- Contaminación del
agua - Propiedades físicas
del agua - Calidad biológica del
agua - Calidad
química del agua - Calidad
química del agua, substancias
orgánicas - Sistemas de tratamiento de aguas
residuales
El agua es un componente de nuestra naturaleza que
ha estado
presente en la Tierra
desde hace más de 3.000 millones de años, ocupando
tres cuartas partes de la superficie del planeta. Su naturaleza
se compone de tres átomos, dos de oxígeno
que unidos entre si forman una molécula de agua,
H2O, la unidad mínima en que ésta se
puede encontrar. La forma en que estas moléculas se unen
entre sí determinará la forma en que encontramos
el agua en
nuestro entorno; como líquidos, en lluvias, ríos,
océanos, camanchaca, etc., como sólidos en
témpanos y nieves o como gas en las
nubes.
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opción ¨Descargar trabajo¨
del menú superior
Gran parte del agua de nuestro planeta, alrededor del
98%, corresponde a agua salada que se encuentra en mares y
océanos, el agua dulce que poseemos en un 69% corresponde
a agua atrapada en glaciares y nieves eternas, un 30% está
constituida por aguas subterráneas y una cantidad no
superior al 0,7% se encuentra en forma de ríos y
lagos.
Contaminación
bacterelógica y viral
Fuentes : Aguas contaminadas con
bacterias y
virus
causantes de enfermedades, las que
provienen de la materia
fecal.
Tratamiento :
Filtración, remueve la mayor parte de las bacterias y
virus patógenos
Cloración del agua tratada, destruye los
patógenos remanentes
Control de la calidad
bacteriológico y viral
Detección de la calidad bacteriológica (Grupos
coliformes) que habitan en el intestino de los animales de
sangre
caliente.
Presencia
de coliformes se mira como evidencia de contaminación fecal, aunque el grupo
coliforme mismo no es dañino.
Productos químicos tóxicos
peligrosos
Productos
sintéticos de la industria
química;
pesticidas, herbicidas, insecticidas, etc.
Bifenilos
policlorados (BPC)
Usados como medio de intercambio calórico en
plantas
generadoras.
Muy resistentes al ataque químico o microbiano
( Acumulación en el ambiente)
Metales pesados
tóxicos
Mercurio, cadmio, plomo (gasolinas)
Se han desconocido, en muchas ocasiones, como
actúan estos materiales
cuando son descargados en la atmósfera.
Trihalometanos (THM) planta de tratamiento
Material orgánico ——cloro—— THM
(potencialmente cancerigeno)
Contaminantes orgánicos
Los contaminantes orgánicos son diferentes a
los contaminantes anterior porque no son tóxicos en si
mismos.
Efectos de la descarga orgánica en un
río.
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OD = Oxigeno
Disuelto
Material orgánico : Soluble; Suspendido
(sólidos orgánicos)
Fuentes principales de material orgánico :
Descargas domesticas e industriales
Remoción del material orgánico en
plantas de tratamientos
Sedimentación primaria : Remoción del
60% de sólidos orgánicos, sin remoción del
material orgánico soluble.
Coloración del efluente secundario :
Destrucción de organismos patógenos (problema
formación de THM)
Eutroficación
Eutroficación : Crecimiento excesivo y molesto de algas
en lagos, lagunas, tranques, etc.
Problemas de
la eutroficación:
Empeoramiento del uso recreacional del
agua.
Problemas para usar dicha agua como fuente de
abastecimiento de agua
potable.
La competencia por
el consumo de
OD, provoca la muerte
masiva de peces.
Perdida gradual de actividades como la pesca y los
deportes
acuáticos.
¿Qué causa la eutroficación?
Los efluentes líquidos de tierra
agrícolas y urbanas y los residuos domésticos e
industriales ricos en nutrientes (nitrógeno y
fósforo). La materia orgánica también
contribuye.
Fuentes de
nitrógeno : Principales aguas residuales y
fertilizantes, algunas algas microscópicas
Principales fuentes de fósforo : Residuos humanos,
detergentes y suelos
erosionados de tierras agrícolas.
Tratamiento más efectivo contra la
eutroficación
Planta de aguas residuales : Remoción de
fósforo
Control de la erosión
en la agricultura
Contaminación
térmica
Causa
principal de contaminación térmica
Uso del agua para condensar el vapor producido por las
turbinas de vapor, generadoras de electricidad.
Efectos
adversos
Muerte por exposición a elevadas temperaturas de
vida acuática contenida en agua de
enfriamiento.
Aumento en las tasas de metabolismos, mayor consumo de
alimento y de oxigeno disuelto.
OD disminuye al aumentar la temperatura.
Peces pueden sufrir de embolia resultante del
desprendimiento de burbujas de nitrógeno en los vasos
sanguíneos.
Métodos
de control
Distribución uniforme la carga de calor en un
gran volumen de
agua.
Usar Torres de Enfriamiento:
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Contaminación debida al
petróleo
Fuentes
de contaminación
Accidentes en procesos de
extracción y transporte
Filtraciones naturales desde la tierra al
océano
Efectos
adversos
Daño a zonas costeras, componentes de bajo
punto de ebullición extremadamente tóxico para la
vida marina.
