Capacidad de carga

CAPACIDAD DE CARGA1
La metodología para determinar la capacidad de carga de las principales fuentes hídricas de la
jurisdicción, se realizó a través de balances de masas de un escenario propuesto y la aplicación
del modelo matemático de Streeter – Phelps.
El balance de masas, se basa en la Ley de la Conservación de Masas (la materia no se crea ni se
destruye, solo se transforma), la cual establece que la masa que entra en un sistema debe salir del
sistema o acumularse dentro de él.2
Para esto, se define un volumen de control equivalente a una longitud de la corriente hídrica,
donde se permita realizar el balance ds masas para los diferentes parámetros:
Lo anterior, está representado por la siguiente expresión:
Cambio en el almacenamiento = Salidas − Entradas
Para el caso de una descarga de aguas residuales, se aplicala ecuación básica de balance de
cargas contaminantes, de acuerdo al siguiente gráfico:
Toxicidad no aguda
(50% de mortalidad)
Toxicidad no crónica (nivel sin
efecto basado en el crecimiento,
reproducción, etc.)
Río
Q r Cr = Q s Cs + Q d Cd
1
2
Tratamiento de aguas residuales. Teoría y principios de diseño. Jairo Alberto Romero Rojas.
CAR – Cundinamarca.
Dónde:
Qd= caudal del vertimiento (m3/s)
Cd= concentración de la sustancia en el vertimiento (µg/L)
Qs= caudal de la corriente aguas arriba del punto de vertimiento (m3/s)
Cs= concentración de la sustancia aguas arriba del punto de vertimiento (µg/L)
Qr= caudal de la corriente aguas abajo del punto de vertimiento (m3/s) = Qd+ ff Qs
Cr= concentración de la sustancia aguas abajo del punto de vertimiento (µg/L)
Con la ecuación anterior, se podría determinar la concentración del parámetro evaluado (DBO,
SST, Nitrógenos, Fósforos, etc.), que se obtendría con el vertimiento de aguas residuales tratadas.
Una vez se obtengan los resultados, deberá compararse el valor calculado con los objetivos de
calidad definidos para la corriente, así como con los valores monitoreados aguas arriba del
vertimiento, con el fin de determinar el impacto en la calidad del agua generado por el vertimiento.
Por otra parte, el modelo de Streeter – Phelps, es un modelo matemático para el balance de
oxígeno disuelto en un río, que relaciona los dos principales mecanismos que definen el oxígeno
disuelto en un cauce de agua superficial que recibe la descarga de aguas residuales:
descomposición de materia orgánica y aireación de oxígeno. Este modelo ha sido adaptado tanto
para fuentes puntuales como para fuentes difusas o dispersas, para predecir los efectos de la
descarga de material orgánico biodegradable sobre oxígeno disuelto.
El modelo establece que la carga de materia orgánica de DBO es el alimento principal de las
bacterias presentes en el río, las cuales llevan a cabo un proceso de oxidación mediante el cual
consumen el oxígeno disuelto presente en el agua y materia orgánica.
Cuando el agua que contiene materia orgánica biodegradable está expuesta al aire, absorbe
oxígeno de la atmósfera para reemplazar el oxígeno disuelto que se consume en satisfacer la
DBO. Los procesos de desoxigenación y re oxigenación ocurren simultáneamente. Si la velocidad
de desoxigenación es más rápida que la velocidad de re oxigenación, se incrementa el déficit de
oxígeno. Si el contenido de oxígeno es cero, no se pueden mantener condiciones aerobias y se
presentarán condiciones sépticas, lo que se condice con el aumento de la velocidad de
degradación de la materia orgánica.
La metodología empleada para determinar la capacidad de carga se obtuvo al definir (Escenario 1)
un caudal de los vertimientos arrojados a la fuente hídrica a una determinada concentración que
mantiene los límites para un uso agrícola restringido de 5 mg/l de DBO 5 en la fuente, una vez
realizado el balance de masas, se aplica el modelo de Streeter – Phelps, donde nos muestra el
déficit de oxigeno que alcanzaría la fuente (consumo total de OD por oxidación de la materia
orgánica presente), y su capacidad de asimilación en un distancia recorrida.
Capacidad de Carga, Fuentes Hídrica de la Jurisdicción.
