Contaminantes físicos, químicos y biológicos presentes en el agua cruda o residual

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Componentes y contaminantes físicos, químicos y biológicos presentes en el agua cruda o residual

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  • 1. Ingenieria Sanitaria II Objetivos del Curso • Conocer normas de control y calidad de agua. • Familiarizarnos con los procesos físicos, químicos y biológicos de tratamiento de aguas. • Entender la microbiología sanitaria y la cinética de las reacciones biológicas • Diseñar unidades de tratamiento de bajo costo. Alby Aguilar Pesantes, MSc Mayo / 2006
  • 2. Normas y Reglamentos •  www.ambiente.gov.ec –  Ley de Prevención y Control Ambiental (1976) –  Normas de calidad de agua y descarga de efluentes (Libro VI anexo 1, 2003) –  Otras normativas vigentes •  www.epa.gov –  Federal (regular y controlar “enforce” ) •  Clean Water Act (CWA) 1972 –  Proteje la calidad del agua superficial en los EEUU. Uso del Agua •  Marine Protection, Research, and Sanctuaries Act (MPRSA) (Ocean Dumping Act) –  Agua Potable –  Establece limites y criterios para colocar aguas residuales en el oceano. •  Drinking Water Act (SDWA) 1974 ultima enmienda 1996 –  Aguas residuales –  Asegura la calidad del agua potable en los EEUU. –  Aguas industriales –  Estatal (informes a la EPA) –  Agricola –  Local (informes al Estado) –  Recreacional –  Multas / sanciones •  www.who.int Alby Aguilar Pesantes, MSc Mayo / 2006
  • 3. Agua Potable Aguas aptas para el consumo humano. –  ¿Qué las define como aptas? •  Color •  Olor ¿Esto las hace aptas? •  Sabor •  ¿….qué mas? •  Cumplir con parametros establecidos –  USEPA (Autoridad otorgada por el congreso de EE.UU.) •  Regulaciones nacionales principales para el agua potable –  (National Primary Drinking water regulations) •  Niveles máximos de contaminantes presentes en el agua (MCL y MCLG) –  (Drinking water maxiun contaminant level) Alby Aguilar Pesantes, MSc Mayo / 2006
  • 4. Aguas Residuales Las aguas residuales son "residuos líquidos" producidos en viviendas, centros comerciales, instituciones públicas, industrias ,y por cualquier agua, superficial o subterranea que ingresen al sistema de alcantarillado {McGhee, 1999}. •  Origen de las Aguas Residuales y de los Sólidos –  Domésticas –  Industriales –  De infiltración (superficial, subterráneas, etc.) –  lluvias Componentes –  Biológicos –  Orgánicos –  Inorgánicos Alby Aguilar Pesantes, MSc Mayo / 2006
  • 5. Componentes Biologicos Escherichia coli bacteria www.greenfacts.org•  Bacterias •  Arquea (archaea) Archaea www.windows.ucar.edu•  Protozoarios •  Hongos Protozoo www.bio-logia.com.ar•  Rotiferos •  Algas rotifero natureduca.iespana.es•  Virus alga unicelular es.wikipedia.org•  Helmintos (tenia) rotavirus www.idinchildren.com Alby Aguilar Pesantes, MSc Mayo / 2006
  • 6. Cual es la importancia de conocer el Componente biológico de los cuerpos de aguas? La importancia radica en que podamos establecer parámetros que nos permitan determinar el grado de contaminación biológicas que presentan los diversos cuerpos de agua, como por ejemplo, ríos, lagos, incluso las aguas residuales, industriales y de las aguas consideradas como potables. Alby Aguilar Pesantes, MSc Mayo / 2006
  • 7. Indicadores Biológicos –  No todos los microorganismos son patógenos!!! –  ¿Qué es un indicador biológico? –  Caracteristicas de un indicador biologico: •  Debe estar presente cuando exista contaminacion fecal •  El organismo indicador ≥ microorganismos patógenos. •  Poseer caracteristicas similares de supervivencia a la de los patógenos. •  Muestreo y cuantificacion mas facil que la de los patogenos. •  Debe ser parte de la flora intestinal de los animales de sangre caliente Alby Aguilar Pesantes, MSc Mayo / 2006