El petróleo puede destruir lugares de
alimentación y ser directamente
tóxico.
Sustancias radioactivas
Fuentes :
procesamiento del uranio, laboratorios y plantas de
energía nuclear
Efectos :
Altamente peligrosos
Propiedades misceláneas del
agua
Viscosidad
relativamente baja, fluye con facilidad
Incopresible, relaciones presión
– densidad no son
importantes
Disuelve
muchas y variadas sustancias
Dependencia de la solubilidad con la temperatura
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Las
relaciones bioquímicas requieren de agua para su
ocurrencia (no requieren de aire), el agua
es rica en vida, el aire es pobre en organismos vivientes.
Propiedades térmicas del
agua
El
comportamiento térmico del agua es
único en varios aspectos, debiéndose esto
principalmente a que las asociaciones intermoleculares que
forma el agua son inusualmente fuertes.
El agua
tiene elevados puntos de ebullición y de fusión
para ser una sustancia de peso molécula tan
bajo.
El agua
tiene una de las más altas capacidades
caloríficas, lo que la transforma en un sumífero
de calor, consecuentemente, grandes masas de aguas tienen un
efecto regulador de la temperatura ambiente.
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El agua
tiene un calor de vaporización alto (539 Cal/g a
100ºC)
Calor requerido para aumentar 1 g a 100ºC = 100
Calorías
Calor requerido para evaporar 1 g = 539
Calorías
Comportamiento de una
masa de aire al enfriarse
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a→b : Enfriamiento sin
condensación
b→c : Condensación de una cierta cantidad
de vapor de agua.
Al condensarse, el vapor de agua entrega una gran
cantidad de calor.
Esta entrega de calor disminuye el enfriamiento del aire
en el punto de rocío, el
aire es muy resistente a disminuciones de
temperatura.
El calor
de difusión del agua (79,71 Cal/g a 0ºC) es una
cifra común para sustancias similares.
La
conductividad térmica del agua (capacidad para conducir
calor) supera a la de todas las otras sustancias liquidas
naturales, exceptuando el mercurio.
Estratificación térmica en un lago
(condición inicial : Temp.. uniforme a
4ºC)
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1 : Capa superficial : Epilimnion; Temperatura
relativamente alta.
2 : Capa de transición : Mesolimnion o
termoclina; alto ∆T/∆Z = 0,75ºC
3 : Capa inferior : Hipolimnion; Temperatura
relativamente baja.
Hipolimnion y Epilimnion están totalmente
separados por deferencias de densidades.
Hay poca transferencia de materia disuelta a
través de la Termoclina.
El lago esta esencialmente separado en dos cuerpos de
agua relativamenteindependientes, por ende la calidad del agua
en las 2 secciones es diferente.
Circulación en un lago estratificado inducidas por el
viento
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Otra
causa de la estratificación : Aguas salinas es
más densa que el agua dulce.
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Efectos
de la temperatura en la viscosidad
Aumenta al disminuir la temperatura :
YoºC / Y30ºC = 2 (dos
veces)
Esto afecta la velocidad de
sedimentación de las partículas.
v = Velocidad
luego Flujos Laminares :
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Efecto, aguas frías retienen sedimentos por
periodos más largos que cursos de agua más
calientes
Microorganismos y
enfermedades
Consideraciones diversas
Los
microorganismos son especies vivientes de tamaños
diminutos
No se
consideran como plantas ni como animales. Sino más
bien se los califica en un tercer reino llamado
Protista.
Microorganismos de tamaño promedio
Tamaño : 10-6m =
1μm
Peso < 10-12g
Los
microorganismos varían en tamaño, forma,
habilidad para usar diferentes sustancias como fuentes de
alimentos,
métodos de reproducción y complejidad.
Clasificación
de microorganismos en grupos:
Bacterias
Virus
Algas
Protozoos
Los anteriores importantes en la calidad del
agua
Rickettsias
Hongos
Células
microbianas (a excepción de los virus)
a) Eucarióticas :
Poseen un núcleo verdadero (una estructura
envuelta en una membrana que contiene un material
hereditario)
b) Procarióticas
: Carecen de un núcleo verdadero o bien
definido.
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A : Bacterias
Microorganismos procarióticos
Clasificación según su forma :
Cocos : Forma esférica
Bacilos : Forma cilíndrica
Espirilos : forma de espiral
Componentes celulares de las bacterias
Componentes fijos : Membrana celular, Ribosomas y
región nuclear
Componentes variables :
Flagelos (apéndices como cabellos que permiten el
desplazamiento)
Clasificación de bacterias según sus fuentes de
energía y carbono
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superior
Clasificación
de bacterias según sus necesidades de
oxigeno
a) Bacterias
aeróbicas
Requieren oxigeno libre para metabolizar sus
alimentos
Metabolismos : Alimento + O2 →
Material celular + CO2 + H2O
b) Bacterias
anaeróbicas
El oxigeno es un toxico, su metabolismo
es:
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c) Bacterias
anaeróbicas facultativas
Oxidan la materia orgánica (alimento) en
presencia o ausencia de oxigeno libre
Clasificación de bacterias según la temperatura
de operación
Termofílicas : 40 a
80ºC
Mesofílicas : 20 a
40ºC
Psicrofílicas : < 20ºC
Otras
consideraciones
La mayoría de las bacterias prefieren un
pH neutro
(7,0)
Algunas bacterias son capaces de formar esporas bajo
condiciones ambientales adversas, las esporas son altamente
resistente a condiciones desfavorables, pueden permanecer en
estado latente por mucho tiempo.
