Heiler Yesid Perea CaicedoIng Ambiental Universidad del ChocóEspecialista en Gerencia de ProyectosUniversidad Pontificia Bolivariana - UPB Auditor Ambiental ISO 14001:04ICONTEC

TECNOLOGO EN CONTROL

AMBIENTAL

Carga Contaminante

Balance de Masas

CARGA CONTAMINANTE

PTAR

A E

INTRODUCCIÓN Los balances de materia y energía son herramientas clave para comprender en forma cuantitativa el comportamiento de los sistemas ambientales, para el flujo de los materiales que entran y salen de tales sistemas. 

DEFINICIONES AFLUENTE: Líquido que ingresa a un reservorio o a un proceso de tratamiento.

EFLUENTE: Líquido que sale de un reservorio o de un proceso de tratamiento.

EFLUENTE FINAL: Efluente de una Planta de Tratamiento de Aguas Residuales – PTAR.

AGUA RESIDUAL DOMESTICA: Residuos líquidos provenientes de viviendas o de edificaciones comerciales o institucionales

DEFINICIONES AGUA RESIDUAL INDUSTRIAL: Vertimientos líquidos provenientes de actividades de manufactura o de procesamiento de recursos naturales (variable).

AGUAS RESIDUALES MUNICIPALES: Residuos líquidos transportados por el alcantarillado de una localidad. Incluye aguas residuales domésticas e industriales. Predominan las aguas residuales de tipo doméstico y se conocen también como aguas negras

DEFINICIONES AGUA CRUDA: Afluente sin tratar.

SUSTRATO: Compuesto o sustancia a degradar.

SÓLIDOS TOTALES: Toda sustancia o material contenida en una muestra de agua excluyendo el agua misma.

CARGA ORGANICA: Producto de la concentración de DQO ó DBO por el caudal.

DEFINICIONES CARGA VOLUMETRICA; Caudal o masa de un parámetro por unidad de volumen y por unidad de tiempo.

TIEMPO DE RETENCIÓN HIDRÁULICO: Tiempo medio teórico que permanecen las partículas de líquido en un proceso de tratamiento.

EFICIENCIA DE TRATAMIENTO: Relación entre la masa (carga) o concentración removida y la masa (carga) o concentración afluente para un proceso o sistema de tratamiento.

DEMANDA BIOQUIMICA DE OXIGENO (DBO)

Es la cantidad de oxígeno necesaria para que una población microbiana heterogénea estabilice la materia orgánica biodegradable presente en una muestra de agua residual.

La DBO representa una medida indirecta de la concentración de materia orgánica e inorgánica degradable o transformable biológicamente.

En condiciones normales de laboratorio la DBO se cuantifica a 20ºC durante un período de 5 días, con valores expresados en mg/l O2 (DBO5).

APLICACIONES E IMPORTANCIA DE LA - DBO

Medición de la calidad de las aguas residuales y superficiales.

Determinar la cantidad aproximada de oxígeno que se requerirá para estabilizar biológicamente la materia orgánica presente.

Establecimiento de límites de descarga. Diseño de unidades de tratamiento biológico Dimensionar las instalaciones de tratamiento de aguas residuales

Evaluación de PTARs. Medir la eficacia de algunos procesos de tratamiento.

Controlar el cumplimiento de las limitaciones a que están sujetos los vertidos.

DEMANDA QUIMICA DE OXIGENO (DQO)

La DQO es una medida de la cantidad de oxígeno consumido en la oxidación química de la materia orgánica presente en una muestra de agua.

Para su determinación se emplea un agente oxidante fuerte, en medio ácido y con elevada temperatura, en presencia de un catalizador (sulfato de plata).

DEMANDA QUIMICA DE OXIGENO (DQO)

Las aguas residuales domésticas poseen relaciones promedio:

Entre más baja es esa relación más biodegradable es el residuo.

CONCEPTO – BALANCE DE MASA

Al caer la lluvia parte del agua se evapora directamente en la atmosfera, otra lo hace desde la superficie del suelo y del agua que regresa hacia la atmosfera. Una porción la absorben los vegetales retornándola a la atmosfera mediante la transpiración, finalmente el resto discurre hacia los ríos y lagos o se filtra hacia las aguas subterráneas para mas adelante juntarse con el agua superficial.

CICLO HIDROLÓGICO

CONCEPTO – BALANCE DE MASA

En química se ha encontrado que la suma de los pesos de las sustancias que participan en una reacción siempre es igual a la suma de los productos.

Entrada = Salida

Lo que entra debe salir

BALANCE DE MASA

El concepto de balance de masa, esta basado en la ley de conservación de la materia o la ecuación de continuidad.

En los sistemas continuos o permanentes la acumulación es igual a cero.

