UNIDAD01QuímicadelAgua-2016

8/18/2019 UNIDAD01QuímicadelAgua-2016

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UNIDAD I. QUIMICA DEL AGUA

1.1.- INTRODUCCIÓN.

Aunque las siguientes cifras han sido ampliamente difundidas por di ersas instancias dgo!ierno de todo el mundo" organi#aciones sociales $ %NGs dedicadas a la protecci&n de recursos naturales $ el medio am!iente" es importante citarlas una e# m's( actualmente )")*millones de personas carecen de agua $ +",** millones de instalaciones sanitarias- ) pa/scarecen totalmente de acceso a fuente de agua limpia" de cada cuatro personas una no alcanel agua pura" cada ocho segundos muere un ni0o por !e!er agua contaminada" m's de cincmillones de personas mueren cada a0o por aguas contaminadas.

En los pa/ses en desarrollo" entre el 1*2 $ el 132 de las aguas residuales $ el 4*2 de losdesechos industriales se ierten sin ning5n tratamiento" que consecuentemente contaminan

suministro del agua utili#a!le.

6or otro lado" la p7rdida de calidad del agua dulce por contaminaci&n repercute mgra emente en su disponi!ilidad para consumo" una e# superada la capacidad natural autodepuraci&n de los r/os. En primer lugar la contaminaci&n difusa de origen agropecuaritra 7s del uso incontrolado de plaguicidas t&8icos $ fertili#antes produce la eutrofi#ac9crecimiento e8cesi o de algas $ muerte de los ecosistemas acu'ticos:. En segundo lugar" contaminaci&n industrial por metales pesados" materia org'nica $ nue os compuestos t&8icse multiplicar' por , para el +*+3. 6or 5ltimo la contaminaci&n ur!ana se da so!retodo en lamegaciudades $ sus cinturones de miseria.

Adicionalmente" la contaminaci&n causada por los efluentes dom7sticos e industriales"deforestaci&n $ las pr'cticas del uso del suelo" est' reduciendo nota!lemente la disponi!ilidade agua utili#a!le. En la actualidad" una cuarta parte de la po!laci&n mundial" es decir" )"3millones de personas" que principalmente ha!itan en los pa/ses en desarrollo" sufren escas

se era de agua limpia" lo que ocasiona que en el mundo ha$a m's de die# millones de muertal a0o producto de enfermedades h/dricas. Es urgente que la contaminaci&n del agua pdescargas de aguas residuales $ contaminadas sea controlada de alguna manera.La contaminaci&n del agua es uno de los factores importantes que rompe esa armon/a entrehom!re $ su medio am!iente" precis'ndose en consecuencia luchar contra ella para recuperar eequili!rio. ;iendo esta la tarea !'sica del Ingeniero ;anitario" tanto para el agua que se utili#ar'

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para el consumo humano 9Agua pota!le:" como el agua de desecho que es contaminada en ldiferentes usos que se le da en las la!ores diarias del hom!re.

6or lo que se puede definir lacontaminación del agua como sigue(“Una corriente de aguase considera contaminada, cuando la composición o estado de sus aguas son directa o

indirectamente modificadas por la naturaleza o la actividad del hombre, en una medida tal,

que disminuye la capacidad para su utilización en actividades que son benéficas para el

mismo hombre, como lo es: Abastecimiento de agua potable, riego de parcelas, recreación,

generación de actividades piscícolas, abastecimiento de industrias, etc !

El olumen de agua almacenado en nuestro planeta en oc7anos" mares" lagos" r/os" etc.

estima en ),"*** Millones de


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uente( Igor A. ;hi


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En la pr'ctica" podemos definir a la materia de "#"$%&A" '% $(A$A%)$* " como larama de la Ingenier/a ;anitaria que( Estudia, diseña, construye y opera obras que ayudan arestablecer las condiciones FISICAS, QUIMICAS y BIOLO ICAS del a!ua, "is"as que #an

sido alterado directa o indirecta"ente por las acti$idades diarias del #o"bre% 9;ierra $

6e0al er" )1 1:.

En este curso se tendr' 7nfasis en lo relacionado a la contaminaci&n del agua residumunicipal" $ por lo tanto de su tratamiento. 6or lo que"el ob+etivo principal ser' estudiar ydise ar las principales operaciones unitarias que formar-n a un sistema de tratamiento de

las aguas residuales municipales

De!emos recordar tam!i7n" el papel acti o que el ingeniero de!e esta!lecer en el desarrollo deste campo" conociendo los fundamentos qu/micos" f/sicos $ !iol&gicos en los que se !asa cauna de las etapas de un sistema de tratamiento" para cu!rir de manera adecuada" la concepci&la planeaci&n $ el dise0o integral de todas las etapas que le dar'n forma a los sistema propuestos.

No de!emos ol idar los aspectos sociales $ econ&micos que afectan a todos los pro$ectos ingenier/a" por ello de!emos esta!lecer adecuadamente los criterios de selecci&n de l

alternati as de tratamiento" apeg'ndonos a los lineamientos marcados en la le$" las normesta!lecidas por las dependencias gu!ernamentales $ las necesidades propias de cada pro$ecto

1.2.- QUIMICA DE A!UA.

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;on desea!les ciertos conocimientos de qu/mica para poder entender ciertas reacciones $comprender los procesos que se erifican en un sistema de tratamiento de agua. 6or lo tanto"necesario conocer ciertos conceptos !'sicos de esta ciencia.

.a química en su sentido m's amplio" trata de la composici&n de la materia" $ de sutransformaciones. Uncambio químico es una alteraci&n de la composici&n de la materia9E emplo( La o8idaci&n del hierro al contacto con el medio am!iente" el encender un cerillreacci&n de cemento al contacto con el agua" etc.:.

Es necesario recordar las siguientes definiciones qu/micas: %l -tomo es la unidad m's peque0ade materia que tiene las caracter/sticas de un elemento-una molécula es la unidad m's peque0a

de materia que tiene las propiedades de un compuesto" $los elementos son su!stancias que no pueden su!di idirse en sustancias m's simples mediante cam!ios qu/micos ordinarios. El agu puede descomponerse en hidrogeno $ o8igeno" figura ). .

La composici&n qu/mica del agua natural es( B+%

en forma qu/mica se representa como( B F % F B

igura ). Uni&n del hidr&geno $ o8/geno para producir mol7culas de agua.

1.2.1- Com"o#ición de la# agua# $e#iduale# munici"ale#.

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La composici&n de las aguas residuales es aria!le" sus caracter/sticas f/sicas" qu/mic !iol&gicas- dependen de los cam!ios horarios" diarios $ estacionales. Esto se de!e" a los usosse le da al agua que es suministrada a la po!laci&n- $a que ciertas acti idades se reali#an per/odos determinados" lo cual se manifiesta en la composici&n de las aguas residuales.

6ara disponer de un orden en la composici&n $ caracter/sticas de las aguas residuales" s propuesto di idirlas de la siguiente manera(

a. Caracter/sticas /sicas. !. Caracter/sticas Qu/micas.c. Caracter/sticas Hiol&gicas.

I. Ca$acte$%#tica# &%#ica#

Las caracter/sticas m's rele antes son( ;&lidos" temperatura" color $ olor.

A. 'ólido#.

Esta caracter/stica es de inter7s" $a que a a incidir en los diferentes procesos $ en la separa

de la materia contenida en las aguas residuales. .os sólidos totales " se define como la materiaque se o!tiene como residuo despu7s de someter un olumen determinado de agua a un procde e aporaci&n de entre )* $ )*3 C" $ posteriormente pesando el residuo remanente8presan en t7rminos de mgJlt.

De los sólidos totales " se considera que apro8imadamente el 4*2 sonsólidos filtrables "mismos que se componen desólidos coloidales $ sólidos disueltos " tales como calcio" sodio $compuestos org'nicos solu!les.Los sólidos sedimentables se definen como aquellos que se sedimentan en el fondo de unrecipiente de forma c&nica 9cono Imhoff: en el transcurso de un periodo de tiempo de minutos. Lossólidos sedimentables se e8presan en mlJlt $ constitu$en una medida apro8imadade la cantidad de lodos que se podr/a o!tener en la sedimentaci&n primaria del agua residual.