B : Algas
Consideraciones diversas
Las algas son los microorganismos eucarióticos
más simples que contienen clorofila.
El hábitat más común aguas
expuestas al sol, también suelo, rocas y
árboles
Clasificación de acuerdo a su color; Verdes,
Cafés, Rojas
Las algas
pueden considerarse como el comienzo de la cadena
alimenticia acuática, ya que no requieren de otros
organismos vivos para obtener alimentos o
energía.
Factores
requeridos para el crecimiento de algas
Luz solar, nutrientes principalmente nitrógeno
y fósforo.
Algunos
efectos de las algas
Producen compuestos de olor y sabor desagradable,
disminuye el potencial del agua como fuente de abastecimiento
de agua potable.
Influencian el nivel de oxigeno
disuelto.
C : Protozoos
Consideraciones diversas
Los protozoos
son microorganismos eucarióticos con
características similares a la de los animales, pueden
ser uni o multicelular.
Hábitat más común :
Océanos, también lagos, ríos, lagunas, 10
primeros centímetros del suelo y los intestinos de los
animales
Ejemplos comunes : amebas,
paramecios.
D : Virus
Consideraciones diversas
Son sumamente pequeños, contienen una
porción de material genético (ácido
nucleico) protegido por una envoltura.
En casos simples esta constituido por una sola
proteína, en casos complejos rodeada por una envoltura
adicional constituida por una lipoproteína y en casos
más complejos aun tienen enzimas
asociadas a ellos.
Generalmente, mientras más complejo es el
virus, más fácil resulta inactivarlo.
Todos los virus son parásitos que se reproducen
invadiendo células huéspedes y obligando a estas
a producir más virus.
Enfermedades transmitidas por el
agua
El agua
puede transmitir enfermedades entéricas (intestinales),
debido el contacto con desechos humanos o animales.
Fuente
principal de patógenos entéricos : excrementos y
otros desechos eliminados por humanos enfermos y sus animales
huéspedes
Variables
que afectan la presencia y densidad de los diversos agentes
infecciosos en las aguas servidas:
Fuentes que contribuyen a las aguas
servidas.
Estado general de salud de la población.
Presencia de portadores de la enfermedad en la
población.
Habilidad de los agentes infecciosos para sobrevivir
fuera del huésped bajo diversas condiciones
ambientales.
Enfermedades hídricas más importantes producidas
por :
a) Bacterias :
Shigella, Salmonella y Escherichia.
b) Virus : aquellos
relacionados con la Hepatitis y
la Gastroenteritis
c) Protozoos : Giardia
Lambia, Entamoeba Histolytica.
Determinación de
patógenos en el agua
Consideraciones generales
La presencia de microorganismos se determina
indirectamente, por los efectos que producen.
Para asegurar que una muestra de agua
este libre de patógenos, se debería realizar una
determinación de todos los tipos de gérmenes que
podrían estar presentes en la muestra.
Problemas : Tiempo requerido extremadamente largo,
personal
altamente especializado, obtención tardía de
resultados.
Solución : Detección de un organismo
indicador (especie única de microorganismos que, cuando
esta presente, indica contaminación fecal y la posible
presencia de patógenos.
Requisitos de un organismo indicador real.
Fuente exclusiva, excrementos humanos y de animales,
fácilmente detectable y cuantificable, más
resistente en el agua que la mayoría de los
patógenos, a la vez no demasiado resistente en agua como
para producir frecuentes falsas alarmas y repredicción
en agua insignificante.
Interpretación de la presencia o ausencia
del organismo indicador en el agua
Presencia : Se supone que el agua potencialmente
contiene organismos patógenos.
Ausencia : Se supone que el agua es segura
Aunque no
existe un microorganismo indicador totalmente ideal, las
bacterias coliformes satisfacen casi todos los
requisitos.
Características de las bacterias coliformes
Aeróbicas o anaeróbicas
facultativas
Bacilos
No formas esporas
Gram negativo (se colorean de rojo a diferencia de los
Gram positivos que se colorean de violeta)
Fermentan la lactosa, produciendo CO2E
H2
Especies
principales del grupo de bacterias coliformes
Escherichia Coli : Generalmente no patógenas,
hábitat el tracto intestinal de humanos y animales de
sangre caliente, un tercio (en peso) del excremento humano
consiste de células E.Coli.
Aerobacter Aerogénes : Hábitat normal
suelo, cereales, plantas, también pueden encontrarse en
excrementos de animales
Otros : Escherichia Freundi – Aerobacter
Cloaci
Métodos usados para la
determinación de los coliformes
Tanto los E.Coli como el A.Aerógenes dan
resultados positivos
Clasificación :
– Método
de los tubos múltiples
– técnica de la membrana
filtrante
Método delos tubos múltiples (método
tradicional)
Procedimiento de un tubo :
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– Esterilización
– Adición de la muestra de agua (entre 0,1 y
100 ml)
– Incubación : T = 35ºC , θ = 48
horas
– Resultado :
Ausencia de gases en
tubo invertido, indica que los coliformes no
están
presentes.
