en el flujo de aguas del cajón de distribución a la entrada de la laguna. Para determinar
la concentración de tritio a la salida se toman muestras, midiendo simultáneamente el caudal, para ser analizadas en un
contador de centelleo líquido, previa destilación. Se obtuvo un tiempo medio experimental de 5,3 días y un análisis de la
Distribución de Tiempo de Residencia del trazador muestra una rápida salida del mismo e indica una mala distribución de
flujo en la laguna con un cortocircuito importante y probables zonas muertas.
Palabras Claves : lagunas, trazadores, tritio, dtr
I. INTRODUCCION
En el marco del proyecto de asistencia técnica
CHI/8/023 “Técnicas isotópicas en estudios de polución de
aguas”, que cuenta con el apoyo del Organismo
Internacional de Energía Atómica, una de las áreas de
interés es el estudio de caracterización del funcionamiento
de algunas lagunas de estabilización de aguas servidas
mediante el uso de trazadores.
Como el desarrollo del proyecto está focalizado
en la XVIII Región, la Sección Trazadores de la Comisión
Chilena de Energía Nuclear y el Departamento de
Investigación y Medio Ambiente de la Empresa de
Servicios Sanitarios del BioBío, ESSBIO, seleccionaron la
planta de la ciudad de Cabrero debido a la sospecha de un
funcionamiento anómalo en la distribución de flujo sobre
la misma con un impacto negativo en la degradación de
materia orgánica presente en las aguas servidas, como la
más adecuada para un estudio con la aplicación de la
técnica de trazado.
El objetivo de la experiencia es obtener la curva
de Distribución de Tiempos de Residencia (DTR) a la
salida de la laguna facultativa mediante el uso de tritio
como trazador, que entrega la información requerida
respecto de la distribución de flujos en la laguna.
En el presente informe se detalla la metodología
utilizada en la experiencia, se describen los resultados
obtenidos y se entrega un análisis de los mismos desde el
punto de vista del comportamiento del trazador.
II. ANTECEDENTES TEORICOS
El objetivo general del trabajo es caracterizar el
escurrimiento de las aguas servidas que ingresan a la laguna,
mediante la realización de una experiencia de radiotrazado
donde se marcará el agua de entrada con Tritio, en la forma
de agua tritiada, determinándose su paso en la salida de la
laguna mediante muestreo. El objetivo específico de las
mediciones es obtener, mediante la determinación de tritio
en las muestras, la Distribución de Tiempos de Residencia
(DTR).
Para que la curva obtenida a la salida de un sistema
represente directamente la DTR es necesario que la entrada
de trazador sea un pulso [1]. Luego es factible obtener el
tiempo medio de residencia experimental aplicando el
método de los momentos y se obtiene:
∫ t C(t) dt
texp = ---------------∫ C(t) dt
(1)
donde,
texp : tiempo medio experimental.
t
: tiempo de colección de la muestra.
C(t) : concentración de trazador en el tiempo t.
Esta ecuación es válida si se cumple la condición de
que el flujo es constante, lo que en la práctica es imposible de
mantener por la variación natural en la producción de las
aguas residuales o negras. En estas condiciones
necesariamente la ecuación (1) debe incluir el caudal como
una variable del tiempo dentro de ambas integrales, lo que
efectivamente se hizo. Se deben considerar cuidadosamente
estas variaciones operacionales para la interpretación de los
resultados finales del trabajo.
III.. METODOLOGIA
Descripción del sitio experimental
isótopo del hidrógeno.
• Tiempo de vida media del radioisótopo compatible con
la duración de la experiencia.
• Tipo y energía de radiación del radioisótopo que
permita su detección en forma adecuada, adaptándose a
las características propias de las instalaciones donde se
realizará el trabajo.
Según los requisitos señalados se seleccionó el tritio
en la forma de agua tritiada como trazador. El tritio es un
isótopo del hidrógeno y emisor de radiación beta débil (20
kev) con un tiempo de vida media de aproximadamente 12,3
años. Es, sin lugar a dudas, el mejor trazador del agua, pero
su aplicación requiere realizar muestreos y su análisis es
complejo y de lento.
La utilización de trazadores radiactivos emisores de
radiación gama es atractiva desde el punto de vista de la
adquisición de datos, ya que estos pueden ser tomados
incluso en línea desplegándose información preliminar
valiosa para los objetivos de la experiencia. Sin embargo, es
necesario realizar pruebas de laboratorio para evaluar la
interacción del trazador con la matriz de aguas negras en
estudio y verificar su comportamiento como trazador del
agua, lo que no se justifica teniendo la alternativa del tritio
disponible.
Cantidad de trazador requerida
Para calcular la cantidad de trazador requerida es
necesario tomar algunas consideraciones y premisas "a
priori". Estas son [1]:
• Duración de la experiencia. Se considera como 3 veces el
tiempo medio teórico, que resulta del cuociente entre el
volumen ocupado por la solución y el flujo. Los datos
disponibles, en un principio, consideraban una duración
total de 21 días.
• La cantidad en promedio que se requiere detectar en todo
el volumen de solución que pasará por la laguna. El
límite de detección de la técnica de análisis disponible es
de 20 dpm/ml y se requiere detectar 15 veces el límite de
detección.
• Flujo en el cual se inyectará el trazador. En este caso se
trabajó con un flujo promedio estimado de 20 l/s.