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Los sólidos vol-tiles son aquella fracci&n que se olatili#a a 33* C. La concentraci&n s&lidos ol'tiles se suele considerar comouna medida apro/imada del contenido de materiaorg-nica " o en ciertos casos" de las concentraciones de s&lidos !iol&gicos tales como !actero proto#oos. Los s&lidos ol'tiles pueden determinarse so!re la muestra original 9sólidosvol-tiles totales :" so!re la fracci&n suspendida 9sólidos suspendidos vol-tiles : o so!re lafracci&n filtrada 9sólidos disueltos vol-tiles :.

Lo anotado se ampl/a con las figuras )., $ ).3" donde se ilustra la forma en que la materia 9forma de s&lidos: est' contenida en las aguas residuales" en las mismas" se anotan el porcenque corresponde al contenido de la materia org'nica e inorg'nica 9mineral:.

TOTAL(720mg/lt)100%

Suspendida(220mg/lt)30 %

Filtrable(500 mg/lt)70 %

Sedimentable (1 0mg/lt)70 %

!" Sedimentable( 0 mg/lt)30 %

#"l"idal(50mg/lt)10%

$isuelta( 50mg/lt)&0%

Org'ni a(120mg/lt)75 %

ineral( 0 mg/lt)25 %

75 %

25 %

*0%

20%

35%

5%

Org'ni a( 5 mg/lt)

ineral(15 mg/lt)

Org'ni a( 0 mg/lt)

ineral (10 mg/lt)

Org'ni a(1 0mg/lt)

ineral(2&0mg/lt)

igura )., Clasificaci&n de los s&lidos presentes en un agua residual de intensidad media.

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Suspendida "n" +iltrables

30 %

#"l"ides

10 %

$isuelt"s

&0 %

,*10 ,710 ,10 ,510 ,10 ,310 ,210 ,110 1

,210 ,110 1 10 210 310 10 510 10 µm

mts

-liminablesp"r "agula i.n Sedimentables

70 % Filtrables

100 % S.lid"s t"tales (ST)

igura ).3. Clasificaci&n e inter alos de tama0os de las part/culas presentes en el agua.

(. Tem"e$atu$a.

La temperatura es un factor importante" que tiene influencia en el desarrollo de microorganismos $ en la concentraci&n de la saturaci&n de o8/geno" la cual es m's alta a !temperaturas $ se a!ate con el incremento de temperatura- afecta tam!i7n a la tasa transferencia de o8/geno" $ en un sistema de tratamiento se generan estratificaciones t7rmi pro ocando que el tiempo real de detenci&n sea hasta un 4*2 con respecto al tiempo te&rico

Normalmente las aguas residuales dom7sticas" son ligeramente m's calientes que el agsuministrada a la po!laci&n- apro8imadamente es superior de + a grados cent/gradostemperatura media est' en el rango de los )3 a )4 C. Es !ueno tener conocimiento de latemperatura media de las aguas residuales- pues as/ se estar' en condiciones de determinar sitiene una fuente de contaminaci&n industrial" que desecha l/quidos a altas temperaturas" $ puede ele ar la temperatura de ,* C a 3* C dependiendo del tama0o de la po!laci&n.

C. Colo$.


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El color de las aguas residuales Kfrescas es caf7 claro" $a que a5n contienen o8/geno li!re" +.* mgJlt: cuando el o8/geno se agota" la coloraci&n cam!ia de gris claro a gris oscuro- indica que ha entrado en estado s7ptico- cuando transcurre m's tiempo la coloraci&nfrancamente negra.

D. Olo$.

Las aguas residuales Kfrescas no tienen un olor ofensi o" $a que como se anot&anterioridad" a5n contiene una peque0a concentraci&n de o8/geno- 9).3 a +.* mgJlt:- cutranscurre el tiempo- el o8/geno disuelto se agota- $ predominan las condiciones anaero!ias- caracter/stica de este tipo de condiciones" es la generaci&n de gases" los m's representati os

el metano $ los sulfitos. La coloraci&n con untamente con la presencia de olores" son par'melementales" indicati os de descomposici&n anaero!ia. Las aguas en este estado" se dice quaguas s7pticas.

II. Ca$acte$%#tica# )u%mica#(

;e di ide en tres grupos( a: Materia org'nica" !: Materia inorg'nica" $ c: Gases generados. Ldeterminaci&n de la concentraci&n de materia org'nica es m's amplia" $ es de cierta maner

que genera un criterio para dimensionar las estructuras del sistema de tratamiento" $ tam!i7nun par'metro que indica el funcionamiento $ eficiencia del sistema en general o de caestructura en particular. A continuaci&n se descri!en !re emente a estos grupos(

A. Mate$ia o$g*nica+

Como $a se anot& anteriormente" apro8imadamente el, de s&lidos totales es materia ensoluci&n" que es la fracci&n ma$or. ;i !ien la materia org'nica tiene una composici&n compl

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se puede anotar que los principales elementos componentes son 9B" %" 6" " N $ ;- denominmacro nutrientes: $ en concentraciones m's peque0as se tiene Cu" e" Mg" n" C " $ odenominados micro nutrientes.

La materia org'nica contenida en las aguas residuales" est' formada principalmente po/$ote%na#0 ca$ o id$ato#0 g$a#a# 3 aceite#- todo esto como consecuencia de la dieta del ser humano.

Aunque tam!i7n se de!e considerar en esta clasificaci&n a losagentes tenso activos, que songrandes mol7culas org'nicas" ligeramente solu!les en agua que causan espuma" pro enien principalmente de los detergentes- fenoles, se producen principalmente por operaciones

industriales- $ pesticidas y productos químicos agrícolas, estos compuestos org'nicos se pueden encontrar a ni el de tra#as tales como pesticidas $ her!icidas usados en la agricultestos no son constitu$entes comunes del agua residual" pero se pueden incorpofundamentalmente por los escurrimientos de parques $ campos agr/colas principalmente.

A continuaci&n se hace una ma$or descripci&n de las prote/nas" car!ohidratos $ grasas $ ace

1. /$ote%na#.

;on el ma$or componente de la materia org'nica" apro8imadamente del4 al 5 . a que sonlos principales constitu$entes de los te idos animales- tam!i7n se tiene una !uena concentracde prote/nas en la leche" hue os" so$a" fri oles- aunque en menor concentraci&n se encuenlos frutos $ las erduras. Lo que las caracteri#a es el contenido m's o menos constante nitr&geno" apro8imadamente el )>2. Cuando las aguas residuales las contienen concentraciones ele adas" son las causantes de olores ofensi os en su fase de descomposici&

2. Ca$ o id$ato#.

Estos se encuentran ampliamente en la dieta del hom!re- los grupos importantes car!ohidratos son( los a#5cares" almidones $ celulosa. Los a#5cares son solu!les en agmientras que los almidones no lo son" pero son con ertidos en a#5cares por la acti i

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micro!iana. La celulosa es la m's esta!le $ dif/cil de ser !iodegradada. El porcenta e contenien la materia org'nica es del26 al 6 .

7. !$a#a# 3 aceite#.

Estas constitu$en apro8imadamente el 1 de la materia org'nica- arios alimentos loscontienen( nue#" cacahuate" aguacate" margarina" mantequilla" aceites para guisar- $ son lodif/ciles de ser degradados por los microorganismos" $a que son los compuestos m's esta!les.

Una !uena cantidad de grasas $ aceites son tri!utados a la red de alcantarillado" por comercde cam!io de aceite" la ado de autos" talleres de ferrocarril $ de autom& iles. Cuand

presentan en cantidades considera!les- son un pro!lema para los sistemas de tratamiento" $a estas grasas $ aceites son mu$ dif/ciles de degradar" por lo que es necesario colodesengrasadores antes del tratamiento !iol&gico.

(. Mate$ia ino$g*nica+

Muchos de los componentes inorg'nicos contenidos en las aguas residuales" se de!e a que escontenidas en el agua suministrada a la localidad 9agua pota!le:- los principales son( p

alcalinidad" o8/geno disuelto" cloruro" conducti idad" sulfato" silicatos" calcio" magnesio"as/ tam!i7n por las acti idades diarias del hogar" como lo son( nitr&geno" fosfatos" foscloruros" etc.- $ otros por contaminaci&n industrial( compuestos t&8icos $ metales pesados.