Presencia de gases en tubo invertido indica
la evidencia presuntiva de la
existencia de coliformes.
Procedimientos en tubos
múltiples:
– Serie común : 5 tubos con porciones de 10ml
de agua
5 tubos con porciones de 1ml de agua
5 tubos con porciones de 0,1ml de agua
-
Resultado de tubos positivos se ingresa a la tabla de
probabilidades que entrega el numero más probable de
coliformes por 100ml de la muestra original
(NMP/100ml)
INDICE NMP
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Técnica de la membrana filtrante (método más
contemporáneo)
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a) Filtración del
agua a trabas de una membrana que retiene los
microorganismos
b) Adición del
caldo de cultivo apropiado para coliformes a la
membrana
c) Incubación por
24 horas
d) Conteo de colonias
coliformes
SUBSTANCIAS INORGANICAS
Substancias inorgánicas disueltas en aguas
En la
naturaleza, el agua adquiere una variedad de constituyentes
inorgánicos mediante el contacto con el ambiente;
contacto con la atmósfera (gases), contacto con la
tierra (minerales), y
contactos con ambientes contaminados por el
hombre.
En aguas
naturales, existen solo siete constituyentes inorgánicos
principales que están presentes en consideraciones
elevadas.
Los
constituyentes principales son muy importantes porque
estabilizan la cantidad química de las aguas
naturales.
pH de las aguas naturales : 7 – 9
pH de océanos : 8 – 8,4
Concentración bajísima de metales
pesados tóxicos.
Ambiente adecuado para el crecimiento y
proliferación de organismos
acuáticos.
Fuentes de substancias
inorgánicas en aguas naturales
Fuentes
de gases inorgánicos
La lluvia disuelve los gases presentes en la
atmósfera
Tipos de gases : Nitrógeno, Oxigeno,
Dióxido de carbono y
Dióxido de Azufre
Ley de Henry
(relaciona la concentración de un gas en un
líquido con la presión parcial del gas, cuando el
líquido y el gas están en equilibrio)
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Constante de la ley de Henry
Depende del tipo de gas
Depende de la temperatura
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Concentración de saturación de gases
en atmósferas normales a 25ºC
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El oxigeno y el nitrógeno disuelto en
agua son relativamente poco importante para influenciar la
adquisición de sustancias inorgánicas.
El dióxido de carbono es muy importante en la
química y calidad del agua.
Forma ácido carbónico : CO2+
H2O → H2CO3 (ácido
débil)
pH de lluvia en presencia de CO2 ≈
5,6
Importancia del dióxido de
azufre
Forma ácido sulfuroso : SO2+
H2O → H2SO3 (ácido
fuerte)
pH de lluvia en atmósfera altamente
contaminadas tan bajo como 3 ; lluvia ácida
Fuentes
de iones inorgánicos
Contacto con la lluvia ligeramente ácida con
la tierra
Piedra CaCO3 +
H2CO3 → Ca2+ +
2HCO-3 (bicarbonato)
Caliza MgCO3 +
H2CO3 → Mg2+ +
2HCO-3
KAlSi3O8 +
H2CO3 + 4H2O →
HAlSiO4 + 2H4SiO4 + K +
HCO-3
Feldespato Caolinita Acido
Resultado final : casi todas las aguas naturales
contienen principalmente los cationes Calcio, Magnesio y
Sodio y los aniones Bicarbonato, Sulfato y
Cloruro.
Concentraciones
típicas de iones inorgánicos en aguas
superficiales
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Además de los niveles naturales de ion
inorgánicos, las aguas naturales pueden recibir altas
concentraciones de ciertos iones inorgánicos como
resultado de actividades industriales, agrícolas y
domésticas.
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Efectos de substancias
inorgánicas
Efectos
de algunos contaminantes inorgánicos sobre la
salud
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Efectos de las substancias inorgánicas disueltas en la
química de las aguas naturales
- Los iones
inorgánicos estabilizan el pH
pH de ríos y lagos : 7.5 – 8.5
pH de agua de mar 8.3 (poca
variación)
- La
estabilización del pH previene las concentraciones
elevadas de metales pesados.
- La estabilidad
del pH se debe a los equilibrios químicos de los
constituyentes principales disueltos (básicamente al
equilibrio de las especies del dióxido de
carbono)
Equilibrio de especies
carbonatadas
Caso 1 : Agua sin contacto con la atmósfera ni
con sedimentos
Caso 2 : Agua en contacto con la atmósfera, sin
contacto con sedimentos
Caso 3 : Agua en contacto con la atmósfera y
sedimentos
Caso 1 :
Agua sin contacto con la atmósfera ni con
sedimentos
Sistema:
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Equilibrios químicos
involucrados
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– Consideración las
relaciones de equilibrio indican que la forma de la
especie
carbonatada
en el agua depende en gran medida, del pH del
agua.