La laguna de la planta de Cabrero es una laguna
facultativa rectangular, de 7100 m2 de área superficial y un
volumen máximo de 12.327 m3 que recibe un flujo promedio
de 20 l/s.
Con la información disponible se determina
inyectar una cantidad aproximada de 5 Ci de Tritio.
Selección del trazador
La inyección que debe ser puntual y se realiza
mediante la adición por vertido manual de 20 ml de solución
de trazador directamente en el flujo de aguas que circulan por
el cajón de distribución a la entrada a la laguna. Este flujo,
luego de recorrer alrededor de tres metros cae sobre la
superficie de la laguna.
Para la selección de trazadores radiactivos se deben
considerar los siguientes parámetros básicos [1]:
• Comportamiento físico-químico similar al material que
se debe trazar. En el caso en particular de trazar agua el
mejor trazador es agua tritiada, donde el tritio es un
Inyección del trazador
Detección del trazador
Por las características de la medición de la
concentración de tritio es necesario realizar muestreos de
alrededor de 100 ml. en la salida de la laguna,
simultáneamente se midió el caudal de salida mediante un
vertedero.
Las muestras son analizadas en un contador de
centelleo líquido, previa destilación de ellas para evitar que
sustancias no deseadas influyan en la medida.
IV. RESULTADOS EXPERIMENTALES
Las muestras leídas en el contador se obtienen en
cuentas que han sido integradas en el lapso de tiempo de
adquisición, el instrumento las informa en cpm (cuentas por
minuto), las que posteriormente son corregidas mediante una
curva de calibración para obtener dpm (desintegraciones por
minuto). Finalmente son corregidas por decaimiento
radiactivo ocurrido en el lapso de tiempo entre la inyección
y el de medición, en este caso despreciable por la relación
entre el tiempo de duración de la experiencia (algunas
semanas) y el tiempo de vida media del tritio (12,3 años).
La expresión matemática que resume el cálculo
de la intensidad de radiación es [1]:
Acor = (Amed) ∗ exp (0,693 ∗ t / t1/2)
(2)
donde,
Acor : Actividad corregida por decaimiento radiactivo.
Amed : Actividad medida experimentalmente.
t
: Tiempo entre la inyección y la medición.
t1/2 : Tiempo de vida media del isótopo.
Variación de la actividad de tritio en el tiempo
Los datos se encuentran en el gráfico Nº1 donde se
muestran hasta un último valor que es menor a (2*BG)1/2
para asegurar que éstos tengan un valor estadísticamente
confiable.
1,20E+06
Flujo de Tritio [dps/s]
1,00E+06
8,00E+05
6,00E+05
4,00E+05
2,00E+05
0,00E+00
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
22
24
26
28
Tiempo [días]
Figura 1. DTR en Laguna de Cabrero
Tiempo medio experimental
Utilizando la fórmula (1) y considerando los
valores de caudal tomados se calcula el tiempo medio
experimental, obteniendo el valor de 126,4 horas.
V. DISCUSION Y CONCLUSIONES
En relación a la metodología aplicada y a los
resultados obtenidos en el trabajo experimental desarrollado,
se puede decir lo siguiente :
En general la metodología aplicada en el
desarrollo experimental del trabajo fue adecuada a los
requerimientos solicitados. La inyección del trazador fue
limpia y perfectamente representativa de un pulso.
Los intervalos de toma de muestra fueron
considerados tratando de adaptarse a las condiciones de
control de la laguna, éstos fueron apropiados, excepto al
inicio que no fue posible tomar la subida de la curva,
debido a que no se conocía el desarrollo que realmente
tenía el proceso.
La prontitud de la recuperación de tritio en la salida
hace que se tenga un contenido importante de trazador en la
salida, la mayor medida según se indica en la figura 1, sólo
dos horas después de la inyección, permite concluir que
existe un cortocircuito importante.
La variación del flujo durante la experiencia se
refleja en las distorsiones que tiene la figura 1, en orden de
dar una curva no suave con un cierto “ruido” .
El trazador y, en consecuencia, las aguas negras a
ser tratadas en la laguna ocupan un volumen mínimo de la
misma afectando en forma importante su eficiencia. Es
recomendable introducir elementos físicos (buffer) en la
laguna que obliguen al flujo a ocupar todo el volumen
disponible y así mejorar la eficiencia de tratamiento.
REFERENCIAS
[1] International Atomic Energy Agency. Guidebook on
Radioisotopes Tracers in Industry. Series Nº 16.
Vienna. 1990.
ABSTRACT
The hydrodynamic behaviour of wastewater
treatment ponds was studied using radioactive tracers, as
a part of a technical cooperation programme between
Chilean Institutions and the International Atomic Energy
Agency (IAEA). A plant in the town of Cabrero, 500 km.
South of Santiago, was selected for the study. It is a
rectangular pond with a surface of 7100 m2 and a
maximum volume of 12327 m3. It deliver fresh water to a
population of 7000 inhabitants.
The sewage flowing into the pond was labeled
with tritium (3H), as tritiated water, injected punctually
into the inlet and its concentration measured in the outlet
of the pond, at fixed time intervals. The treated sewage
samples were distilled and their tritium content measured
with a Liquid Scintillation Counter. Sewage flow rate was
also measured during the experiment.
An experimental Mean Residence Time of 5.3
days was obtained. The experimental Residence Time
Distribution analysis curve shows that part of the injected
tracers leaves the pond shortly after injection, which
indicates that the pond is not operating properly, being
characterized by an important short circuit and probable
dead zones.