  • 8. Indicadores Biológicos –  Nuestro tracto intestinal contiene una gran poblacion de bacterias bacilares conocidas comunmente como coliformes (enterobacteriaceae) –  Una persona elimina en promendio de 100 a 400 Billones de coliformes/dia –  La presencia de coliformes en un cuerpo de agua esta asociada a la presencia de heces fecales y de microorganismos patogenos, aunque no siempre es asi. Alby Aguilar Pesantes, MSc Mayo / 2006
  • 9. Organismos Indicadores •  Coliformes Totales •  Coliformes Fecales •  Klebsiella •  E.Coli •  Estreptococos fecales •  Enterococos – CF/EF < 1 contaminacion animal – CF/EF > 4 contaminacion humana Alby Aguilar Pesantes, MSc Mayo / 2006
  • 10. Componentes Orgánicos •  Provienen: –  reino animal –  reino vegetal (material humico) –  Actividades humanas: sintesis de compuestos organicos •  Formados principalmente por combinaciones de: –  Carbono –  Hidrógeno –  Oxígeno –  En algunos casos en presencia de nitrógeno •  Proteinas, hidratos de carbono, grasas, aceites, agentes tensoactivos, pesticidas y productos de uso agricola (glifosfatos, MTBE methyl-tert-butil-eter) Alby Aguilar Pesantes, MSc Mayo / 2006
  • 11. Componentes Orgánicos Volátiles •  Son compuestos organicos que se evaporan con facilidad •  Tienen un punto de ebullicion menor a 100 grados centigrados •  Y / o una presion de vapor > 1mm Hg @ 20 grados centigrados. •  En la atmosfera contribuyen a la formacion de ozono y smog. •  Se los encuentra disueltos en el agua y provienen de: –  Sub-productos aromaticos del petroleo (poseen anillos aromaticos) •  benzeno C6H6 (cancerigeno)….0.005mg/L (EPA) –  Locion para despues de afeitarse (principios del siglo 20) –  Quita grasas –  Lubricantes, pinturas, detergentes, drogas, pesticidas, explosivos, cauchos •  Tolueno C7H8 (lesiones cebrales) –  Solvente de pinturas –  Pegantes –  Poliuretanos (espumas) –  Incrementar el octanage de la gasolina Alby Aguilar Pesantes, MSc Mayo / 2006
  • 12. Componentes Orgánicos •  ¿Cómo los medimos los componentes orgánicos del agua? –  Demanda química de Oxígeno (DBO) –  Demanda bioquímica de Oxígeno (DQO) –  Carbono orgánico total (COT) –  Demanda teórica de oxígeno (DteO) Alby Aguilar Pesantes, MSc Mayo / 2006
  • 13. Demanda Química de Oxigeno •  Oxigeno Disuelto –  Las aguas superficiales limpias suelen estar saturadas de oxígeno, lo que es fundamental para la vida. • Concentraciones en aguas –  Niveles bajos de oxígeno disuelto es bajo indica residuales brutas (promedios en contaminación con materia orgánica, septicización, EEUU, Metcalf & Eddy, 2001) mala calidad del agua e incapacidad para mantener determinadas formas de vida.  – Debil 250 mg/L – Media 500 mg/L •  DQO – Fuerte 1000 mg/L –  Cantidad de oxígeno que se necesita para oxidar los materiales contenidos en el agua con un oxidante químico (normalmente dicromato potásico en medio ácido). –  Se determina en tres horas –  no diferencia entre materia biodegradable y el resto –  y no suministra información sobre la velocidad de degradación en condiciones naturales. CaHbOc + Cr2 O7-2 + H+ Cr+3 + CO2 + H20 Alby Aguilar Pesantes, MSc Mayo / 2006
  • 14. Carbono Orgánico Total •  Se introduce muestra aereada y acidificada en: –  Horno a alta temperatura –  O en medio químico oxidante •  El carbono orgánico se oxida a anhidrido carbonico en presencia de un catalizador •  La produccion de CO2 es medida en un analizador infrarojo •  En caso de que se asuma la presencia de compuestos organicos volatiles (COV) no se aerea. • Concentraciones en aguas residuales brutas (promedios en EEUUMetcalf & Eddy, 2001) – Debil 80 mg/L – Media 160 mg/L – Fuerte 290 mg/L Alby Aguilar Pesantes, MSc Mayo / 2006