Río Teatinos Tramo tres, Estación Batallón.
Escenario 1.
Caudal Río Teatinos: 459648 m3/día
Concentración DBO5 Río Teatino: 4,27 mg/L
Concentración OD Río Teatino: 7,26 mg/L
Caudal Vertimientos Puntuales: 50000m3/día (578,7 l/s)
Concentración OD Vertimientos: 2 mg/L
Concentración DBO5 Máxima permitida en el Río Según Objetivo de Calidad para un Uso Agrícola
Restringido: 5 mg/L.
Factor de conversión de mg/s a Kg/h (0,0036)
Tiempo de vertido 24 horas
Concentración DBO5 Vertimientos: X
Se plantea la Ecuación de Balance de Masas para la DBO5 del agua residual tratada y del Río.
(459648
m3
mg
m3
m3
m3
5𝑚𝑔
) ∗ (4,27
) + (50000
) ∗ (X) = (459648
) + (50000
)∗(
)
día
L
día
día
día
𝐿
Se despeja el valor de la DBO5 máxima permisible en el efluente, X.
𝑋 = 11,71
𝑚𝑔
𝐿
La carga máxima del efluente para no sobrepasar la concentración permitida de DBO 5 del Río
Teatinos es de:
𝐶𝑪𝑫𝑩𝑶𝟓[𝟓𝟖𝟓, 𝟓𝟎
𝒌𝒈
578,7𝐿
𝑚𝑔
0,0036𝐾𝑔
]=(
) ∗ (11,71
)∗(
) ∗ (24 ℎ)
𝒅𝒊𝒂
𝑆
𝐿
ℎ
Con los anteriores datos se procede a aplicar el modelo Streeter – Phelps, aplicable a ríos en
condiciones aerobias, flujo con superficie libre, flujo permanente, unidimensional, supone que la
tasa de cambio de déficit de OD es igual a la diferencia entre la desoxigenación del agua, debida a
la remoción de DBO y materia orgánica carbonacea por oxidación biológica, y la re aireación o
suministro de OD proveniente de la atmosfera y causada por el déficit de OD y por la turbulencia.
Se plantea la Ecuación de Balance de Masas para el OD del agua residual tratada y del Río, con el
fin de conocer el OD aguas debajo de los vertimientos.
[4,10𝑚𝑔/𝐿]𝑂𝐷 =
(459648
m3
mg
m3
2𝑚𝑔
) ∗ (7,26
) + (50000
)∗(
)
L
𝐿
día
día
m3
m3
(459648
) + (50000
)
día
día
Con la carga contaminante plantea en este escenario se observa a continuación que el déficit de
oxígeno en el Río alcanza valores cercanos al OD disponible por la fuente.
Distancia
x (km)
0
10
20
30
40
50
100
120
130
140
150
160
170
180
190
200
DBO (mg/L) EN LA
DISTANCIA L(x)
11,71
11,66
11,62
11,57
11,52
11,47
11,24
11,15
11,11
11,06
11,01
10,97
10,93
10,88
10,84
10,79
DX (Déficit de
Oxígeno mg/L)
6,74
5,39
4,34
3,51
2,86
2,35
1,05
0,83
0,76
0,70
0,65
0,61
0,55
0,52
0,50
0,48
OD presente en la
fuente (mg/L)
-0,36
0,99
2,04
2,87
3,52
4,03
5,33
5,55
5,62
5,68
5,73
5,77
5,83
5,86
5,88
5,90
Comportamiento del OD en la fuentes respecto a la DBO5
14.00
12.00
10.00
8.00
6.00
4.00
2.00
0.00
-2.00
DBO (mg/L) EN LA DISTANCIA L(x)
Dx (Deficit de Oxígeno mg/L)
OD presente en la fuente (mg/L)
A medida que se oxida la materia orgánica en la fuente, disminuye el déficit de oxígeno y por ende
aumenta los niveles presentes en el Río, la fuente requiere aproximadamente un recorrido superior
a 40 km para empezar a retornar a sus condiciones normales según el escenario planteado.
Río Juyasia Tramo cuatro, Quebrada Caicedo. P33
Escenario 1.