En los sistemas sin reacción química la producción es igual a cero.

Para los sistemas llamados cerrados las entradas y las salidas son iguales a cero.

BALANCE DE MASA El balance de masa es un método matemático utilizado principalmente en procedimientos de contabilidad.

Se basa en la ley de conservación de la materia, que establece que la masa de un sistema cerrado permanece siempre constante

http://pendientedemigracion.ucm.es/info/diciex/proyectos/agua/El_agua_en_la_tierra.html

Entrada (entra a través de

las fronteras

del sistema)

Producción o

generación

(producida dentro del sistema)

Salida (sale a

través de las

fronteras del

sistema)

Consumo (consumida dentro del sistema)

+

-

Acumulación

(acumulada dentro del sistema).

-=

BALANCE DE MASA La masa que entra en un sistema debe, por lo tanto, salir del sistema o acumularse dentro de él, es decir:

Entradas = Salidas + acumulación

BALANCE DE MASA Los balances de materia se desarrollan comúnmente para la masa total que cruza los límites de un sistema. 

Cuando se escriben balances de materia para compuestos específicos en lugar de para la masa total del sistema, se introduce un término de producción:

Entradas + Producción = Salidas + acumulación

BALANCE DE MASA El término de producción puede utilizarse para describir velocidades de reacción.

Los términos de producción y acumulación pueden ser tanto positivos como negativos.

BALANCE TOTAL

BALANCE DE MASARepresentar mediante un diagrama de flujo o bloques y rotular todos los valores de las variables conocidas.Elegir como base de cálculo una cantidad o flujo de una de las corrientes de procesos. Todas las variables calculadas se encuentran en una escala correcta.

Rotular las variables desconocidas en el diagrama en particular flujos de masa.

Convertir volúmenes o flujos volumétricos a cantidades másicas o molares.

BALANCE DE MASASi el sistema mezcla unidades de masa y molares en un corriente convertir todas las unidades a un mismo sistema.

Formular ecuaciones de balance de masas.

Resolver las ecuaciones formuladas.

CARGA CONTAMINANTE Los efectos de las aguas residuales sobre los sistemas de tratamiento y sobre la fuente receptora es función de sus características o composición, es decir, de su concentración, así como de su cantidad o caudal.

CARGA CONTAMINANTE El producto de la concentración por el caudal, en un sitio especifico, se denomina carga y generalmente se expresa en Kg/d.

Toda fuente receptora, o sistema de tratamiento, tiene una capacidad especifica de asimilación de un contaminante.

CARGA CONTAMINANTE En el caso de un río, si se excede la capacidad de asimilación, el rio pierde las condiciones exigidas para su mejor uso y se convierte en un rio contaminado.

CARGA CONTAMINANTE En la evaluación y control de la contaminación, la cuantificación de la concentración y de la carga contaminante de un agua residual son de máxima importancia para:

Asegurar diseños confiables de los sistemas de tratamiento.

Equidad en los costos. Calcular tasas retributivas asignadas por tratamiento o por disposición de efluentes de aguas residuales.

CARGA CONTAMINANTE Para un industrial el objetivo primario es producir lo mejor a un costo mínimo.

La necesidad de construir, operar y mantener un sistema de tratamiento de sus aguas residuales contradice su objetivo principal y disminuye la competitividad de su producto en el mercado mundial. ?

CARGA CONTAMINANTE La industria debe reducir la concentración y la carga contaminante de sus aguas residuales industriales – ARI, para minimizar sus costos de producción y mejorar su competitividad.

CARGA CONTAMINANTE La comparación de los efectos contaminantes de un agua residual debe hacerse con base en:

Su concentración, mg/lts, ppm

Carga contaminante, Kg/d

CARGA CONTAMINANTE Uno de los aspectos mas importantes, cuando se cuantifica la dimensión de la calidad del agua, consiste en determinar la carga másica total de un contaminante, descargada por unidad de tiempo, sobre una fuente receptora.M Flujo

másico

Es la masa del flujo de fluido que fluye por una sección por unidad de tiempo.

CARGA CONTAMINANTE La variabilidad del caudal y de la concentración, así como la existencia de aportes puntuales y no puntuales, complica la evaluación

Caracterización fisicoquímica del

agua residual

Analizar muestras compuest

as

CARGA CONTAMINANTE El porcentaje de remoción necesario depende, principalmente de la norma para el mejor uso de la fuente receptora.PTA

RDBO=550ppm DBO=150ppm

Río

CARGA CONTAMINANTE Un sobretratamiento de las aguas residuales implica un costo adicional para el propietario del sistema de tratamiento.

CARGA CONTAMINANTE Un subtratamiento supone un despilfarro de esfuerzo y dinero, puesto que no satisface el criterio de disposición.