A continuaci&n se descri!en los principales componentes inorg'nicos presentes en las aguresiduales.

1. "8.

La concentraci&n del i&n hidr&geno es un importante par'metro de calidad tanto del agua pocomo de las residuales. El inter alo de concentraci&n id&neo para la e8istencia de la ma$orla ida !iol&gica es mu$ estrecho $ cr/tico. El agua residual con una concentraci&n ad eri&n hidr&geno es dif/cil de tratar por medios !iol&gicos.

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Este par'metro permite inferir si en el sistema de alcantarillado de la localidad" descargan agresiduales industriales" las cuales pueden alterar el pB en uno u otro sentido. Generalmenteaguas residuales dom7sticas son ligeramente alcalinas.

En un sistema de tratamiento disponer de alores de pB a diferentes profundidades $ diferenhoras del d/a" proporciona el tipo de reacciones que est'n ocurriendo. Cuando predominan condiciones anaero!ias" el pB es ligeramente 'cido. El pB en un sistema de tratamiengeneralmente ar/a de manera horaria en todos los estratos componentes.

2. O9%geno di#uelto.

El o8igeno disuelto en el agua es esencial para mantener las formas superiores de ida !iol&Las aguas limpias normalmente est'n saturadas de %.D." pero la demanda de los desechorg'nicos puede consumirlo r'pidamente. Los peces ordinarios requieren cuando menos 3 mgde %.D. en las aguas- mientras que por a!a o de una concentraci&n de +.* mgJlt" no poe8istir. Las aguas saturadas con %.D. tienen un sa!or agrada!le" mientras las aguas cdeficiencia de %.D. son ins/pidas.

La concentraci&n de o8/geno ar/a con la hora $ la estaci&n del a0o. 6or otro lado" con este

se conocen las condiciones pre alecientes en los reactores $ tomando los alores a difere profundidades" se determina el ni el de la o8ipausa con lo que se o!tienen los espesores de#onas aero!ia" facultati a $ anaero!ia.

7. Nit$ógeno.

La concentraci&n de Nitr&geno en sus diferentes formas( amoniacal" nitritos $ nitratoimportante conocer para el determinar el funcionamiento del sistema de tratamiento.

Es importante para determinar si la proporci&n de DH%J6JN est' en el rango de )**J3J)- conse asegurar' la disponi!ilidad de los nutrientes para los microorganismos" as/ como asegurarreproducci&n $ as/ disponer de la concentraci&n necesaria de ellos" $a que son los que relas reacciones !ioqu/micas.

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Adem's" de dar una idea de la esta!ili#aci&n de la materia org'nica" pues los compuestos Nitr&geno en su primera fase se descomponen a amon/aco" posteriormente a nitritofinalmente" a nitratos" lo que indica que la materia nitrogenada ha sido minerali#ada.

Ahora" dependiendo del ertido $ de la reutili#aci&n de las aguas tratadas( ;i el ertido se reen un cuerpo de agua" los nitratos aceleran la eutrofi#aci&n de dicho cuerpo" consider'ndoshecho como un contaminante" as/ tam!i7n" si el efluente es para recargar acu/feros" contamilas aguas su!terr'neas" $ si estas se utili#an para usos p5!licos $ dom7sticos" las personas queingieren pueden contraer la enfermedad de la cianosis- por otro lado" si el efluente se utili#a riego" presenta enta as" $a que a los nitratos los culti os utili#an como nutrientes.

4. Clo$u$o#.

Estos siempre se representan en aguas residuales dom7sticas" $a que pro ienen principalmenla disoluci&n de suelos $ rocas que las contienen" as/ como del cloruro de sodio 9;al comutili#ado en la dieta del hom!re. Cuando se encuentran alores superiores al promedio 9+33** mgJlt:" se puede presumir que e8iste una infiltraci&n de aguas salo!res $ en concentraciele adas puede reducir considera!lemente la eficiencia de un sistema de tratamiento.

6. Alcalinidad.

En el agua residual se de!e a la presencia de hidr&8idos" car!onatos $ !icar!onatos de elementales como( calcio" magnesio" sodio" potasio o amoniaco. El agua residual es generalmalcalina. Algunos sistemas para fines de dise0o" consideran como !ase la alcalinidad contenidael influente- la cual de!e ser la suficiente para dar lugar a los procesos !ioqu/micos $ para que se presenten condiciones 'cidas durante el proceso. Una concentraci&n alta es indicadora de al sistema de alcantarillado municipal se est'n ertiendo aguas residuales industriales.

5. :ó#&o$o.

)


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El f&sforo en las aguas residuales puede presentarse en tres formas( ortofosfato" polifosfaf&sforo org'nico. Normalmente el f&sforo accede al agua residual procedente de los residuocuerpo humano" de los ertidos de residuos alimenticios $ de compuestos condensados utili#en di ersos detergentes de uso dom7stico" compuestos de la ado $ limpie#a comercial

considera como uno de los elementos de la contaminaci&n por eutrofi#aci&n del a9Crecimiento de plantas acu'ticas:.

,. A;u&$e . Metale# "e#ado#.

Los microorganismos para su !uen desarrollo requieren de nutrientes- aquellos que sdemandados en cantidades apro echa!les" se denominan macro nutrientes $ los requeridos peque0as cantidades" se denominan micronutrientes. Entre estos 5ltimos se tiene( n/qmanganeso" plomo" cadmio" co!re" fierro" cromo $ mercurio. En concentraciones altast&8icas para la ida acu'tica inferior $ superior. Los l/mites tolera!les son indicados por ainstituciones" 9%M;" %6;" E6A:.

;i no es posi!le disponer de un an'lisis de aguas residuales" las concentraciones indicadas en ta!las ).). $ ).+." pueden ser una gu/a para seleccionar los alores de los par'metros de inter7s

Ta la 1.1 Com"o#ición de la# agua# $e#iduale#.

),


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6ar'metro Concentraci&nMedia) Oi as Mi ares. I8tapan de la ;al" M78ico+

D.H.%3 ++* +** ++* PD.Q.%. 3** 43 P;&lidos ?otales. 4+* 3** )"*1 P;&lidos ?otales ol'tiles. ,3, P

;&lidos ;uspendidos ?otales. ++* ** ), P;&lidos ;uspendidos ol'tiles. )>3 3* + > P;&lidos Disueltos ?otales. 3** +** >)> P;&lidos Disueltos i os ** )**;&lidos Disueltos ol'tiles +** )** ,+) P;&lidos ;uspendidos i os. 33 +3*;&lidos ;edimenta!les. )* .4) Nitr&geno ?otal 9 N : ,* 3* Nitr&geno %rg'nico. )3 +*Amoniaco. +3 * ) .> Nitritos. * *.*3 *.*), P Nitratos. * *.+* *.,, P

&sforo ?otal 9Como 6:. .1

Alcalinidad )** )** + > PGrasas. )** +* pB. 4. * 4.+*;ulfatos. ))1.*;ilicatos. >.)Dure#a ?otal. ) 3 PCloruros. 1.1Conducti idad 4, P1 )et al+ / -dd 1&&%2 3ar'metr"s "btenid"s en la in4estiga i.n del 2000 #56A,7A-)

Ta la 1.2 Com"o#ición de la# agua# $e#iduale#0 #eg?n MA/A'


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Alcalinidad 9Como CaC%: +** )** 3*Grasas )3* )** 3*a Unidad en mgJlt" e8cepto los s&lidos sedimenta!les. ! alor que de!e ser incrementado de acuerdo con la cantidad de suministro de agua.

1.7.- MICRO(IO O!IA DE A' A!UA' RE'IDUA E'.

Uno de los o! eti os del sistema de tratamiento de aguas residuales es remo er la matorg'nica contenida en las aguas. En l/neas anteriores" se anot& que apro8imadamente el 4*2 total de s&lidos totales" corresponde a la materia en estado de soluci&n" la fracci&n org9;&lidos ol'tiles: es el + 2 $ el ,+2 corresponde a la mineral.