Caso 2 :
Agua en contacto con la atmósfera, sin contacto con
sedimentos
Sistema:
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Equilibrios químicos
involucrados
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Alcalinidad
La alcalinidad de un agua es una medida de su
capacidad para neutralizar ácidos
Principales iones capaces de neutralizar ácidos
: Bicarbonato, Carbonato Hidroxilo
Definición matemática :
[Alcalinidad] = [HCO-3] +
2[CO2-3] + [OH-] –
[H+]
Cada mol de CO2-3 neutraliza dos
moles de H+
Caso 3
: Agua en contacto con la atmósfera y sedimentos
Sistema:
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Equilibrios
químicos
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Si [Ca2+] [CO2-3]
> 10-8,3 , la solución esta sobresaturada
con respecto con respecto al carbono de calcio y el exceso
precipitará.
Si : Si [Ca2+]
[CO2-3] < 10-8,3 , la
solución esta subsaturada con respecto al carbonato de
calcio y se disolverá más carbonato de calcio si
esta disponible.
Efectos de descargar ácidos
1) Neutralización del ácido :
HCO-3 + H+ →
H2O + CO2
2) Restauración del equilibrio del
HCO-3
CaCO3(s) + H+ →
Ca2+ + HCO-3
Efectos de descargar bases
1) Neutralización de la base :
H2CO3 + OH- →
H2O + HCO-3
HCO-3 + OH- →
H2O + CO2-3
2) Restauración del equilibrio del
HCO-3
Ca2+ + CO2-3 →
CaCO3(s)
H2CO3 +
CO2-3 → 2H
CO-3
Solubilidades de los
metales
El pH
estable de las aguas naturales es responsable por el hecho que
muchos metales se disuelvan solamente en cantidades de
trazas.
Solubilidad de los hidróxidos de metales
Equilibrio del hidróxido de metal
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Medida de sustancias
inorgánicas en aguas
Existen
técnicas estandarizadas detalladas en un
manual titulado
Standard Methods For The Examanation Of Water And Wastewater,
publicado por la American Public Health Association.
Fuentes de materia particulada
Fuentes :
Polvo atmosférico removido por lluvias, contacto con la
tierra, fibras de plantas, vegetación decayentes, residuos de
animales acuáticos, algas, etc.
La
calidad de las aguas superficiales con respecto a sus
concentraciones de materia particulada varía
tremendamente con el tiempo:
– Después de tormentas : Elevada
concentración de arena inorgánica
– Verano : Poca arena en suspensión, gran
cantidad de algas y organismos acuáticos.
Efectos de la materia
particulada
Efectos
adversos de la metería particulada
– El agua parece sucia (provoca
repulsión)
– Reduce la penetración de la luz, disminuye
la actividad algal
La
materia particulada adsorbe y concentra una gran variedad de
contaminantes en sus superficies:
– Plomo emitido por automóviles
– Bacterias y virus (problema en la
desinfección del agua)
– Metales pesados tóxicos.
Medida y
clasificación de materia particulada en
agua
Clasificación de los sólidos de acuerdo al
tamaño
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Medida de
residuos
– Residuos totales : Evaporación de una muestra
de volumen conocido a 103ºC y pesada del residuo, se usa
la temperatura de 103ºC para evitar perdidas por
salpicaduras que ocurren en una solución que hierve
rápidamente, y evitar perdidas de materiales
orgánicos que pueden volatilizarse a temperaturas
mayores
– Residuos no filtrante (o suspendidos) : Son
retenidos por un filtro con tamaño de poro de
aproximadamente 1μM = 10-3
Los residuos sedimentables sedimentan en 60
minutos
Residuos filtrante : Pasan a través de un filtro
de 1 μM
CALIDAD QUIMICA DEL AGUA, SUBSTANCIAS
ORGANICAS
Fuentes de sustancias orgánicas
en el agua
Contaminación orgánica : Natural y debida al
hombre
Contaminación orgánica natural
Escurrimientos que han estado en contacto con
vegetación decayente, con excremento de animales o con
desechos de la vida acuática.
Contaminación debida al hombre:
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superior
Efectos de las substancias
orgánicas
Tipos
de efectos de las substancias orgánicas
– Algunas son toxicas para los seres humanos y
organismos acuáticos (pesticidas)
– Otras producen olores, sabores, colores y
espumas
– La mayoría hace disminuir el nivel de oxigeno
disuelto es decir, son biodegradables.
Substancias orgánicas toxicas
1.
Pesticidas
Fuentes : Aplicación directa a aguas
superficiales para combatir pestes o plagas, descarga de aguas
servidas o residuos industriales y escurrimientos en aguas de
lluvia o regadío de pesticidas adsorbidos por los
suelos.
Ruta de los pesticidas aplicado al suelo : Dado que
son prácticamente insolubles en agua, una cantidad muy
pequeña de pesticidas es arrastrada, por aguas lluvias,
hacia aguas subterráneas o superficiales.
El suelo erosionado arrastra consigo el pesticida
depositado en él, pudiendo alcanzar un río o
lago.
Los pesticida sufren de acumulación
biológica (bioacumulación)
Como son insolubles en agua, se concentran en los
tejidos grasos
de los organismos.
Debido a su toxicidad y a la magnificación
biológica, se ha prohibido el uso (en USA y en Chile) de
ciertos pesticidas órgano clorado, tales como el
DDT y el DDD.
