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Tratamientodeaguas
Ejercicios resueltos
y prácticas de laboratorio
Tratamientodeaguas
Ejercicios Resueltos
y prácticas de laboratorio
RubénMiranda,MercedesOliet,Teresapérez-Corona,MªVirginiaalonso,
YolandaMadrid,JuanCarlosDomínguezypatriciaGarcía
D XTRA
EDITORIAL
D XTRA
EDITORIAL
Tratamientodeaguas
Ejercicios resueltos
y prácticas de laboratorio
RubénMirandaCarreño,MercedesOlietPalá,MªTeresaPérezCorona,
MªVirginiaAlonsoRubio,YolandaMadridAlbarrán,
JuanCarlosDomínguezToribioyPatriciaGarcíaGómez
© Dextra Editorial S. L.
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Teléfono: 91 773 37 10
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Reservados todos los derechos. Está prohibido, bajo las sanciones penales y el resarcimien-
to civil previstos en las leyes, reproducir, registrar o transmitir esta publicación, íntegra o
parcialmente por cualquier sistema de recuperación y por cualquier medio, sea mecánico,
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expresa por escrito de Dextra Editorial, S. L.
ISBN: 978-84-16898-50-3
Depósito Legal: M-2081-2018
Impreso en España-Printed in Spain
© Rubén Miranda Carreño, Mercedes Oliet Palá, Mª Teresa Pérez Corona,
Mª Virginia Alonso Rubio, Yolanda Madrid Albarrán,
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Edición al cuidado de
© Guillermo Bodega Magro (coord..), Julio Bodega Magro, Julia Carracedo Añón, Sergio Ciordia Higuera, Elsa Cisneros Niño, José Luis Copa
Patiño, Juan Manuel González-Triguero, Raquel R. Gragera Martínez, Yolanda Loarce Tejada, Luis Andrés López Fernández, José Antonio Lópe
García, Alberto Paradela Elizalde, Joaquín Plumet Ortega, Lilian Puebla Jiménez, Manuel Rafael Ramírez Chamond, Iván Rivera Arconada,
Carolina Roza Fernández de Caleya
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Impreso en España-Printed in Spain
© Rafael Rotger Anglada, Mercedes Martínez Grueiro
Edición a cargo de
Diseño de portada: Álvaro Molina Rollano
Prólogo
Los autores de este libro somos un grupo de profesores de los Departamentos de Inge-
niería Química y de Química Analítica de la Universidad Complutense de Madrid quienes,
a raíz de un proyecto de innovación educativa, decidimos elaborar un libro con una co-
lección de ejercicios prácticos resueltos en el área del tratamiento de aguas residuales y
potables. Estos ejercicios se complementan, además, con una colección de prácticas de
laboratorio, centradas fundamentalmente en el análisis y caracterización de aguas. De
forma aproximada, el bloque de ejercicios constituye algo más del 80% del libro mientras
que el bloque de prácticas de laboratorio un poco menos del 20%.
El bloque de ejercicios incluye una serie de problemas resueltos de creciente nivel de
dificultad que se completan con otros propuestos (en los que sólo se da la solución final).
Al inicio de cada capítulo se hace una breve introducción teórica, donde se presentan
los conceptos teóricos más importantes y las ecuaciones o modelos que se van a utilizar
en su resolución. Dependiendo de la complejidad de los cálculos en cada capítulo, esta
introducción será más o menos extensa, pero siempre será suficiente como para resolver
los ejercicios sin necesitar de otras fuentes bibliográficas. Al final de los capítulos se han
incluido también una serie de cuadros y datos de referencia que recogen los principales
parámetros de diseño para los diferentes tratamientos estudiados. Estos datos son básicos
tanto para resolver los ejercicios propuestos como para analizar y discutir los resultados
obtenidos. Además, permiten usar la presente obra como libro de referencia para resolver
ejercicios prácticos adicionales.