Las fracciones en los estados coloidal $ en suspensi&n" es facti!le remo erlas mediante proceso de sedimentaci&n- por otra parte" la fracci&n en estado de soluci&n dado su econstitu$e el alimento $ los nutrientes disponi!les de los microorganismos- $ por lo tantmediante ellos la manera de lograr su remoci&n.

6ara el ingeniero sanitario es de un gran inter7s el conocimiento acerca de las diferentes espede microorganismos- $a que el entendimiento de su forma" estructura $ acti idades !ioqu/mes !'sico para el dise0o de un proceso del tratamiento !iol&gico o en la selecci&n del procesutili#ar.

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Un sistema de tratamiento" tiene como o! eti o adem's de a!atir la concentraci&n de matorg'nica" remo er un alto porcenta e microorganismos pat&genos" cu$o medio para desarroes precisamente el agua. Es por ello que" en los procesos !iol&gicos es con eniente consider

a:. Los microorganismos propios de los sistemas de tratamiento. !:. Oequerimientos nutricionales de los microorganismos.c:. actores am!ientales que afectan el desarrollo de los microorganismos.d:. Meta!olismo de los microorganismos.e:. Oelaci&n desarrollo micro!iano $ la utili#aci&n del su!strato.

1.7.1.-Mic$o iologia de la# agua# $e#iduale#.

La micro!iolog/a es la rama de la !iolog/a que estudia a los microorganismos unicelulares"forma" reproducci&n" etc. Los microorganismos de inter7s para el ingeniero sanitario" se prepresentar de la siguiente manera" figura ).>(

36OT5STAS

36O#A65OTAS -7#A65OTAS

8a( te ri as A lgas 4erde , a9u les Fung is 3 r"t "9"ari "s Algas

:"ng"s Le4aduras

)4


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igura ).> Diagrama de la clasificaci&n de los microorganismos.

C@lula# "$oca$iota#+ ;on los organismos inferiores que carecen de un n5cleo !ien definido.

C@lula# euca$iota#+ ;on organismos m's comple os que tienen un n5cleo !ien definido" as/tam!i7n est'n rodeados de una mem!rana.

Conforme a la clasificaci&n anotada" se descri!en a continuaci&n las caracter/sticas rele antes de las principales especie que inter ienen en los sistemas de tratamiento !iol&gico

I. (acte$ia#.

Las !acterias son protistas unicelulares. Consumen alimentos solu!les $" por lo general"encuentran donde ha$a alimentos $ humedad. Di ersos ensa$os reali#ados con difere

!acterias indican que estas est'n compuestas por un *2 de agua $ el +*2 restante de materiseca" de la cual el 1*2 es org'nica $ el )*2 inorg'nica. Estas se encuentran distri!uidasampliamente en la naturale#a 9agua" suelo $ aire:.

igura ).4 ?ipos $ caracter/sticas principales de las !acterias.

)


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Considerando sus caracter/sticas m's rele antes" se clasifican(

Circulares Cocos" diplococos" " estreptococos" sarcinas" etc.a: 6or su forma Hacilos Hastones" cilindros.

Espiral o helicoidal ;pirillum

Aero!ias Con presencia de o8/geno. !: 6or su medio de o8/geno Anaero!ias ;in presencia de o8/geno.

acultati as Con o sin presencia de o8/geno.

Cofr/licas. 3 a +* C.c: 6or su temperatura Mesof/licas )3 a ,3 C.

?ermof/licas ,* a * C.El di'metro de las !acterias ar/a entre *.3 a ).* micras $ su longitud de ).3 a .* micras.

En el tratamiento !iol&gico de las aguas residuales" las !acterias heter&trofas constitu$engeneral" el grupo m's importante" por su necesidad de compuestos org'nicos. 6or lo qu podemos considerar a las !acterias como(lo# mic$oo$gani#mo#m-s importantes en un #i#tema det$atamiento0 3a )ue #on lo# )ue o9idan a la mate$ia o$g*nica 3 lo# nut$iente# "$e#ente# en la# agua$e#iduale# 3 lo utili;an como #u alimento0 t$an#&o$m*ndolo en elemento# m*# e#ta le#.

II. /$oto;oa$io#.

;on protistas unicelulares" se reproducen por fisi&n !inaria. La ma$or/a de los proto#oarmeta!oli#an materia org'nica en estado coloidal" $a que tienen un sistema digesti o mcomple o que el de las !acterias. Las dimensiones de los proto#oarios est'n en el rango de ))** micras. ?odos los proto#oarios son m& iles" lo que hace que requieran de m's energ/consumo de nutrientes.

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igura ). Diferentes tipos de proto#oarios.

Los proto#oarios de inter7s en un sistema de tratamiento" se di iden en 3 grupos(

a. ;AOC%DINA( La ami!a es la m's com5n del grupo. !. MA;?IG%6B%OA( Algunas clases de Mastigophoras" como las ?oomastigophora" utili#a

como nutrientes a las !acterias" algas $ part/culas de materia org'nica- por lo que lo hace dinter7s en los sistemas de tratamiento.

c. E;6%O% %%AOI%;( Este grupo es completamente par'sito" por lo que 5nicamente es dinter7s" desde el punto de ista salud.

d. CILIAD%;( Este grupo es el de ma$or inter7s en los sistemas de tratamiento de las aguasresiduales" $ en la contaminaci&n de los cuerpos de agua.

e. ;UC?%OIA( Estos microorganismos tienen tent'culos r/gidos" los cuales son utili#ados paatrapar alimento.

Los proto#oarios encontrados en los sistemas de tratamiento son principalmente aero!io!tienen su energ/a de la o8idaci&n de la materia org'nica- $ el nue o protoplasma tam!i7nformado de la materia org'nica. Los proto#oarios son generalmente de un orden de magnitma$or que las !acterias $ suelen consumir !acterias como fuente de energ/a. En efecto" l proto#oarios act5an como purificadores de los efluentes de los procesos !iol&gicos" al cons

+*


21/51


!acterias $ materia org'nica. 6or lo que suele considerarse como losmic$oo$gani#mo# )uemantiene un ni el adecuado de ot$o# mic$oo$gani#mo# 3 de "u$i&icación0 3a )ue e#to#alimentan de ello#.

III. Alga#.

Las algas son protistas fotosint7ticas- difieren de las !acterias" en que ellas reali#an la actide la fotos/ntesis. Utili#an la energ/a de la lu# solar" $" no dependen de la o8idaci&n de la m para su so!re i encia.En lo# #i#tema# de t$atamiento #on la# )ue gene$an el o9%gendi#uelto 3 o9igenan a la# agua#" son importantes en los sistemas !iol&gicos lagunares.

Las algas por clasificaci&n de especies se considera la siguiente(

). Chloroph$ta. Chigsoph$ta

+. Euglenoph$ta ,. C$anoph$tas

Las algas son microorganismos autotr&ficos- que utili#an compuestos inorg'nicos para protoplasma. ;u fuente de car!&n es el !i&8ido de car!&n- los requerimientos de nitr&g puede ser del amon/aco" de los nitritos o de los nitratos" al f&sforo lo toman siempre d

ortofosfatos. La acti idad meta!&lica de las algas es para so!re i ir $ para producir nuec7lulas.

En presencia de lu# solar" con ierte a la materia inorg'nica" contenida en las aguas residualemateria org'nica" en la forma de protoplasma. En el cual el protoplasma celular es el produfinal del meta!olismo.

+)


22/51


igura ).1 Diferentes tipos de algas.

IB. Ot$o# mic$oo$gani#mo#.

;e puede considerar que en un sistema de tratamiento" tam!i7n e8isten en un menor grado

siguientes microorganismos(

a= 8ongo#.

;e considera que estos son protistas heter&trofos" no fotosint7ticos $ multicelulares. La ma$de los hongos son aero!ios estrictos" pueden crecer con poca humedad $ toleran un meam!iente con pB relati amente !a o. La capacidad de los hongos a so!re i ir a pB !a os $ pnitr&geno les hace mu$ importantes en el tratamiento de algunas aguas residuales industrial

en la formaci&n de compost a partir de residuos org'nicos.

= Rot%&e$o#.