2. Otras sustancias
orgánicas
Efectos: Inmediatos y a largo plazo
(cáncer)
Substancias orgánicas no toxicas que deterioran
la calidad estética del agua
– Alquil – Vencen – Sulfonato (ABS;
detergentes)
no toxico, produce una gruesa capa de
espuma
no biodegradable, perdura tiempos largos
en USA, ahora se usan detergentes a base de sulfonatos
de alquilos lineales (SAL), que son degradables, en vez de
basados en ABS
– Substancias orgánicas causantes de color,
sabor y olor
Debido a que los sentidos
del gusto y del olfato son extremadamente sensibles, bastan
solamente pequeñas concentraciones de compuestos
orgánicos aromáticos para producir
desagrado.
Fenol : Gusto a remedio
Muchas algas : Gusto barroso o terroso
Alga Synura : Olor a pepino
Alga Anabaena : Olor a chancheria
3. Substancias
orgánicas biodegradables
– Estos compuestos son alimentos para las bacterias
Quimoorganotróficas y para algunos microorganismos
superiores (protozoos)
– Los microorganismos mencionados utilizan los
compuestos orgánicos como fuentes de carbono y
energía para su desarrollo.
Oxidación aeróbica de la glucosa
(objeto obtención de energia)
Reacción :
C6H12O6 +
6O2 → 6CO2 + 6H2O +
ENERGIA
Glucosa Aceptador
De electrones
Formación de tejido celular:
C6H12O6 + ENERGIA
→ (CH2O)N
Tejido celular
Sucesión de especies después de una descarga
orgánica
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Las bacterias utilizan como alimento el material
orgánico descargado
Protozoos y rotiferas se alimentan de bacterias
muertas, oxidando parte del material celular bacteriano para
obtener requerimientos energéticos.
Crustáceos se alimentan de protozoos y
rotiferas.
En cada sucesión de especies, la materia
orgánica se oxida a CO2 y H2O para
producir energía y por lo tanto, el tamaño de la
población de las especies siguientes disminuye debido a
que queda menos materia
orgánica.
Autopurificación
Productos orgánicos + O2
———————-→ CO2 +
H2O
Lamentablemente, la concentración de oxigeno disuelto en
las aguas superficiales es limitada, en el mejor de los casos,
el agua puede estar en equilibrio con la atmósfera y
estar saturada de oxigeno.
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Dado que la concentración de saturación
del oxigeno es pequeña (10 Mg/L), no se requiere de una
gran concentración de substancias orgánicas para
consumirlo completamente
Afortunadamente, existen ciertos mecanismos que le suministran
oxigeno al agua
Re-aeración
Ocurre cuando el contenido de oxigeno disuelto de un
curso de agua es menor que la concentración de
saturación, en este caso, el oxigeno atmosférico
tiende a ingresar al agua de modo de restaurar el
equilibrio.
– Déficit de oxigeno disuelto =
Concentración de saturación –
concentración real de oxigeno disuelto.
– Tasa o velocidad de re-aeración = Función
(grado de turbulencia, déficit de oxigeno
disuelto)
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Es
fundamental que el oxigeno disuelto no sea totalmente consumido
por las substancias orgánicas descargadas a un
río, ya que casi todas las formas superiores de vida
acuática requieren oxigeno para sobrevivir.
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Si el
contenido de oxigeno cae a cero y el curso se transforma en
anaeróbico, mueren todas las formas acuáticas
superiores y se desarrollan solamente las bacterias
anaeróbicas
Oxidaciones anaeróbicas (cualitativas)
– C6H12O6 +
NO-3 → CO2 +
H2O + NH3 + N2 +
ENERGIA
– C6H12O6 →
3CH4 + 3CO2 + ENERGIA
Productos finales de la oxidación
anaeróbica
-
Metano
(energía)
-
CO2
-
Amoniaco
-
Acido sulfhídrico
Forma sulfuros metálicos insolubles, generan
color negro
Escapa a la atmósfera y genera un olor a
huevo podrido
Medida de las substancias
orgánicas en el agua
Determinación de compuestos orgánicos
tóxicos, existen métodos analíticos
específicos para cada substancia
Métodos usados para establecer la cantidad total de
substancias orgánicas presentes en el agua:
1. Carbono
Orgánico Total (COT)
Medición :
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Una vez calibrado el instrumento, el COT se puede
determinar en pocos minutos.
Desventajas : El COT no proporciona ninguna información respecto del estado de
oxidación o del grado de biodegradabilidad de la materia
orgánica, es decir, muestras con idéntico COT
pueden ejercer un muy diferente efecto.
Interpretación : el COT es una medida del
contenido de carbono y no de la demanda de
oxigeno del material orgánico.