Caudal Río: 434592 m3/día
Concentración DBO5 Río: 2,03 mg/L
Concentración OD Río: 7,52 mg/L
Caudal Vertimientos Puntuales: 350000m3/día (4050,9 l/s)
Concentración OD Vertimientos: 2 mg/L
Concentración DBO5 Máxima permitida en el Río Según Objetivo de Calidad para un Uso Agrícola
Restringido: 5 mg/L.
Factor de conversión de mg/s a Kg/h (0,0036)
Tiempo de vertido 24 horas
Concentración DBO5 Vertimientos: 8,69 mg/L.
Capacidad de Carga: 3041,5 kg/día.
Distancia x
(km)
0
DBO (mg/L) E LA
DISTANCIA L(x)
8,69
DX (Déficit de
Oxígeno mg/L)
5,06
OD presente en la
fuente (mg/L)
1,32
10
8,67
4,48
1,90
20
8,65
3,97
2,41
30
8,63
3,53
2,85
40
8,61
3,14
3,24
50
8,59
2,80
3,58
100
8,50
1,63
4,75
120
8,46
1,34
5,04
130
8,44
1,22
5,16
140
8,42
1,11
5,27
150
8,40
1,02
5,36
Comportamiento del OD en la fuentes respecto a la DBO5
9.00
8.00
7.00
6.00
5.00
4.00
3.00
2.00
1.00
0.00
0
10
20
30
40
DBO (mg/L) E LA DISTANCIA L(x)
50
100 120 130 140 150 160 170 180 190 200
Dx (Deficit de Oxígeno mg/L)
Río Albarracín Tramo cinco Turmequé. P13
Escenario 1.
OD presente en la fuente (mg/L)
Caudal Río: 341280 m3/día
Concentración DBO5 Río: 3,11 mg/L
Concentración OD Río: 7,54 mg/L
Caudal Vertimientos Puntuales: 80000m3/día (925,93 l/s)
Concentración OD Vertimientos: 2 mg/L
Concentración DBO5 Máxima permitida en el Río Según Objetivo de Calidad para un Uso Agrícola
Restringido: 5 mg/L.
Factor de conversión de mg/s a Kg/h (0,0036)
Tiempo de vertido 24 horas
Concentración DBO5 Vertimientos: 13,06 mg/L.
Capacidad de Carga: 1044,8 kg/día.
Distancia x
(km)
0
DBO (mg/L) E LA
DISTANCIA L(x)
13,06
DX (Déficit de
Oxígeno mg/L)
6,49
OD presente en la
fuente (mg/L)
-0,11
10
12,99
4,87
1,51
15
12,96
4,24
2,14
18
12,94
3,90
2,48
20
12,92
3,70
2,68
22
12,91
3,50
2,88
24
12,90
3,32
3,06
26
12,88
3,15
3,23
28
12,87
2,99
3,39
30
12,85
2,84
3,54
Comportamiento del OD en la fuentes respecto a la DBO5
14.00
12.00
10.00
8.00
6.00
4.00
2.00
0.00
-2.00
0
10
15
18
20
DBO (mg/L) E LA DISTANCIA L(x)
22
24
26
28
30
Dx (Deficit de Oxígeno mg/L)
40
50
60
70
80
90
OD presente en la fuente (mg/L)
Río Tibana Tramo Tibana. P8
Escenario 1.
Caudal Río: 1645056 m3/día
Concentración DBO5 Río: 3,09 mg/L
Concentración OD Río: 7,25 mg/L
Caudal Vertimientos Puntuales: 500000m3/día (5787,04 l/s)
Concentración OD Vertimientos: 2 mg/L
Concentración DBO5 Máxima permitida en el Río Según Objetivo de Calidad para un Uso Agrícola
Restringido: 5 mg/L.
Factor de conversión de mg/s a Kg/h (0,0036)
Tiempo de vertido 24 horas
Concentración DBO5 Vertimientos: 11,28 mg/L.
Capacidad de Carga: 5640 kg/día.