El rot/fero es un animal aero!io" heter&trofo $ multicelular. ;u nom!re procede del hecho de tienen dos uegos de pesta0as giratorias so!re la ca!e#a que utili#an para su mo imient

++


23/51


captura de alimentos. Los rot/feros son mu$ eficientes al consumir !acterias dispersasfloculadas" as/ como peque0as part/culas de materia org'nica. ;u presencia en un efluente indun proceso aero!io de purificaci&n !iol&gica mu$ eficiente.

c= C$u#t*ceo#.

Al igual que el rot/fero" el crust'ceo es un animal aero!io" heter&trofo $ multicelular" perocuerpo duro. No e8isten en grandes cantidades en los sistemas de tratamiento !iol&gico presencia indica que el efluente est' !a o de materia org'nica $ es rico en o8igeno disuelto.

d= Bi$u#.

Un irus es la m's peque0a estructura !iol&gica que contiene toda la informaci&n necesaria su propia reproducci&n. ;on par'sitos o!ligados $ como tales necesitan de alguien para iMuchos irus que producen enfermedades son e8cretados por las heces humanas posteriormente son ertidas a las aguas residuales" por lo que" es necesario que estos

de!idamente controlados mediante la desinfecci&n $ la adecuada e acuaci&n del efluentsistema.

+


24/51


igura ).)* Diferentes tipos de rot/feros" crust'ceos $ detalle de un irus.

1.7.2.- Eco#i#tema mic$o iano.

Dado que en un sistema de tratamiento se encuentra una di ersidad de microorganismos" eellas se da lugar una serie de relaciones- as/ mismo" la so!re i encia depende de la ha!ilidad adaptarse a grandes $ comple as condiciones como(

). Disponi!ilidad de fuentes de energ/a" nutrientes $ micro nutrientes necesarios para desarrollo $ efectos de elementos t&8icos.

+. Efectos de las interacciones de la !iota en el ecosistema del tratamiento.. Efectos de los factores am!ientales.

La interacci&n entre diferentes grupos $ especies" generalmente est'n !asadas en srequerimientos de nutrientes $ de los efectos de sus productos finales.

1.7.7. De#a$$ollo mic$o iano.

El desarrollo de los microorganismos est' limitado por factores tales como( la disponi!ilidad nutrientes" de espacio" de elementos t&8icos" las interacciones que se dan entre ellos" los caqu/micos que se generan en el agua de!ido a los su!productos consecuentes" la acti idmeta!&lica $ otros factores. Al no tener limitantes la reproducci&n de una sola !acteria" ssuficiente para ocupar el espacio de la tierra- por e emplo" si la tasa de reproducci&n d

+,


25/51


microorganismo fuera de )J+ hora 9lapso en el cual se duplica:" se tendr/a en +, horas ucantidad de(

n & ' ' +*= RRRRRRRRRR9):n 2924 4> 2.>1 9 114 acte$ia#

;i se consideran tiempos ma$ores a , hrs" se tendr/a una cifra no conce!i!le- por lo que" se detener factores que limiten el desarrollo.El patr&n de desarrollo que normalmente se considera" es en el que la reproducci&microorganismos es por fisi&n !inaria- como sucede con algunas !acterias $ proto#oarios

patr&n de desarrollo" se considera tiene lugar en , fases- en la igura ).))" se ilustran.

1

2

3

%

3 " b l a ( i . n m i ( r " b i a n a

# r e i m

i e n t " l "

g a r ; t m

i "

( e < p " n e

n i a l )

Tiemp"

5nter4al" n"rmal de"pera(i.nparapr"(es"sde tratamient"bi"l.gi("

igura ).)) Gr'fica del desarrollo de microorganismos en funci&n del tiempo.

:a#e No. 1+ :a#e de ada"tación.

En esta fase" el desarrollo de los microorganismos es nula- en ella se logra la adaptaci&n condiciones imperantes como son( ?emperatura" %.D." concentraci&n de nutrientes" pB $ m

:a#e No. 2+ :a#e e9"onencial.

+3


26/51


En 7sta" se dispone de a!undancia de alimentos" $ los microorganismos tienen un desarre8ponencial- siguen el modelo de crecimiento po!lacional e8ponencial. La 5nica limitante en efase" es la ha!ilidad de los microorganismos para procesar el su!strato.

:a#e No. 7+ :a#e e#taciona$ia.

Aqu/ se considera que la tasa de desarrollo es nula- esto es" el n5mero de microorganismosse producen es igual al de los que mueren. Los nutrientes es una limitante para sostenerdesarrollo micro!iano.

:a#e No. 4+ :a#e endógena o de mue$te+

Los nutrientes se han agotado" $ los microorganismos toman la energ/a requerida de su pro protoplasma" lo que da compuestos org'nicos m's esta!les. La tasa de a!atimiento es aritm7tic

En el la!oratorio" se puede sem!rar en un reactor un peque0o n5mero de !acterias de una soespecie- una representaci&n sencilla del patr&n de desarrollo" en el cual se nota que despu7s per/odo de adaptaci&n de las !acterias a las nue as condiciones am!ientales" ellas se reprodu$ se incrementan de manera e8ponencialmente en el medio de culti o. La tasa de meta!olismo

la fase de desarrollo e8ponencial- es 5nicamente limitada por la ha!ilidad de los microorganism para procesar el su!strato.

1.4.-CINETICA DE CRECIMIENTO (IO Ó!ICO.

Cin@tica( ;e define como cualquiertrans(or"aci)n o reacci)n qu*"ica reali+ada por la acci)ndirecta de "icroor!anis"os o en+i"as% E8isten dos tipos de reacciones(

a: ;ustrato En#imas 6roductos 9 Oeacci&n qu/mica: Esta reacci&n se puede contro !: Nutrientes Microor. Microor. S 6roductos Esta reacci&n N% se puede cont

La finalidad del estudio de la cin7tica es(• %!tenci&n de productos !ioqu/micos 9Anti!i&ticos" etc.:

+>


27/51


• 6redicciones de producci&n de !iomasa.• 6redicciones de degradaci&n de materia org'nica.

De!emos entender que para pro$ectar un sistema de tratamiento !iol&gico de aguas residuaes necesario lograr que e8ista una comunidad !iol&gica $ un medio am!iente !ien controladofin de que los microorganismos cre#can" se les de!e permitir que permane#can en el sistematiempo suficiente para que se reprodu#can. Este periodo depende de la tasa de crecimientocual est' en relaci&n directa con la tasa a la que meta!oli#a o utili#a el residuo.6ara aplicar los modelos cin7ticos se de!e considerar la parte !i&tica $ a!i&tica que rodea amicroorganismos. En la parteabi)tica " la cin7tica del crecimiento est' en funci&n de par'metroscomo( pB" temperatura" o8igeno disuelto" composici&n del medio" etc.

La cin7tica del crecimiento !acterianonor"al"ente se presenta $ estudia en la fase decrecimiento e/ponencial y el crecimiento con limitación de sustrato 9 er figura ).)):.

a= C$ecimiento e9"onencial


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Nota+La representa un alor promedio de crecimiento $ e oluci&n de las c7lulas.

= C$ecimiento con limitación de #u#t$ato.

;i se considera que uno de los elementos esenciales 9sustrato $ nutrientes: para el crecimieestu ieran presentes s&lo en cantidades limitadas" el mismo ser/a agotado en primer lugcesar/a el crecimiento.

E8perimentalmente" se ha encontrado que el efecto de un sustrato o nutriente limitante puedefinirse adecuadamente por medio de la e8presi&n de Monod. El efecto de la concentracidel sustrato so!re la tasa de crecimiento espec/fico se ilustra en la figura ).)+.

>el" idad m'


29/51


µm T tasa de crecimiento espec/fico m'8imo" tiempo)

S T concentraci&n del sustrato limitante del crecimiento" mgJlt ; T constante de elocidad media" mgJlt.

c= C$ecimiento celula$ 3 utili;ación del #u#t$ato.