2. Demanda
Química de Oxigeno (DQO)
– Medida de mayor utilidad que el
COT
– Medida indirecta de la concentración de
material orgánico en función de la cantidad de
oxigeno requerido para oxidarlo completamente en forma
química
Medición
– Oxidación de materia
orgánica
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Relación DQO – COT
-
DQO/COT alta : Compuestos orgánicos están
reducidos (alta energía disponible)
-
DQO/COT baja : Compuestos orgánicos están
oxidados (baja energía disponible)
Desventaja de la DQO
– En general, en una muestra hay compuestos
orgánicos que, aunque son oxidados por el dicromato de
potasio no son biodegradables y, por lo tanto, no son oxidados
al ser descargados en un río, normalmente la DQO
sobreestima el monto de oxigeno que se utilizaría en un
río
– Ocasionalmente, lo contrario también ocurre,
por ejemplo, algunos alcoholes no
son oxidados por el dicromato y si por los
microorganismos.
– La DQO, no entrega ninguna información acerca
de la tasa a la cual va ha ocurrir la oxidación bioquímica en el curso
receptor.
3. Demanda
Bioquímica de Oxigeno (DBO)
-
Simula el proceso
bioquímico que ocurre en el curso de agua
-
Entrega resultados tanto en la cantidad de material
biodegradable como en su tasa de oxidación
Medición:
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superior
Descripción matemática de la
DBO
-
Oxidación bioquímica de la materia
orgánica sigue una cinética de primer orden
→ Tasa de oxidación de la materia orgánica
es proporcional a la cantidad de materia orgánica que
aun queda por oxidar
DC/dT = -KC donde :
C
= Concentración de substancia orgánica
presente
K
= Constante de velocidad
T
= Tiempo
-
Consideraciones
Cantidad de oxigeno utilizada en cualquier instante (DBO
ejecutada: YT) es una medida de la materia
orgánica que ha sido oxidada (C0 –
C)
Cantidad de oxigeno aun necesaria (DBO no ejecutada
LT) es una medida del material orgánico
presente (C)
Luego:
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Relación DBO – DQO
-
DBO/DQO alta : Gran proporción material biodegradable
(O2 disponible)
-
DBO/DQO baja : Pequeña proporción material
biodegradable (poco O2
)
SISTEMAS DE TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES
Sistemas de tratamiento de
aguas
Fuentes de aguas
Fuentes comunes de aguas:
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Características de las fuentes típicas de
aguas
– Pozos profundos
-
Normalmente son la mejor fuente de agua
-
Problemas comunes : Fierro, manganeso, y dureza.
-
Problemas eventuales : H2S , Cl- ,
SO2-4 ,
CO2-3
– Pozos poco profundos
-
Cercanos a cursos de aguas superficiales
-
Acuíferos de arena actúan como un filtro efectivo
en la remoción de materia orgánica y de
microorganismo
– Ríos
-
Calidad del agua depende del carácter de la hoya, grado de
contaminación, estación del año,
condiciones climáticas
-
Normalmente requiere el tratamiento más extenso y la
mayor flexibilidad operacional que ninguna otra
fuente.
– Lagos embalses
-
Calidad del agua depende del tamaño, profundidad,
clima, hoya,
grado de eutroficación.
-
Fuente de agua mejor que el rió debido a
Auto-purificación (reducción de turbiedad,
coliformes y color, y eliminación de las variaciones
diarias en calidad)
-
Existen cambios estaciónales
Hipolimnion : Anaeróbico, altas
concentraciones de Fe, Mn, sabor y olor.
Epilimnion : Crecimiento excesivo de algas a
comienzos de la primavera y a fines del verano (sabores y
olores)
-
Normalmente, la mejor calidad del agua se encuentra bajo
el
Epilimnion y por encima del fondo (profundidad
media)
Propósito del tratamiento del agua
– Proporcionar agua potable química y
bacteriológicamente segura para consumo humano y con una
calidad adecuada para los usuarios industriales.
– Usos domésticos : el agua debe estar exenta
de sabores y olores desagradables, el agua debe estar
suplementada con agentes que mejoran la salud (ej:
fluor)
Selección de procesos para el tratamiento
del agua
– Florecimientos de algas en lagos o embalses :
interfieren con coagulación y filtración,
producen problemas de sabores y olores. Pueden controlarse con
algicidas como el sulfato de cobre.
Pre-tramiento
– Mallas : usadas para pre-tratar aguas
superficiales
– Resedimentación : Remueve materia suspendida
de aguas de ríos
– Tratamiento químico : Mejora la
resedimentación, también se usa para pre-tratar
substancias difíciles de remover (olores, sabores,
colores) y para reducir el numero de
microorganismos.
Substancias químicas comúnmente usadas :
Cloro, permanganato de potasio (KMnO4),
polielectrolitos y sulfato de aluminio
(Al2(SO4)3 entre
otras.
– Aeración : Es la primera etapa en la
remoción de Fe y Mn en aguas subterráneas,
también separa gases disueltos (H2S ,
CO2)
Consideraciones importantes
– Los procesos de tratamiento usados en plantas de
agua dependen de :
1. Calidad de la
fuente
2. Calidad deseada del
agua terminada
– Las substancias químicas seleccionadas para el
tratamiento dependen de :
1. La efectividad para
realizar la reacción deseada
2. Costos
– Quizás la consideración más
importante en el diseño
de una planta de agua es proporcionar flexibilidad.
1. Posibilidad de cambiar el punto de aplicación
de substancias químicas
2.Posibilidad de cambiar substancias
químicas
3. Proporcionar espacio para la construcción de unidades adicionales
de pre-tratamientos.