En este bloque hay un total de dieciséis capítulos que incluyen ejercicios de cálculo de
los tratamientos más habituales de depuración de aguas, así como el tratamiento de los
lodos generados durante dicha depuración. Además, se ha dedicado un primer capítulo
al análisis químico, en el que se revisan los parámetros más importantes utilizados en la
caracterización de las aguas. Los capítulos se estructuran de la siguiente forma:
–
– Análisis químico.
–
– Pre-tratamiento.
–
– Tratamiento primario, y coagulación-floculación.
–
– Tratamientos secundarios: lodos activos, eliminación biológica de nutrientes, filtros
percoladores aerobios, contactares biológicos rotativos (RBC) y tratamientos anae-
robios (filtros percoladores y reactores UASB).
6 Tratamiento de aguas residuales y potables
–
– Tratamientos terciarios: precipitación química, filtración granular, adsorción, filtra-
ción con membranas, intercambio iónico y procesos de oxidación avanzada.
–
– Tratamiento de lodos: espesamiento, estabilización y acondicionamiento y deshi-
dratación.
Por otra parte, el bloque de prácticas consiste en una colección de guiones de prácticas
de laboratorio cuyo objetivo principal es el análisis de la calidad de un agua. En total son
nueve prácticas, que incluyen la determinación de los parámetros analíticos más impor-
tantes para la caracterización de un agua: contenido en sólidos (suspensión, disueltos
y totales), demanda química de oxígeno, alcalinidad, cloruros, sulfatos, metales (cinc),
ortofosfatos y nitrógeno Kjeldahl, más una práctica relacionada con el estudio de la coa-
gulación-floculación y su aplicación a la sedimentación.
La principal novedad del libro es el enfoque práctico que se le ha dado. Aunque hay
un buen número de libros dedicados al tratamiento de aguas residuales o potables, el
número de ejercicios prácticos de cálculo incluidos en estos manuales suele ser limitado.
A pesar de que los estudiantes aprenden los conceptos teóricos de forma adecuada con
esos libros, nuestra experiencia docente nos indica que después no saben aplicar correc-
tamente los conceptos teóricos aprendidos para diseñar los correspondientes tratamien-
tos de depuración, que, por otra parte, puede ser el principal cometido en su actividad
profesional. En este sentido, la presente colección de ejercicios prácticos resueltos pre-
tende ayudar a los estudiantes a afianzar los conceptos teóricos aprendidos y permitirles
resolver problemas de diseño típicos en el ámbito de la depuración de aguas. También
puede servir como material de apoyo a los docentes interesados en preparar seminarios
prácticos dentro de sus asignaturas.
La introducción teórica y la colección de cuadros y datos de referencia que incluye cada
capítulo pretenden, además, aportar un mayor valor añadido al libro. De esta forma, todos
los conceptos que se aplican en los ejercicios están adecuadamente explicados en la intro-
ducción teórica, y las cuadros y datos de referencia incluidos pueden utilizarse tanto para
conocer las condiciones habituales de operación y diseño, como para para resolver cual-
quier otro ejercicio que se les pudiera plantear. De este modo, el libro no es una simple
colección de ejercicios resueltos, sino que pretende ser un material completo en sí mismo.
El público objetivo de este libro es muy amplio. La ingeniería ambiental, y la gestión y
el tratamiento de aguas en particular, es un área transversal de interés en un buen número
de titulaciones universitarias. Algunas de ellas son, por ejemplo, la Ingeniería Química, la
Química, la Ingeniería Civil, las Ciencias Ambientales, la Biología y la Bioquímica o la Cien-
cia y Tecnología de los Alimentos. Además, también puede utilizarse en diferentes asigna-
turas de másteres relacionados con las titulaciones anteriormente mencionadas como el
Máster en Ingeniería Química, el Máster de Ingeniería de Caminos, Canales y Puertos, el
Máster de Ingeniería Ambiental, el Máster en Gestión Integral del Agua, etc. Dependiendo
de los temas de interés para cada asignatura o programa, se pueden elegir ciertos capítu-
los de la sección de ejercicios resueltos, y dentro de ellos, dependiendo de la profundidad
con que quieran tratarse, seleccionarse los ejercicios de mayor o menor complejidad. Asi-
mismo, dependiendo de la disponibilidad de espacios y/o equipamiento de laboratorio, se
puede completar la formación de los estudiantes mediante la realización de algunas de las
prácticas de laboratorio propuestas.