En este caso se considera al sistema de culti o con una alimentaci&n discontinua" en el que parte del sustrato se transforma en nue a c7lulas 9microorganismos: $ otra se o8ida $ da orig productos finales org'nicos e inorg'nicos. Dado que se ha o!ser ado que la cantidad de nuec7lulas producidas es la misma para un sustrato determinado" se ha desarrollado la sigui

relaci&n entre el grado de utili#aci&n del sustrato $ la tasa de crecimiento( su , .r r −= RRRRRRRRRR93:

Donde(r 8T tasa o elocidad de crecimiento de los microorganismos" en mgJlt d/a.r suT grado de utili#aci&n del sustrato" en mgJlt d/a.

T coeficiente de producci&n m'8ima" definido como la relaci&n entre la masa dec7lulas formadas $ la masa de sustrato consumido" en : queda(

S - /S&

r s

su +−= RRRRRRRRRR94:

Adem's podemos determinar a r su"mediante la e8presi&n siguiente(

θ S So

S So0ol Q

r su−−=−−= :9 RRRRRRRRRR9 :

Donde(Q T caudal medio" en olumenJtiempo.

ol T olumen del reactor.;o T concentraci&n inicial influente al reactor" mgJlt.

+1


30/51


; T concentraci&n final efluente del reactor" mgJlt.

θ T tiempo de detenci&n hidr'ulico" d/as.

6or otro lado" es necesario sa!er que los modelos matem'ticos utili#ados para predecir cin7tica del desarrollo micro!iano se han di idido en(

• Modelo# no e#t$uctu$ado#+;on los que tienen en cuenta alguna o arias de las aria!les

a!i&ticas" $ como aria!le !i&tica solamente a la !iomasa.

• Modelo# e#t$uctu$ado#+?oman en cuenta las reacciones del interior de la c7lula 9A?6"

clorofila" DNA" ONA" etc.:" son m's complicados.

• Modelo# #eg$egado#+Estos estudian a una c7lula de manera estructurada 9edad" tama0o"

forma" etc:" se !asan en modelos pro!a!il/sticos.

A continuaci&n se anotan algunos de los modelos m's utili#ados para determinar el crecimiemicro!iano 9;iendo modelos no estructurados:(

Ta la 1.7 Modelo# cin@tico# no e#t$uctu$ado#.

AU?%O( ECUACI N(Monod

S -

S

s += ma8

µ µ

?eissier :)9ma8

s -

S

e−

−= µ µ Mosser

:9ma8 n s

n

S -

S

+= µ µ

Contoes $ u imoto:9ma8 S & -

S

S +

= µ µ

*


31/51


1.4.1- Dete$minación de lo# coe&iciente# cin@tico#.

La utili#aci&n de un modelo determinado e8ige de los alores correspondientes de los par'mem's comunes(0, 1, 2 s y 1 d 6ara determinar estos coeficientes $ otros" se usan reactores a esca

en la!oratorios" o !ien" sistemas a escala de plantas piloto. 6ara la o!tenci&n de las constantes cin7ticas" de un determinado e8perimento en un reactoforma m's sencilla es reali#ar una regresi&n lineal a los datos o!tenidos" por lo general se utillas formas m's sencillas de los modelos(

A continuaci&n se presentan dos e emplos de estas aplicaciones.

EFem"lo No. 1( %!tener las constantes cin7ticasma/ $ 2 " " en un reactor e8perimental de lodosacti ados para los siguientes datos(

Νο. µ (d;a ,1 : ; 9DH%:" mgJlt) ). + ,*+ ).** +*

*. * ) .+, *.>> )*3 *.3>

Utili#ando la e8presi&n 9,: de Monod $ aplicando su forma lineal" se tiene(

S -

S

s += ma8

µ µ ⇒ S

- s

ma8ma8

))

µ µ µ += ⇒ 3 A G (9

;iendo( µ

)= y "S

, )=

ma8

) µ

= A $ma8 µ

s - B = B, A y +=

)


32/51


1/µ

1/µ

1/S

m' *.*+3+ ).** *.*3*

).+3 *.*4>, ).3+ *.)**3 ).4 *.)+3

%!teniendo por regresi&n lineal las constantes cin7ticas(

A T *.,ma8

) µ

= A ⇒ µ ma9 2. 46 d-1

H T )*.+ 3ma8 µ

s - B = ⇒ H ' 21. 76 mg lt

r T *.1113

+


33/51


EFem"lo No. 2( Determinar los coeficientes cin7ticos1 $ 2 " " a partir de los datos de un reactor e8perimental de me#cla completa sin recirculaci&n de lodos acti os" para lsiguientes datos(

No. ;o 9DH%:" mgJlt ; 9DH%:" mgJlt θ = θ d/a =" mg ;; Jlt) ** 4 .+* )++ ** ) +.** )+3

** ) ).>* ), ** * ).)* )+13 ** ,) ).)* )+)

Igualando las e8presiones 94: $ 9 :" $ o!teniendo su in ersa para determinar su forma lineal(

θ S So

S - /S&

s

−−=+

− ⇒ / S /

-

S So

& s ))+=

−

θ ⇒ 3 A G (9

;iendo(S So

& y −

= θ "S

, )=

/ A

)= $/

- B s=

ormando la ta!la siguiente con los datos anteriores(

;o ; =θ mg;; Jlt d/a $ T =θ J 9;o ;:" d/a 8 T )J ;+1 ,*1.>* ). 1 *.),+ 4 +3*.** *. 4) *.*44+ + +)+. * *.433 *.*3>+4* ),).1* *.3+> *.*+31 ) .)* *.3), *.*+,

%!teniendo por regresi&n lineal las constantes cin7ticas(

A T *. *3+)/

A )= ⇒ J 7.2> d-1

H T 4.>)4 >/

- B s= ⇒ H ' 24.K5 mg lt

r T *.114

1.6.- CINLTICA DE A D(O.


34/51


Demanda (io)u%mica de O9%geno


35/51


-t t e L

L −=RRRRRRRRR9)):

La cantidad de DH% presente en el instante t" es(

:9 -t t e L L −= RRRRRRRRR9)+:

La cantidad de DH% eliminada en el instante t" se puede e8presar como(

:)9 -t t t e L L L y −−=−= RRRRRRRRR9) :

% !ien" en funci&n de la DH%" como(

)9lim/t

ulti"ainadae e 1BO 1BO −−= RRRRRRRRR9),:

Esta relaci&n de lo anotado en la e8presi&n anterior" se descri!e de manera gr'fica continuaci&n(

Tiemp" (t)

#"n entra i.n eliminada1 Se

#"n entra i.n n"eliminada1Sne

# " n e n t r a i

. n

( S )

St

0

igura ).), Construcci&n de la cur a de la DH% de la primera fase.

La constante de elocidad de reacci&n !ioqu/mica 2 " ar/a significati amente seg5n el residuo presente en el agua" el rango para aguas residuales puede encontrarse de. 6 d-1 $ .7 d-1 om's. Los alores de 2 " se o!tienen generalmente mediante los m7todos de m/nimos cuadradoso el de ?homas" er e emplo al final de los ane8os.

3


36/51


6or otra parte" como $a se ha comentado" el an'lisis de la DH% de un agua residual suehacerse a +*VC. No o!stante" tam!i7n es posi!le determinar el alor de la constante de reacca otras temperaturas. 6ara ello se puede emplear la siguiente ecuaci&n apro8imada" que

deri a de la reacci&n de Arrhenius(:+*9

+*−= 2 2 - - θ RRRRRRRRR9)3:

;e ha podido compro!ar que los alores deθ ar/an entre4 567 cuando la temperatura se halla

entre +* a *VC $4 486 cuando la temperatura se sit5a entre , a +*VC.

EFem"lo No. 7+ Determinar la DH% de ) d/a $ la DH% 5ltima" cu$a DH% a los 3 d/as a +*Ves de +** mgJlt. La constante de la reacci&n T *.+ d)

) Determinar la DH% 5ltima(

De la e8presi&n(

:)9lim/t

ulti"ainadae e 1BO 1BO −−= :)9+** +.*3 & ulti"a e 1BO

−−=

DH%ultimaT +1+.>4 mgJlt.

+ Determinar la DH% a ) d/a(De la e8presi&n(

:)9lim/t

ulti"ainadae e 1BO 1BO −−=

:)9>4.+1+ +.*)lim &

inadae e 1BO −−=

DH%eliminadaT >*.) mgJlt.