  • 15. Demanda Bioquímica de Oxígeno (BDO5) •  Medición del Oxígeno disuelto en la muestra de agua. •  Es un procedimiento experimental, tipo bioensayo, que mide el oxígeno requerido por los organismos en sus procesos metabólicos al consumir la materia orgánica presente en las aguas residuales o naturales. •  Permite calcular los efectos de las descargas de los efluentes domésticos e industriales sobre la calidad de las aguas de los cuerpos receptores. •  Los datos de la prueba de la DBO se utilizan en ingeniería para diseñar las plantas de tratamiento de aguas residuales. Alby Aguilar Pesantes, MSc Mayo / 2006
  • 16. Demanda Bioquímica Carbonosa de Oxígeno DBCO Para obtener las DCBO es necesario evitar la nitrificación del proceso de degradación de la materia orgánica: •  pretratamiento (cloración, tratamiento con ácidos) •  inhibidores químicos (azul de metileno) DBO (mg/L) DBNO Cantidad de BDO eliminada En el instante T DBCO Tiempo (dias) Alby Aguilar Pesantes, MSc Mayo / 2006
  • 17. Demanda Bioquímica de Oxígeno (BDO5) Lt = DBO en el tiempo t L = DBO ultima (teorica) t= tiempo y = DBO en tiempo t K = constante K = constante dLt = −K ⋅ Lt L L - y dt integrando DBO tY, Lt lnLt 0 = −k ⋅ t y= Cantidad de BDO eliminada En el instante T € Lt = e−k⋅ t Lt L Tiempo (dias) Lt = L ⋅ e−k⋅ t Alby Aguilar Pesantes, MSc Mayo / 2006
  • 18. Componentes Inorgánicos  No Metalicos •  Provienen del uso: –  Industrial –  Doméstico –  Aguas altamente mineralizadas del sub-suelo Los mas importantes de ellos son: –  Hidrogeno –  Azufre –  E l e m e n t o s –  Alcalinidad clorados –  Gases –  Nitrogeno –  Fosforo –  Olores Alby Aguilar Pesantes, MSc Mayo / 2006
  • 19. Componentes Inorgánicos  No Metálicos •  Hidrógeno –  Medimos la concentracion del ion hidrogeno presente en el agua [H+] –  Lo medimos mediante el pH –  pH = - Log10 [H+] –  pOH = - Log10 [OH-] –  [H+]= [OH-] equilibrio , y la solucion se considera neutra –  pH + pOH = 14 –  pH < 7 aguas ácidas –  pH > 7 aguas básicas •  Elementos clorados (Cloroides / cloruros) –  Aguas naturales: de rocas y suelos con altas concentraciones de cloroides. –  Industrial (agricultura, industrial, aguas residuales) –  Heces humanas ( 6 g clorados/ dia) Alby Aguilar Pesantes, MSc Mayo / 2006
  • 20. Componentes Inorgánicos  No Metálicos •  Alcalinidad –  Es una medida de la capacidad del agua para neutralizar un ácido –  Medimos la concentracion de los iones hoxidrilo presentes en el agua [OH-], carbonatos [CO-23] y bicarbonatos [HCO -3] de elementos tales como Calcio, Magnesio, sodio, potacio y amonia. (moles/litro) –  La alcalinidad en aguas residuales contribuye a resistir cambios en el pH por la adición de ácidos. –  Alq, eq/m3 = meq/L = [HCO -3]+ 2 [CO-23] + [OH-] - [H+] Alby Aguilar Pesantes, MSc Mayo / 2006
  • 21. Componentes Inorgánicos  No Metálicos •  Nitrógeno –  Escencial para el crecimiento de los microorganismos, plantas y animales (nutriente) –  Insuficiencia de nitrogeno impediria el tratatamiento biologico. –  El nitrogeno del nitrato es la forma mas oxidada del N que se puede encontrar en aguas residuales, si el efluente de un tratamiento posee altas concentraciones de nitrato (> 20 mg/L NO3-) + − −•  Nitrogeno Inoegánico total NIT NH 3 + NH 4 + NO2 + N0 3 +•  Nitrogeno Kjeldanl Total NKT N(organico) + NH 3 + NH 4 +•  Nitrogeno Orgánico N orgánico NKT − (NH 3 + NH 4 ) + − −•  Nitrogeno Total NT € N(organico) + NH 3 + NH 4 + NO2 + N0 3 € € Alby Aguilar Pesantes, MSc Mayo€/ 2006
  • 22. Componentes Inorgánicos No Metálicos •  Fósforo –  Pesticidas, insecticidas, fungicidas ( Neurotoxinas) –  Escencial para el crecimiento de algas (nutriente) –  Limitar la cantidad de compuestos de fosforo que llegan a las aguas superficiales. (excesos tanto de P como N ocasionan eutrofizacion) Alby Aguilar Pesantes, MSc Mayo / 2006