Planta
con ablandamiento parcial y remoción de fierro y
manganeso
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Planta
convencional con provisiones especiales para el control de
sabores y olores
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Tratamiento de lodos producidos en plantas de
aguas
Fuentes
principales de lodos
– Lodos provenientes de los sedimentadores
– Agua de lavado de los filtros
Características de los lodos
– Contienen materia removida del agua cruda y
productos químicos agregados durante el
tratamiento
– Son relativamente no-putrescibles y tienen un alto
contenido mineral.
Esquema
típico del espesamiento de lodos
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superior
Alternativa de disposición del lodo
espeso
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Sistemas de tratamiento de aguas
residuales
Consideraciones generales
– Propósito del tratamiento : Prevenir
contaminación en el curso de agua receptor
– Características de la planta dependen en gran
medida de :
1. Tipo de sistema de
alcantarillada
2. Residuos industriales descargados al
alcantarillado
– Grado de tratamiento requerido queda determinado por
el uso que se le dar al curso o lago receptor
Residuos industriales
Métodos posibles de disponer los residuos
industriales
– La industria trata el residuo antes de descargarlo a
un curso de agua
– Los residuos industriales se descargan directamente
al alcantarillado
– Los residuos industriales son pre-tratados por
la industria antes de descargarlos al
alcantarillado
Residuos
industriales que no deben descargarse al
alcantarillado
– Aquellos que crean peligro de explosión o
fuego : Gasolinas, desmanchadores, etc.
– Aquellos que disminuyen la capacidad
hidráulica : Arena, grava, etc.
– Aquellos peligrosos para la gente, el alcantarillado
o el sistema biológico de tratamiento : Iones
metálicos tóxicos, petróleo, etc.
Pre-tratamiento
– Debe practicarse a residuos industriales con
características muy diferentes a las aguas
servidas.
– Tipos de pre-tratamientos
1. modificación del proceso
Recuperación de subproductos, re-uso del agua,
reducción del consumo de agua
2. Segregación de residuos
las aguas de proceso, enfriamiento y servidas deben
segregarse porque requieren tratamientos
diferentes
3. Equalización
(neutralización) Entrega un agua más
estable
4. Reducción de la fuerza del
residuo : Posibles reducciones de sólidos
orgánicos
o inorgánicos metales pesados, etc.
Infiltración e
influjo
Infiltración : Agua subterránea que entra al
alcantarillado debido a condiciones deficientes o
roturas.
Influjo :
Agua descargada al alcantarillado que esta contaminada como
drenajes, aguas lluvia, aguas de enfriamiento, etc.
La
infiltración y el influjo deben considerarse al momento
de diseñar las plantas de tratamiento.
– La infiltración representa el 5% de flujo
máximo horario de aguas servidas y el 10% de flujo
promedio de aguas servida.
– El influjo idealmente debería recolectarse en
colectores de aguas lluvias.
Propósitos del tratamiento de
aguas residuales
– Reducción de DBO
– Reducción de sólidos
suspendidos
– Reducción de patógenos
Formas de
cumplir los estándares
-
Cumplimiento de estándares de DBO y sólidos
suspendidos
-
Lodos activados y filtros percoladores
-
Cumplimiento de estándares de coliformes
fecales
-
Desinfección con cloro
Remoción de nitrógeno y fósforo
- 30
a 60% en plantas convencionales
-
Para mayor remoción se requiere de tratamiento
avanzado
- Es
necesaria para retardar la eutroficación de
lagos
Selección de procesos usados en
plantas de aguas residuales
Tratamiento convencional de aguas residuales
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Tratamiento preeliminar
– Posibles procesos preliminares
Tamizado grueso (barras)
Tamizado medio (mallas)
Conminución (trituración)
Medida del gasto (canaleta Parshall)
Bombeo
Remoción de arena
Pre-aeración
Flotación
Floculación
Tratamiento químico
Tratamiento primario
– Corresponde a la sedimentación
primaria
Tratamiento secundario
– tipos de procesos
Lodos activados
Filtros biológicos
– Lodos activados
ventajas
Altas remoción de DBO
Habilidad para tratar aguas residuales con alto contenido
orgánico
Adaptabilidad para uso futuro en conversión de planta a
tratamiento avanzada
– Desventajas
Requiere alto grado de control operacional
Cargas repentinas pueden desestabilizar el proceso
biológico
Sobrecargas hidráulicas u orgánicas producen la
falla del proceso
– Filtros biológicos
ventajas
Facilidad de operación
Capacidad para aceptar cargas repentinas y sobrecargas sin
causar una falla completa
Disposición de lodos
– La disposición de lodos es un factor
económico importante en el tratamiento.
El costo de
construcción de una planta procesadora de lodos es
aproximadamente 1/3 del costo de la planta de
tratamiento.
Espesamiento de lodos en una planta de filtros
biológicos
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Espesamiento de lodos en una planta de lodos
activados
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superior
Coloración
– Se practica la desinfección del efluente
secundario cuando el curso receptor se usa para recreación o como fuente de
agua.
Remoción de fósforo y
nitrógeno
- Se practica en el tratamiento avanzado
Autor:
Eduardo Henríquez