1.5.- TI/O' DE : U O' QUE 'E /RE'ENTAN EN O' REACTORE' Este tema es importante" $a que para formular las tasas de reacci&n" se considerancaracter/sticas hidr'ulicas del reactor del cual se genera un modelo matem'tico para predeccual ser' el grado que tendr' la reacci&n" $ calcular el olumen requerido del reactor p

>


37/51


proporcionar una e8tensi&n de la reacci&n. ?am!i7n las caracter/sticas hidr'ulicas del reac proporcionan el tiempo de e8posici&n $ la distri!uci&n de la concentraci&n en la estructuratres tipos de reactores principales son(

a:. Oeactor discontinuo de tipo KHatch . !:. Oeactor de lu o Continuo en ?anque Agitado 9O C?A:.c:. Oeactor de lu o 6ist&n 9O 6:.

Cada uno de estos reactores tiene sus propias caracter/sticas hidr'ulicas" las cuales cuando com!inadas con las caracter/sticas cin7ticas de la reacci&n" permiten desarrollar las relacimatem'ticas de dise0o. El !alance general de materia alrededor de un sistema se pued

esta!lecer de la siguiente manera(

Ta#a neta de a$iación de lama#a de mate$ia en el #i#tema.

Ta#a de ent$ada demate$ia en el #i#tema.

G Ta#a de gene$ación demate$ia dent$o del #i#tema.

- Ta#a de #alida demate$ia del #i#tema.

matem'ticamente se representa con la e8presi&n(

CeQerd0 CoQodt d" 0 −+= ∫

RRRRRRRRR9)>:

6ara Qo T Qe T Q" $ con T Constante" se tiene sustitu$endo en 9)>:" lo siguiente(

CeQrd0 CoQdt d" 0 −+= ∫

RRRRRRRRR9)4:

A. Reacto$ di#continuo ti"o (atc .

Este tipo de reactores es un sistema cerrado" sin entrada ni salida de materia durante el periacti o de la reacci&n. Los reacti os o !ien el sustratos es a0adido al reactor antes de comience el tratamiento" posteriormente se reali#a una me#cla completa del agua $ los sustro reacti os" hasta que se alcan#a el ni el de reacci&n que se desee. En este tipo de reactorconsidera que la composici&n de la me#cla es uniforme en todo el reactor $ en todo tiempo.

4


38/51


igura ).)3 Oeactor tipo KHach .

Las condiciones en este reactor son las siguientes( Q T * $ r T cte

∫ ∫ == r0 d0 r rd0 RRRRRRRRR9) :

Del !alance de materia en el reactor" se tiene(

∫ =⇒=C

Cor

dC t r

dt

dC RRRRRRRRR9)1:

Que es la e8presi&n para dise0o de un reactor tipo KHatch " seg5n el tipo de reacci&n.

• 6ara una reacci&n de orden cero" cuando r T <

/ C Co

t Co/t C / dt dC −=⇒+−=⇒−= RRRRRRRRR9+*:

/

C Cot

−= RRRRRRRRR9+):

Es la e8presi&n de dise0o para un reactor tipo KHatch cuando la reacci&n es de orden cedecir el tiempo necesario para la reacci&n dentro del reactor" conforme a una concentrainicial" final $ la tasa de reacci&n.

• 6ara una reacci&n de primer orden" cuando r T


39/51


:9)

C Co

Ln/

t LnCo/t LnC /C dt dC =⇒+−=⇒−= RRRRRRRRR9++:

:9)

C Co

Ln/ t = RRRRRRRRR9+ :

Es la e8presi&n de dise0o para un reactor tipo KHatch cuando la reacci&n es de orden udecir el tiempo necesario para la reacci&n dentro del reactor" conforme a una concentrainicial" final $ la tasa de reacci&n.

• 6ara una reacci&n de segundo orden" cuando r T


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igura ).)> Oeactor tipo KO C?A .

Las condiciones en este reactor son las siguientes( *=dt d" " Qo T Qe T Q $ r T cte

∫ ∫ ==⇒ 0 r d0 r rd0 salida RRRRRRRRR9+>:

Del !alance de materia en el reactor" se tiene(

salida salida r

CeCoQ0 0 r CeQCoQ

−−=⇒+−= :9*

RRRRRRRRR9+4:

Que es la e8presi&n de dise0o que permite calcular el olumen de este tipo de reactores.

6ara una reacci&n de primer orden" cuando r T


41/51


igura ).)4 Oeactor de flu o pist&n.

Las condiciones en este reactor para un r7gimen estacionario" son(*=dt d" $ Qo T Qe T Q. del !alance de materia en el reactor" se tiene(

Q A

r d&

C C A0 r C QC Q &

& d& & & d& & & =

−⇒+−= ++

:9:9*

RRRRRRRRR9 *:

d&

dC

d&

C C & d& & d&

=−

+

→

9lim

*

RRRRRRRRR9 ):

d0 Q

d& Q

A

r

dC )==⇒ RRRRRRRRR9 +:

dC r

Q0 C

Co∫ = )

RRRRRRRRR9 :

Que es la e8presi&n de dise0o que permite calcular el olumen de este tipo de reactores.

6ara una reacci&n de primer orden" cuando r T :

,)


42/51


reactor.

Como( L T J A

• E8presi&n para calcular lalongitud en el reactor. Ce

Co

/A

Q L ln= RRRRRRRRR9 4:

EFem"lo No. 4( 6ara tratar un efluente de +** mgJlt le/da como DH%" se propone un reactotipo O C?A" las condiciones de descarga del efluente es de * mgJlt le/dcomo DH%. ;e supone que la cin7tica de degradaci&n es de primer orden" couna constante < T *.,+ d). Calcular el olumen del reactor que se requiere para tratar un caudal de +.3 l.p.s.

,+

Oeactor ti o KO C?A

Qe T +.3 l.p.sCe T * mgJlt

Qo T +** mgltCo T +.3 l.p.s.


43/51


Como(/Ce

CeCoQ0

:9 −=

;ustitu$endo alores(

se!

d*altslt "! & d

lt "! lt "! se! lt 0

−=−= − 4.:J*9:,+.*9:J*J+**9J3.+

)

Como( ) d/a T >",** seg

ltsdia

se! &

se! d*alts

0 +C>"1),@+,**"C>

4. =−=

6or lo que el olumen del reactor ser'(

B 20K14 m7.

A N E O '+

,


44/51


I.- TERMINO O!IA DE A QU MICA DE A!UA+

WALCALINIDAD ACIDE ( Es el concepto fundamental para entender la qu/mica del agLo primero que ha$ que entender es la disociaci&n del agua en iones hidr&geno e ionhidr&8idos(

B+% BS S %BT XBSY 8 X%BY T )*),

WEl pB( De!ido a que la disociaci&n es mu$ peque0a es m's pr'ctica ha!lar de pB e8presadcomo(

6h T log )JXBSY T log XBSY

La constante de disociaci&n es funci&n de la temperatura.

,,


45/51


WEl C%+( El C%+ es importante en el equili!rio de la ida del planeta. Cuando el C%+ se disuel een agua forma el 'cido car!&nico" el cual igualmente se disocia de acuerdo con la siguienecuaci&n(

C%+ S B+% B+C% BS S BC%

WMINEOALE; C%NDUC?I IDAD( Entre m's alto es el contenido de minerales en el agum's alta es la conducti idad. Una conducti idad alta es sin&nimo de corrosi&n de!ido afacilidad del flu o de corriente.

WMA?EOIALE; ; LID%;( Los materiales s&lidos est'n presentes en la ma$or/a de las aguacomo s&lidos suspendidos $ materia coloidal. ;e miden en el la!oratorio por filtraci&n. Lo

s&lidos finos generan la tur!ide# 9N?U $ Z?U:. La tur!ide# se mide por el efecto de la luso!re estas part/culas. WMA?EOIALE; %OGANIC%;( Muchos compuestos org'nicos son solu!les en aguaIdentificar e8actamente qu7 compuesto org'nico 9taninos" ligninos" etc: e8iste en el agua !astante dif/cil" pero e8isten m7todos para identificarlos en general. Estos son(

DH%3( mide la ha!ilidad de las !acterias comunes para digerir la materia org'nica presente en

un periodo de incu!aci&n de 3 d/as. ;e anali#a e aluando el consumo de o8/geno antes despu7s de la prue!a.