Distancia DBO (mg/L) E LA
DX (Déficit de
OD presente en
x (km)
DISTANCIA L(x)
Oxígeno mg/L)
la fuente (mg/L)
0
11,28
6,03
0,35
10
11,26
5,37
1,01
15
11,25
5,07
1,31
18
11,24
4,90
1,48
20
11,24
4,79
1,59
22
11,23
4,68
1,70
24
11,23
4,58
1,80
26
11,22
4,48
1,90
28
11,22
4,38
2,00
30
11,21
4,28
2,10
40
11,19
3,83
2,55
50
11,17
3,43
2,95
60
11,14
3,08
3,30
Comportamiento del OD en la fuentes respecto a la DBO5
12.00
10.00
8.00
6.00
4.00
2.00
0.00
1
2
3
4
DBO (mg/L) E LA DISTANCIA L(x)
5
6
7
8
9
10
Dx (Deficit de Oxígeno mg/L)
11
12
13
14
15
16
OD presente en la fuente (mg/L)
Río Fusavita Tramo 2 Fusavita P16
Escenario 1.
Caudal Río: 919296 m3/día
Concentración DBO5 Río: 1,05 mg/L
Concentración OD Río: 7,29 mg/L
Caudal Vertimientos Puntuales: 350000m3/día (4050,93 l/s)
Concentración OD Vertimientos: 2 mg/L
Concentración DBO5 Máxima permitida en el Río Según Objetivo de Calidad para un Uso Agrícola
Restringido: 5 mg/L.
Factor de conversión de mg/s a Kg/h (0,0036)
Tiempo de vertido 24 horas
Concentración DBO5 Vertimientos: 11,01 mg/L.
Capacidad de Carga: 3853,5 kg/día.
Distancia x
(km)
DBO (mg/L) E LA
DISTANCIA L(x)
11,01
10,98
10,96
10,95
10,94
10,93
10,92
10,92
10,91
10,90
10,86
0
10
15
18
20
22
24
26
28
30
40
DX (Déficit de
Oxígeno mg/L)
5,83
4,83
4,40
4,16
4,01
3,87
3,73
3,60
3,47
3,35
2,81
OD presente en la
fuente (mg/L)
0,55
1,55
1,98
2,22
2,37
2,51
2,65
2,78
2,91
3,03
3,57
Comportamiento del OD en la fuentes respecto a la DBO5
12.00
10.00
8.00
6.00
4.00
2.00
0.00
0
10
15
18
20
DBO (mg/L) E LA DISTANCIA L(x)
22
24
26
28
30
Dx (Deficit de Oxígeno mg/L)
40
50
60
70
80
90
OD presente en la fuente (mg/L)
Río Garagoa Tramo 8 Caracol P22
Escenario 1.
Caudal Río: 3033504 m3/día
Concentración DBO5 Río: 2 mg/L
Concentración OD Río: 7,72 mg/L
Caudal Vertimientos Puntuales: 950000m3/día (10995,4 l/s)
Concentración OD Vertimientos: 2 mg/L
Concentración DBO5 Máxima permitida en el Río Según Objetivo de Calidad para un Uso Agrícola
Restringido: 5 mg/L.
Factor de conversión de mg/s a Kg/h (0,0036)
Tiempo de vertido 24 horas
Concentración DBO5 Vertimientos: 14,58 mg/L.
Capacidad de Carga: 13851 kg/día.
Distancia x
(km)
0
DBO (mg/L) E LA
DISTANCIA L(x)
14,58
DX (Déficit de
Oxígeno mg/L)
6,36
OD presente en la
fuente (mg/L)
0,02
10
14,56
5,90
0,48
15
14,55
5,69
0,69
18
14,54
5,57
0,81
20
14,54
5,49
0,89
22
14,54
5,41
0,97
24
14,53
5,33
1,05
26
14,53
5,25
1,13
28
14,52
5,18
1,20
30
14,52
5,10
1,28
40
14,50
4,75
1,63
50
14,48
4,42
1,96
60
14,46
4,12
2,26
70
14,44
3,85
2,53
80
14,42
3,59
2,79
90
14,40
3,36
3,02
Comportamiento del OD en la fuentes respecto a la DBO5
20.00
15.00
10.00
5.00
0.00
0
10
15
18
20
DBO (mg/L) E LA DISTANCIA L(x)
22
24
26
28
30
Dx (Deficit de Oxígeno mg/L)
40
50
60
70
80
90
OD presente en la fuente (mg/L)
Río Guaya Tramo Único Q Guayas S. Capilla P35
Escenario 1.