CARGA CONTAMINANTE El objetivo de un sistema de tratamiento de aguas residuales para satisfacer una norma o estándar de calidad, es de gran importancia para calcular la carga máxima permisible que puede disponerse en la fuente receptora y el beneficio económico.

CARGA CONTAMINANTE Para flujos continuos, la carga másica se calcula mediante la siguiente ecuación:

W= carga másica, Kg/d Q= caudal, m3/d C= concentración, mg/L ó g/m3

W=Q*C

CARGA CONTAMINANTE La carga también puede calcularse en términos de población equivalente, si se conoce el aporte equivalente del contaminante per cápita por día.

P= carga equivalente en personas, hab

W= Carga másica, Kg/d We= Carga equivalente, Kg/hab-dia

P=W/We

Para las diferentes ciudades colombianas investigar cuantos habitantes hay según información suministrada por el DANE, considerar un coeficiente de retorno del 80% como lo recomienda el RAS 2000 título E.

Con los datos del cuadro siguiente determinar; caudal de aguas residuales, el peso de las sustancias contaminantes (carga orgánica de DBO5 – (kg/día), SST – (Kg/día),. Que se producen y un coeficiente de retorno del 80%.

Análisis

Población

(Hab)

Dotación

(m3/hab-dia)

DBO5 - mg/lt

SST - gr/lt

SSD - ml/l

OD - gr/m3 pH

A 50000 0,9 500 0,07 5 0,5 6,7

B100000 0,45 700 0,21 7 4 7,8

C200000 0,225 6000 5,15 4 6 6

Determinar la cantidad en Kg/día de solidos de fango (LODO), primario generado en una planta de tratamiento de aguas residuales urbana, para una población de 50,000 habitantes con rendimiento en la eliminación de solidos totales suspendidos (SST)=50% y una concentración del efluente de SST=400mg/lt, asumir la dotación de agua potable en 225lts/hab/dia y un coeficiente de retorno del 80%.

El caudal de aguas municipales de una ciudad incluye las aguas residuales de una población de 20000 habitantes; las aguas residuales industriales de una planta lechera que vierte 200 m3 /día, las aguas residuales de un matadero que sacrifica 40 reses diarias y las aguas residuales de una planta que procesa 5000 pollos por día.

El caudal de aguas residuales domésticas es de 200 L/hab-dia, el matadero descarga 1 m3 por cada res sacrificada y la planta de pollos descarga 10 m3 por cada 1000 pollos procesados.

La carga de DBO por persona es de 35 g/hab-día, la concentración de DBO de las aguas residuales de la lechería es de 1000 mg/L, la DBO por cada res 4 Kg y por cada pollo 10 g.

Determinar las poblaciones equivalentes, en términos de caudal y DBO, de la planta de tratamiento de aguas residuales municipal (PTARM), y la eficiencia requerida para producir un efluente con DBO de 45 mg/L.

BALANCE DE MASAS Un tanque de sedimentación se utiliza para separar los sólidos en suspensión de aguas residuales. El caudal de aguas residuales que entra al tanque es de 10 L/s, y la concentración de sólidos suspendidos (SST) en el afluente es de 200 mg/L. La eficiencia de separación de los sólidos suspendidos en el tanque es de 60%. Calcule la cantidad de sólidos suspendidos (lodos) que se acumulan diariamente en la zona de sedimentos.

EJERCICIO DE APLICACIÓN

Ton/año Ton/mes Ton/semestre

Ton/trimestre

BALANCE DE MASASUna cuidad de 5.000 habitantes descarga sus aguas residuales tratadas a la quebrada El salado, el cual tiene un caudal de aforo de 150 L/S antes de estos vertimientos y un porcentaje de remoción de sus aguas residuales de un 70%. Determine la concentración final en este rio.

Q=5L/S --- DQO=2000mg/lQ=10 L/S --- DQO=1500 mg/IQ=4 L/S --- DQO=800mg/l

EJERCICIO DE APLICACIÓN

BALANCE DE MASAS Una industria descarga sus residuos líquidos a un río que tiene un caudal mínimo de 10 m3/s, El contaminante principal depositado es un material orgánico no reactivo llamado P. La corriente residual tiene un gasto de 0,1 m3/sg y la concentración de P en la corriente residual es de 3000 mg/L.

La contaminación corriente arriba ha causado una concentración de 20 mg/L de P en las condiciones de caudal mínimo. La autoridad ambiental de la jurisdicción ha fijado un límite máximo permisible de 100 mg/L de P en el Río. Suponga que en el rio se produce un mezclado total. ¿Podrá la industria descargar sus residuos sin tratamiento?