DQ%( mide la ha!ilidad del 'cido cr&mico caliente de o8idar la materia org'nica !iodegrada!l$ no !iodegrada!le.

C%L%O( mide taninos" ligninos $ otros materiales h5micos. ;e reporta en unidades A6BArelacionado a un est'ndar de platino.

?%C( mide el C%+ producido por org'nicos cuando una muestra de agua es atomi#ada en unac'mara de com!usti&n. 6rimero se remue e el C%+ de la alcalinidad o se resta del C%+ total para determinar el car!ono org'nico. ;e reporta como C.

,3


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WHICAOH%NA?% 9BC%:( El ion !icar!onato es el principal constitu$ente alcalino de casitodas las aguas. ;e encuentra en el rango de 3 a 3** mgJl. ;e introduce en el agua por ladisoluci&n de minerales que contienen car!onatos $ en algunos casos por efecto del mismo shumano.

WCALCI% 9CaSS:( Es el ma$or componente de la dure#a en el agua $ est' en el rango de 3 a 3**mgJl. El calcio se remue e del agua por tratamientos de intercam!io i&nico.

WCL%OUO%; 9Cl:( ?eniendo en cuenta su alta solu!ilidad en el agua" es mu$ com5nencontrarlo en aguas frescas en rangos de )* a )** mgJl. 6ara agua pota!le su m'8imo alorde!e ser +3* mgJl 9solo por el sa!or $ no por efectos de to8icidad:. ;e remue e solamente po

procesos de intercam!io i&nico $ de &smosis in ersa.WMAGNE;I% 9Mg+S:( orma parte de la dure#a del agua 9apro8. en )J parte:. ?/picamente seencuentra en rangos de )* a 3* mgJl. Como es m's solu!le que el calcio" es a menudo el ma$ocomponente de los dep&sitos. ;e remue e igualmente por intercam!io i&nico.

W;%DI% 9NaS:( En aguas frescas se encuentra en rangos de )* a )** mgJl. 6ara aguas pota!lesno tiene limitaciones en su concentraci&n. ;e remue e del agua por intercam!io i&nico

&smosis in ersa.

W;UL A?% 9;%, + :( ;e encuentra en rangos de 3 a +** mgJl. ;e disuel e en agua a partir dealgunos $esos o aparece de la o8idaci&n de algunos minerales de a#ufre. 6ara agua pota!le concentraci&n m'8ima es de +3* mgJl por su pro!lema de sa!or $ de la formaci&n de cataraten algunas personas. Cuando se utili#a alum!re se introduce en el agua en la relaci&n de ) mgde sulfato por cada + mgJl de alum!re utili#ado.

W; LID%; ?%?ALE; DI;UEL?%;( Es la suma de todos los materiales disueltos en el agua.;e encuentra usualmente en rangos de +3 a 3*** mgJl. 6ara agua pota!le su concentraci&m'8ima es de 3** mgJl. Altas concentraciones afecta el sa!or de los alimentos $ !e!idas.

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W LU%OUO%; 9S:( Bo$ en d/a se utili#a la pr'ctica de adicionar fluoruros al agua pota!le9residual de ).3 a +.3 mgJl: para el control de caries dental. Concentraciones ma$ores a 3 m pueden causar roturas de los dientes.

WBIEOO% 9 e+S :( En ausencia de o8/geno el hierro es insolu!le 9aguas de po#os: $ cuando seo8ida a rangos de pB de 4 a .3 es completamente insolu!le. La m'8ima concentraci&n en ag pota!le es de *. ppm. Algunas eces la fuente de hierro son los procesos de corrosi&n.

WNI?OA?%; 9N%:( El nitrato llega al agua /a el ciclo de nitr&geno m's que por disoluci&n dminerales. 6ara agua pota!le su m'8imo alor es de ,3 mgJl por ra#ones fisiol&gicas. ;eremue e por intercam!io i&nico o por un proceso !iol&gico el cual lo con ierte a nitr&g

de!ido a !acterias nitrificantes.

W %; A?%; 96%, S:( El fosfato se utili#a mucho en la agricultura por lo que puede contaminamuchas de las aguas superficiales. Es el causante del crecimiento de algas. ;e puede reducir cotratamientos con alum!re" cloruro f7rrico $ aluminato de sodio.

WME?ALE; 6E;AD%;( Este grupo inclu$e los materiales encontrados en concentraciones que8ceden los *.*) mgJl. Cada uno de estos elementos tiene un control espec/fico en sistemas d

agua pota!le.

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E emplo( Calcular la constante de reacci&n utili#ando el m7todo de m/nimos cuadrados cel m7todo de ?homas" para los siguientes alores de DH% o!tenidos de un agua residsanitaria municipal" 9considerar la temperatura del la!oratorio de +* C:.

a: M7todo de m/nimos cuadrados. ;e aplica la siguiente serie de ecuaciones(

[

[$ !na+ yy yb ya

y

Σ=Σ+ΣΣ=Σ+

Donde(t

y y y nn

∆−

= −++

[ ))

Esta!leciendo una ta!la de c'lculo con los datos anteriores tenemos(

n ?iempo 9 8 : DH% 9 $ : $+ $[ $$[

) ) >+.4) "1 +.3, 31.33 4 ,.+ + ))1.) ),") ,. ) 3).+4 >)*>.+>

)>3.+3 +4" *4.3> ,3.*) 4, 4.*, , +*1.)) , "4+>.11 ,*.) 1*.3,

;uma )*.** 33>.)4 1")3).1) )13.13 +3">> .+3

?iempo9d/as:

DH%9mgJlt:

) >+.4)+ ))1.)*)>3.+3, +*1.))3 +,3.3*

,


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;ustitu$endo los alores de la ta!la" para formar la serie de ecuaciones" se tiene(

+3.>>C"+31).)3)"C1)4.33>

13.)1333>.)4!,a

=+=+

ba

Oesol iendo el sistema de ecuaciones" tenemos(

a T >4.3 4 $ ! T *.) ,En este m7todo" se considera que T !" entonces el alor de la constante de reacci&n" es(

H .1774 d-1

podemos" tam!i7n calcular la DH%5ltima esperada" con la relaci&n(ba

1BO UL2IMA −= " por lo

que su alor ser'() ,.*3 C4.>4

−−=

UL2IMA 1BO T 6 5.21 mg lt.

!: M7todo de ?homas.

El cual est' !asado en la seme an#a de dos series de funciones" siendo un procedimiento gr'fi para su resoluci&n. La funci&n que in olucra las dos series es la siguiente(

t

L

- -L

yt

)

+))

,.

:.+9:9 += −

;e considera que la funci&n anterior puede escri!irse como la ecuaci&n de una l/nea reteniendo la forma( bt a y += " por lo que se puede di!u ar y en funci&n det . La pendienteb $ laordenada al origena de la l/nea de me or a uste de los datos pueden usarse para calcular aconstante de reacci&n $ la DH%ultima" mediante las siguientes e8presiones(

): [*.+ - - =

+:ab

- >).+[= $

: [.+)

a - 1BO ulti"a =

Esta!leciendo una ta!la de c'lculo con los datos $ e8presiones anteriores para reali#ar la gr'ficacorrespondiente" tenemos(

?iempo 9t: DH% 9$: 9tJ$:)J

) >+.4) *.+3)4+ ))1.)* *.+3>)

)>3.+3 *.+>+, +*1.)) *.+>4,3 +,3.3* *.+4 )

,1


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Di!u ando el alor3t4y5647 en relaci&n al tiempot " se tiene la siguiente gr'fica de una l/nea recta(

De la gr'fica se tiene que los alores de la pendiente $ ordenada al origen son(a T *.+,>* ! T *.**3,

6or lo que sustitu$endo estos alores en las ecuaciones )" + $ " se tiene(

+,>*.***3,.*

>).+[= - T *.*34:*34.*9*.+= - T .171K d-1

:+,>*.*:9*34.*9.+)=

ulti"a 1BO T 6 K.5K mg lt

3*


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UNIDAD I. QUIMICA DEL AGUA 3)

UNIDAD01QuímicadelAgua-2016

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