Caudal Río: 443232 m3/día
Concentración DBO5 Río: 1,2 mg/L
Concentración OD Río: 7,82 mg/L
Caudal Vertimientos Puntuales: 80000m3/día (925,93 l/s)
Concentración OD Vertimientos: 2 mg/L
Concentración DBO5 Máxima permitida en el Río Según Objetivo de Calidad para un Uso Agrícola
Restringido: 5 mg/L.
Factor de conversión de mg/s a Kg/h (0,0036)
Tiempo de vertido 24 horas
Concentración DBO5 Vertimientos: 25,05 mg/L.
Capacidad de Carga: 2004 kg/día.
Distancia
x (km)
DBO (mg/L) E
LA DISTANCIA
L(x)
26,05
25,97
25,93
25,90
25,89
25,87
25,85
25,84
25,82
25,80
25,72
25,64
25,56
0
10
15
18
20
22
24
26
28
30
40
50
60
DX (Déficit de
Oxígeno mg/L)
OD presente en
la fuente (mg/L)
6,93
5,93
5,50
5,26
5,11
4,96
4,82
4,68
4,55
4,42
3,86
3,39
2,99
-0,55
0,45
0,88
1,12
1,27
1,42
1,56
1,70
1,83
1,96
2,52
2,99
3,39
Comportamiento del OD en la fuentes respecto a la DBO5
30.00
25.00
20.00
15.00
10.00
5.00
0.00
-5.00
0
10
15
18
20
DBO (mg/L) E LA DISTANCIA L(x)
22
24
26
28
30
Dx (Deficit de Oxígeno mg/L)
40
50
60
70
80
90
OD presente en la fuente (mg/L)
Río Súnuba Tramo 8 El Regalo P30
Escenario 1. Caudal Río: 1961280 m3/día; Concentración DBO5 Río: 4 mg/L; Concentración OD
Río: 7,35 mg/L. Caudal Vertimientos Puntuales: 390000m3/día (4513,89 l/s); Concentración OD
Vertimientos: 2 mg/L
Concentración DBO5 Máxima permitida en el Río Según Objetivo de Calidad para un Uso Agrícola
Restringido: 5 mg/L.
Factor de conversión de mg/s a Kg/h (0,0036)
Tiempo de vertido 24 horas
Concentración DBO5 Vertimientos: 10,03 mg/L.
Capacidad de Carga: 3911,7 kg/día.
Distancia
x (km)
0
DBO (mg/L) E LA
DISTANCIA L(x)
10,03
DX (Déficit de Oxígeno
mg/L)
6,46
OD presente en la
fuente (mg/L)
-0,08
10
10,01
5,73
0,65
15
10,00
5,40
0,98
18
9,99
5,21
1,17
20
9,99
5,09
1,29
22
9,98
4,97
1,41
24
9,98
4,85
1,53
26
9,97
4,74
1,64
28
9,97
4,63
1,75
30
9,96
4,52
1,86
40
9,94
4,02
2,36
50
9,92
3,59
2,79
60
9,90
3,20
3,18
70
9,88
2,87
3,51
80
9,86
2,57
3,81
90
9,84
2,31
4,07
Comportamiento del OD en la fuentes respecto a la DBO5
10.80
8.80
6.80
4.80
2.80
0.80
-1.20
0
10
15
18
20
DBO (mg/L) E LA DISTANCIA L(x)
22
24
26
28
30
Dx (Deficit de Oxígeno mg/L)
40
50
60
70
80
90
OD presente en la fuente (mg/L)
Quebrada el Bosque. Tramo 2 El Bosque P34
Escenario 1. Caudal Río: 841536 m3/día; Concentración DBO5 Río: 1,05 mg/L; Concentración OD
Río: 7,94 mg/L. Caudal Vertimientos Puntuales: 350000m3/día (4050,93 l/s); Concentración OD
Vertimientos: 2 mg/L. Concentración DBO5 Máxima permitida en el Río Según Objetivo de Calidad
para un Uso Agrícola Restringido: 5 mg/L.
Factor de conversión de mg/s a Kg/h (0,0036)
Tiempo de vertido 24 horas
Concentración DBO5 Vertimientos: 14,50 mg/L.
Capacidad de Carga: 5075 kg/día.