EJERCICIO DE APLICACIÓN

Río

A+B=C

A= RíoB= ARC= Río + AR

Limite de calidad= 100mg/lt de P

BALANCE DE MASA Determinar la calidad de un rio al Final del tramo con respecto a la Demanda Química de Oxigeno si este presenta un caudal aforado antes de los vertimientos de 60L/s.

Q=2L/S ---DQO=800mg/lQ=6 L/S ---DQO=1000mg/IQ=10L/S ---DQO=600mg/l

EJERCICIO DE CLASE

BALANCE DE MASAS Determinar el caudal al final del tramo de un rio, si su caudal aforado antes del vertimiento es de:

QR=30 L/s DQO= 0mg/L Q1=? DQO=250mg/L QF= ? DQO=200mg/L

INCENTIVO AL APRENDIZ 1.0 PUNTO SOBRE EL EXAMEN

QR

QF ????

Q1

BALANCE DE MASAS

Determinar la calidad al final del rio, Si se le realizan a este tres vertimientos de diferentes industrias en el que cada una de ellas realiza una remoción diferente, si el caudal aforado antes de los vertimientos es de 25 L/s, los datos de vertimiento son:

BALANCE DE MASAS En una fuente hídrica natural se le realizan vertimientos de diferentes empresas, la cual al final del rio lleva una DBO de 5 mg/L y un caudal de 5 m³/seg. De acuerdo a los datos dados de cada uno de los vertimientos calcular el caudal con el que entra el río y el porcentaje de remoción al final de este.

Q1= 150 lpsDBO= 3000ppm

Q2=50lpsDBO= 250 ppm

Q3=90 lpsDBO=260 ppm

EJERCICIO DE APLICACIÓN

BALANCE DE MASAS La autoridad ambiental CORANTIOQUIA trazó una meta de DQO de 5 mg/L para preservar la calidad al final del rio EL SALADO, si su caudal antes de presentar los vertimientos es de 100 L/s, suponiendo que en el primer vertimiento se remueve el 70%, en el segundo el 80% y el tercero el 60%. ¿Se cumplirá con la meta propuesta por CORANTIOQUIA?. 

Vertimientos Q1=30 L/s y DQO=3000 mg/L Q2= 10 L/s y DQO= 600 mg/L Q3=25 L/s y DQO=1400 mg/L 

BALANCE DE MASASDeterminar la calidad del rio al final del tramo respecto a la DQO si su Q aforado antes del vertimiento es de 60 L/S. 1) Q= 4 L/S DQO=800mg/l 2) Q= 8 L/s DQO= 2000mg/l 3) Q=11 L/S DQO=300mg/l 

EJERCICIO DE APLICACIÓN

BALANCE DE MASASEn un vertimiento entra una concentración de fosforo (P) con los siguientes caudales: Al final del vertimiento cuanto será la concentración de fosforo y el caudal final. P1=3mg/l y Q=2L/S P2=1mg/l y Q=5L/S P3=2mg/Ly Q= 1L/S. 

EJERCICIO DE APLICACIÓN

BALANCE DE MASASDeterminar la calidad del rio al final del tramo respecto a la DQO, si su caudal aforado antes de los vertimientos es de 35 L/s. el primer vertimiento tiene un caudal de 5 L/s y una concentración de 600 mg/L, el segundo vertimiento tiene un caudal de 10 L/s y una concentración de 2000 mg/L, y el ultimo vertimiento tiene un caudal de 20 L/s y una concentración de 178 mg/L. 

EJERCICIO DE APLICACIÓN

BALANCE DE MASASPara la calidad final del rio, la corporación encargada trazó como meta una DQO de 50mg/L, si su caudal aforado antes de los vertimientos es de 70 L/s, suponiendo que se remueve el 60% en todos los vertimientos. La primera descarga tiene un caudal de 30 L/s y una concentración de 100mg/L, la segunda descarga tiene un caudal de 18 L/s y una concentración de 500mg/L y la ultima descarga con un caudal de 40L/s y una concentración de 300mg/L. ¿La calidad del rio al final contará con esta meta en términos de DQO?.

EJERCICIO DE APLICACIÓN

BIBLIOGRAFÍA DAVIS, Mackenzie. MASTEN, Susan, Ingeniería y Ciencias Ambientales, McGraw-Hill Interamericana, Santa Fé de Bogotá Colombia 2004.

ROMERO ROJAS, Jairo Alberto. Tratamiento de aguas residuales, Teoría y Principios de Diseño. Editorial Escuela Colombiana de Ingeniería. Santa Fé de Bogotá Colombia 1998.

J. GLYNN AUTOR HENRY,GARY W AUTOR HEINK. Ingeniería ambiental.

BIBLIOGRAFÍA TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES. Universidad Nacional de Colombia. Facultad de ingeniería. Catedra internacional 2008. Ing. Carlos Julio Collazos.

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