  • 23. Componentes Inorgánicos  No Metálicos •  Azufre –  Pesticidas, insecticidas, fungicidas, fosforos, polvora –  La quema de petroleo y carbon libera a la atmósfera grandes cantidades de dioxido de sulfuro SO2. Este reacciona con el agua y el oxigeno de la atmosfera produciendo asi Acido Sulfurico, principal componente de la lluvia ácida, que afecta el pH de las aguas superficiales y de los suelos –  Para la sintesis de las proteinas las bacterias necesitan azufre (en forma de sulfatos). Los sulfatos se reducen a sulfuros de hidrogeno en condiciones anaerobias –  Sulfuros de hidrogeno son altamente corrosivos, toxicos. Paraliza el olfato luego de una exposicion inicial alta m.o. + SO−2 #bacterias→ S −2 + CO2 + H 2O 4 ## S −2 + 2H + # → H 2 S # Alby Aguilar Pesantes, MSc Mayo / 2006
  • 24. Componentes Inorgánicos  No Metálicos •  Gases –  Nitrogeno N2 –  Sulfuro de HidrogenoH2S –  Oxigeno O2 –  Amonia NH3 –  Dioxido de Carbono CO2 –  Metano CH4 •  Metano –  Proviene de la descomposición anaerobia de la materia orgánica del agua residial. –  Hidrocarburo altamente combustible (explosivo), –  incoloro e inodoro –  Pequeñas cantidades de oxigeno pueden ser toxicas para las bacterias generadoras de metano Alby Aguilar Pesantes, MSc Mayo / 2006
  • 25. Componentes Inorgánicos  No Metálicos •  Gases Ideales –  Un gas ideal es un gas hipotetico cuya presion, volumen y temperatua es descrito completamente por la ley de gases ideales. –  En condiciones estandar (1 atm y 0°C) cualquier gas ideal ocupa un volumen de 22.4 L •  Ley de los Gases Ideales –  PV = nRT –  P = presion atmosferica absoluta, atm –  V = volumen ocupado por el gas, L , m3 –  n = el número de moles del gas –  R = constante universal •  0.082057 atm L / moles °K –  T = Temperatura, °K (273.15 +°C) Alby Aguilar Pesantes, MSc Mayo / 2006
  • 26. Componentes Inorgánicos  No Metálicos •  Ley de Henry –  La concentracion de saturación de un gas disuelto en liquido es función del tipo de gas y de la presion parcial del gas en contacto con el líquido –  La relación entre la fracción molar del gas en el liquido esta dada por la ley de Henry •  Pg =( H * xg )/ Pt –  Pg = fraccion molar del gas en el aire, moles de gas/ moles de aire –  H = Constante de Henry unica para cada gas (atm(molesgas/molesaire))/(moles de gas/moles de agua) –  Pt = Presion total, usualmente 1 atm. –  xg = fraccion molar del gas en el agua •  moles de gas/ (moles de gas+moles de agua) Alby Aguilar Pesantes, MSc Mayo / 2006
  • 27. Componentes Inorgánicos  No Metálicos •  Olores –  Se generan por los gases liberados durante la degradación de la materia –  Mayor septicidad, mas intolerable resulta el olor de las aguas residuales •  Caracterizacion del olor –  Caracter: Subjetivo (asociacion mental hecha por el sujeto que percibe el olor –  Detectabilidad: numero de diluciones requerido para reducir el olor a su concentracion al umbral minimo detectable (CUOMD) –  Sensación: agrado o desagrado –  Intensidad: Se mide por medio de un olfatometro o se calcula de acuerdo al numero de diluciones requeridas para llegar al umbral minimo detectable. •  TON (numero umbral de olor) –  TON = (A+B)/A –  A= mL de muestra Alby Aguilar Pesantes, MSc –  B= mL de muestra inolora Mayo / 2006
  • 28. Caracteristicas Fisicas –  Sólidos –  Distribucion de las Particulas –  Turbidez –  Color –  Temperatura –  Densidad –  Conductividad –  Transmitancia –  Olor Alby Aguilar Pesantes, MSc Mayo / 2006
  • 29. Características Físicas •  Sólidos –  Es una característica fisica de las aguas –  Estan compuestos por toda la materia que flota en el agua, la materia sedimentable, los coloides, y la materia disuelta. –  Se clasifican en: – Sólidos Totales – Sólidos suspendidos fijos – Sólidos Volatiles Totales – Sólidos totales disueltos – Sólidos Fijos Totales – Sólidos volatiles disueltos – Sólidos suspendidos totales – Sólidos fijos totales disueltos – Sólidos Suspendido volatiles – Sólidos Sedimentables Alby Aguilar Pesantes, MSc Mayo / 2006