Distancia x
(km)
0
DBO (mg/L) E LA
DISTANCIA L(x)
14,50
DX (Déficit de
Oxígeno mg/L)
6,20
OD presente en la
fuente (mg/L)
0,18
10
14,47
5,55
0,83
15
14,45
5,26
1,12
18
14,44
5,09
1,29
20
14,44
4,98
1,40
22
14,43
4,87
1,51
24
14,43
4,77
1,61
26
14,42
4,67
1,71
28
14,41
4,57
1,81
30
14,41
4,47
1,91
40
14,38
4,03
2,35
50
14,35
3,64
2,74
60
14,32
3,28
3,10
70
14,29
2,98
3,40
80
14,26
2,70
3,68
90
14,23
2,46
3,92
Comportamiento del OD en la fuentes respecto a la DBO5
16.00
14.00
12.00
10.00
8.00
6.00
4.00
2.00
0.00
0
10
15
18
20
DBO (mg/L) E LA DISTANCIA L(x)
22
24
26
28
30
Dx (Deficit de Oxígeno mg/L)
40
50
60
70
80
90
OD presente en la fuente (mg/L)
Río Lengupá. Tramo Único
Escenario 1. Caudal Río: 11331360 m3/día; Concentración DBO5 Río: 4 mg/L; Concentración OD
Río: 6,69 mg/L. Caudal Vertimientos Puntuales: 600000m3/día (6944,44 l/s); Concentración OD
Vertimientos: 2 mg/L. Concentración DBO5 Máxima permitida en el Río Según Objetivo de Calidad
para un Uso Agrícola Restringido: 5 mg/L.
Factor de conversión de mg/s a Kg/h (0,0036); Tiempo de vertido 24 horas Concentración DBO5
Vertimientos: 23,89 mg/L.
Capacidad de Carga: 14334 kg/día.
Distancia x
(km)
0
DBO (mg/L) En la
distancia (x)
23,89
DX (Déficit de Oxígeno
mg/L)
6,45
OD presente en la
fuente (mg/L)
-0,07
10
23,78
5,22
1,16
15
23,73
4,71
1,67
18
23,70
4,44
1,94
20
23,68
4,27
2,11
22
23,66
4,10
2,28
24
23,63
3,95
2,43
26
23,61
3,80
2,58
28
23,59
3,66
2,72
30
23,57
3,53
2,85
40
23,47
2,97
3,41
50
23,37
2,53
3,85
60
23,26
2,17
4,21
70
23,16
1,90
4,48
80
23,06
1,70
4,68
90
22,96
1,54
4,84
Comportamiento del OD en la fuentes respecto a la DBO5
25.00
20.00
15.00
10.00
5.00
0.00
0
10
15
18
20
22
24
26
28
30
40
50
60
70
80
90
-5.00
DBO (mg/L) E LA DISTANCIA L(x)
Dx (Deficit de Oxígeno mg/L)
OD presente en la fuente (mg/L)
Resultados
Número
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Fuente Hídrica
Río Teatinos
Río Juyasia
Río Albarracín
Río Tibana
Río Fusavita
Río Garagoa
Río Guaya
Río Súnuba
Quebrada Bosque
Río Lengupá
Capacidad de
Carga (kg/día)
585,5
3041,5
1044,8
5640
3853,5
13851,04
2004
3911,7
5075
14334
Conclusiones y Recomendaciones




Se recomienda realizar este tipo de análisis a fuentes receptoras de vertimientos
puntuales, principalmente descargas de municipios, teniendo en cuenta que estas fuentes
son de menor caudal y se ven seriamente afectadas por este tipo de vertimientos.
En general la capacidad de carga de las principales fuentes hídricas de la jurisdicción es
alta, teniendo en cuenta que estas fuentes mantienen caudales elevados gracias a la
cantidad de tributarios que descargan aportes hídricos a estas, sin embargo, demandarían
un recorrido extenso para volver a sus condiciones normales (mayor a 40 km).
Implementar sistemas de alerta, cada vez que el laboratorio de calidad de la corporación
reporte valores excesivos de DBO5 en las fuentes hídricas monitoreadas.
Implementar campañas de monitoreo en las fuentes hídricas de la parte baja de la
jurisdicción, teniendo en cuenta que se tiene poca información sobre estas (Río Bata, Río
Tunjita, Río Lengupá), a los cuales no se pudo obtener resultados por falta de información
como velocidad, ancho y profundidad de la fuente.
Anexo
Archivo Excel Streeter Corpochivor ( Hoja de Cálculo).