Notas

Saneamiento … un viaje
con NEMO
El objetivo de los sistemas de
saneamiento es recoger el agua
contaminada, …
1
…, conducirla fuera de los núcleos
urbanos, de forma que no suponga
ningún peligro para la salud humana, …
u
rs
i
c
du
e
,r
…
ld
e
v
ni
e
ac
in
m
ta
n
co
n,
ió
…
2
… y devolverla de forma
adecuada al medio acuático natural.
¿Qué transportamos en las
redes de saneamiento?
¿Cuánto y Cómo?
3
¿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
4
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. Second
Edition.
• [6] Erosion and Sedimentation Manual. Edited by the
United States Department of Interior, Bureau of
Reclamation. 2006.
5
Parámetros indicadores de
contaminación
• Físicos
Características 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);
• Biológicos
Bacterias, virus, hongos, algas coliformes
Parámetros indicadores de
contaminación
• Físicos
Características 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);
• Biológicos
Bacterias, virus, hongos, algas coliformes
6
Tipo de Parámetro
parámetro
Físicos
Parámetro
Químicos
Contaminación ligera
500
300
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
ºC
10-20
10-20
10-20
Color
Gris-negro
Gris-negro
Gris-negro
Olor
SH2
SH2
100
SH2
D.B.O.5
MgO2/l
300
200
100
D.Q.O.
MgO2/l
800
450
160
6-9
6-9
6-9
pH.
BiológicosBiológicos
Contaminación fuerte Contaminación media
Mg/l
Temperatura
Químicos
Unidades
Sol. Suspensión
N. total
Mg/l
86
50
25
N. orgánico
Mg/l
35
20
10
NH4+
Mg/l
NO3-
Mg/l
NO2-
Mg/l
P total
Mg/l
Indicadores
de contaminación
fecal15
50
30
0,4
0,2
0,1
¡Patógenos!!!
0,05
RED0,1SUBTERRÁNEA
BAJO LA 0
17
7
2
RED DE
175 ABASTECIMIENTO
100
15
Cl-
Mg/l
Grasas
Mg/l
40
20
0
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
1. Sólidos en el agua
7
Definiciones
• 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 fija
fracción orgánica
fracción inorgánica
* según se volatilice o no a 550 ± 5oC
8
Problemas derivados de la
presencia de sólidos
9
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?
10
10
u*2
Rgd p
bedload and suspended load transport
negligible suspension
1
=
suspension
∗
ρRgd p
τ∗ =
τb
τ ∗cτbf 50
u∗ =
τb
= w0
ρ
motion
0.1
bedload transport
no motion
silt
sand
0.01
1.E+00
1.E+01
gravel
1.E+02
Re p =
1.E+03
(
1.E+04
1.E+05
1.E+06
)
Repp d p
gRd
ν
Diagrama de Shields, con criterio de suspensión
Velocidad de fricción
u* =
gR h S 0
2
u* =
f 2
U
8
Rh = Radio hidráulico
S0 = pendiente de la conducción
−2

14 . 8 R h  
f = factor de fricción (Darcy) =  2 log 

ε



U = velocidad media
ε = Rugosidad (2.5x10-3 m para el cemento)
11
Velocidad de sedimentación
Fg = m x g = ρsV g
dp
Ff = CDApρww02/2
En equilibrio
2
w0 =
V = 1/6 π dp3
Ap = 1/4 π dp2
Fe = ρw V g
4  ρs − ρw  d p

g 
3  ρ w  CD
R
Transición
Régimen turbulento
CD
Régimen laminar
Re = ( w0 d p ) / µ
12
CD
 24
 Re (Re < 1, régimen laminar)
CD = 
24
3
 +
+ 0.34 (1 < Re < 10000)
 Re
Re
Re = ( w0 d p ) / µ
Velocidad de sedimentación
Fg = m x g = ρsV g
dp
Ff = CDAρww02/2
Ley de Stokes
(régimen laminar)
w0 =
g
2
Rd p
18 µ
V = 1/6 π dp3
A = 1/4 π dp2
Fe = ρw V g
Ley de Newton
(régimen turbulento)
w0 ≈
g
Rd p
0.44
13
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
14
Pendientes mínimas para alcantarillas
u * = gRh S 0 = ( f / 8 )U ≥ w0
m/m
Criterios de diseño
y elementos en redes
Velocidades
mínimas
Diámetros
mínimos
Pendientes
mínimas
Objetivo: auto-limpieza
Los 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
15
Adaptaciones de la red a la topografía
(pendiente insuficiente)
h
Desagüe
Estaciones
de bombeo
h
Criterios de diseño
y elementos en redes
Velocidades
máximas
Pendientes
máximas
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
16
Adaptaciones de la red a la topografía
(pendiente excesiva)
Desagüe
Rápidos
2. Materia orgánica,
oxígeno y otros gases
17
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 (2550%) + 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 + 6H2O
180 g
192 g
18
¿Cómo cuantificamos el contenido
orgánico?
L
L0
Materia orgánica, en equivalentes de
oxígeno
Balances de masa en
un recipiente cerrado
Materia
orgánica
d (VL)
= −kVL
dt
Oxígeno
o(t ) = o0 − ( L0 − L0 e − kt )
⇒ L(t ) = L0 exp( −kt )
Demanda ‘ejercida’ bioquímica
de oxígeno, DBO = f(tiempo)!!!
19
Concentración (mgO / l)
DBO y materia orgánica
L0- L0e-kt
L0
Materia orgánica
L0e-kt
Tiempo (días)
Concentración (mgO / l)
DBO y materia orgánica
L0e-kt
DBO = L0(1 - e-kt)
L0
Materia orgánica
Tiempo (días)
20
¿DBO5 vs. DBOu?
Recordad que definimos DBO como y = L0 (1 − e
i.e. es una función del tiempo.
−k t
)
DBO5 es la DBO para 5 días, i.e.
y5 = L0 (1 − e − k 5 ) → L0 =
y5
(1 − e − k 5 )
DBO5 Valores guía
•
•
•
•
•
Aguas muy puras
Pureza intermedia
Agua contaminada
Agua residual urbana
Industria agroalimentaria
DBO5 < 3 mg/l O2
3<DBO5< 5
DBO5> 5
DBO5 ≈ 100-400
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
21
DBO
DQO
Microorganismos
oxidantes
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
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
22
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
23
Problemas derivados
de la ausencia de oxígeno
CORROSIÓN de
alcantarillas de
hormigón (H2SO4
reacciona con el
cemento
y el hierro)
(Thiobacillus)
Peligro potencial
para los operarios
24
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 autolimpieza
• 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
Agua residual urbana
Doméstica o
sanitaria
Industrial
(zonas residenciales,
comerciales y públicas)
- 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
Infiltraciones
y aportaciones
incontroladas
Escorrentía
urbana (pluviales)
-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)
25
Agua residual urbana
Doméstica o
sanitaria
Industrial
(zonas residenciales,
comerciales y públicas)
Infiltraciones
y aportaciones
incontroladas
Aguas ‘negras’
Caudales estables
Escorrentía
urbana (pluviales)
Aguas ‘blancas’
Caudales más
altos y variables,
que ocurren de
forma episódica
Agua residual urbana
Doméstica o
sanitaria
(zonas residenciales,
comerciales y públicas)
Industrial
Infiltraciones
y aportaciones
incontroladas
Red separativa sanitaria
(por gravedad o a presión)
Escorrentía
urbana (pluviales)
… y de aguas pluviales
(por gravedad)
Red (o sistema) unitaria
(por gravedad)
26
Sistema unitario
Sistema separativo
27
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
28