  • 30. Características Físicas •  Turbidez –  Es una medida del grado en el cual el agua pierde su transparencia debido a la presencia de partículas en suspensión.  –  Cuantos más sólidos en suspensión haya en el agua, más sucia parecerá ésta y más alta será la turbidez.  –  Se mide en NTU: Unidades Nefelométricas de Turbidez. (OMS: NTU < 5) –  El instrumento usado para su medida es el nefelómetro o turbidímetro, que mide la intensidad de la luz dispersada a 90 grados cuando un rayo de luz pasa a través de una muestra de agua. Alby Aguilar Pesantes, MSc Mayo / 2006
  • 31. Características Físicas •  Color –  Tiene que ver con la “edad” del agua residual •  Agua residual fresca: color grisaceo •  Agua residual descompuesta: es gris oscura y contiene sólidos más pequeños. •  Temperatura –  Agua residual •  Suele ser mas elevada que el agua potable •  (aguas industriales calientes) •  La solubilidad del oxigeno se ve afectada por altas temperaturas (menos soluble a mayores temperaturas) •  Desbalance ecológico: especies mueren, hongos aumentan, etc. •  Actividad bacteriana (25 - 35 grados centigrados) Alby Aguilar Pesantes, MSc Mayo / 2006
  • 32. Características Físicas •  Densidad –  Masa por unidad de volumen (Kg/m3) •  Peso especifico –  Sw = Densidad del agua residual / densidad del agua Alby Aguilar Pesantes, MSc Mayo / 2006
  • 33. Características Físicas •  Conductividad Eléctrica –  En el caso del agua es la habilidad que tiene la misma de transportar una corriente eléctrica. Los iones que es encuentran presentes en el agua son los responsables de este transporte. –  El agua presenta valores de conductivadad significativos cuando en ellos se encuentra presentes sales disueltas, por lo tanto la conductividad es directamente proporcional a los solidos totales disueltos en el agua. Cationes Aniones –  Ca +2 –  HCO3 - – Mg +2 – Cl - – Na + – SO4 -2 Alby Aguilar Pesantes, MSc Mayo / 2006
  • 34. Características Físicas •  Conductividad Electrica –  El factor de conversion utilzado depende de la composicion quimica de los solidos totales disueltos. •  [(TDS)ppm = Conductivity mS/cm x f ]. •  0.54 > f > 0.96. •  0.67 es un valor usado comunmente si el valor real no es conocido –  Un sensor de conductividad mide cuanta electricidad esta siendo conducida a traves de un centimetro de agua •  Mhos/entimeter (M/cm), •  Siemens/centimeter (S/cm). –  La conductividad electrica varia en funcion de la temperatura, pero esto es normalmente tomando por los sensonres utilizados para realizar las mediciones. Alby Aguilar Pesantes, MSc Mayo / 2006
  • 35. Características Físicas •  Conductividad Electrica –  Fuerza Ionica: µ. Es la concentracion de los iones en una solucion i= n 1 ( µ = ∑ Ci * Z i 2 2 i=1 ) µ = 2.5 *10−5 * SDT –  Ci = concentracion molar –  STD (mg/L) M de todas las especies ionicas.. €€ –  Zi = es la carga de la especie i Alby Aguilar Pesantes, MSc Mayo / 2006
  • 36. Características Físicas •  Dureza –  La dureza en las aguas naturales esta causada por la presencia de iones metálicos polivalentes. •  No produce espuma con el jabón •  Los iones presentes en las aguas duras forman presipitados con el jabón y por ebullicion. Cationes Aniones –  Ca +2 –  HCO3 - – Mg +2 –  Cl - – Sr +2 –  SO4 -2 – Fe +2 –  NO3 - – Mn +2 –  SiO3 -2 Alby Aguilar Pesantes, MSc Mayo / 2006
  • 37. Características Físicas •  Dureza Total –  Es la suma de los iones de calcio y magnesio expresada en terminos de mg/L de CaCO (carbonato de calcio). •  Dureza Carbonatada –  Es causada por los cationes provenientes de la disolucion de los carbonatos y bicarbonatos de calcio y magnesio. La dureza carbonatada es quimicamente equivalente a la alcalinidad. –  mg/L de CaCO (carbonato de calcio). •  Dureza No Carbonatada –  Cuando la Dureza total > dureza carbonatada (alcalinidad), la diferencia entre las mismas es la dureza no carbonatada –  mg/L de CaCO (carbonato de calcio) Alby Aguilar Pesantes, MSc Mayo / 2006