LOS AUTORES
Índice
I. ejercicios resueltos y propuestos ������������������������������������� 17
1. Análisis químico ������������������������������������������������������������������������������������ 21
Introducción ������������������������������������������������������������������������������������������� 21
Ejercicios resueltos ��������������������������������������������������������������������������������� 26
Ejercicio 1.1 ������������������������������������������������������������������������������������������������� 26
Ejercicio 1.2 ���������������������������������������������������������������������������������������������������27
Ejercicio 1.3 �������������������������������������������������������������������������������������������������� 31
Ejercicio 1.4 �������������������������������������������������������������������������������������������������� 33
Ejercicio 1.5 �������������������������������������������������������������������������������������������������� 33
Ejercicio 1.6 ������������������������������������������������������������������������������������������������� 36
Ejercicio 1.7 �������������������������������������������������������������������������������������������������� 39
Ejercicios propuestos ������������������������������������������������������������������������������ 41
Ejercicio 1.8 ��������������������������������������������������������������������������������������������������41
Ejercicio 1.9 �������������������������������������������������������������������������������������������������� 41
Cuadros y datos de referencia �����������������������������������������������������������������42
2. Pre-tratamiento ������������������������������������������������������������������������������������ 43
Introducción ������������������������������������������������������������������������������������������� 43
Desbaste ������������������������������������������������������������������������������������������������������ 43
Desarenado ������������������������������������������������������������������������������������������������� 44
Caudales de tratamiento ����������������������������������������������������������������������������� 45
8 Tratamiento de aguas residuales y potables
Ejercicios resueltos ��������������������������������������������������������������������������������� 46
Ejercicio 2.1 ������������������������������������������������������������������������������������������������� 46
Ejercicio 2.2 ������������������������������������������������������������������������������������������������ 47
Ejercicio 2.3 ������������������������������������������������������������������������������������������������ 48
Ejercicio 2.4 ������������������������������������������������������������������������������������������������ 48
Ejercicio 2.5 ������������������������������������������������������������������������������������������������ 49
Ejercicio 2.6 ������������������������������������������������������������������������������������������������� 50
Ejercicios propuestos ������������������������������������������������������������������������������ 51
Ejercicio 2.7 ������������������������������������������������������������������������������������������������ 51
Ejercicio 2.8 ������������������������������������������������������������������������������������������������ 52
Ejercicio 2.9 ������������������������������������������������������������������������������������������������� 52
Cuadros y datos de referencia ������������������������������������������������������������ 53
3.	Tratamiento primario ��������������������������������������������������������������������������� 55
Introducción ������������������������������������������������������������������������������������������� 55
Ejercicios resueltos ��������������������������������������������������������������������������������� 57
Ejercicio 3.1 ������������������������������������������������������������������������������������������������� 57
Ejercicio 3.2 �������������������������������������������������������������������������������������������������� 57
Ejercicio 3.3 �������������������������������������������������������������������������������������������������� 58
Ejercicio 3.4 �������������������������������������������������������������������������������������������������� 59
Ejercicios propuestos ������������������������������������������������������������������������������ 60
Ejercicio 3.5 �������������������������������������������������������������������������������������������������� 60
Ejercicio 3.6 �������������������������������������������������������������������������������������������������� 60
Ejercicio 3.7 �������������������������������������������������������������������������������������������������� 61
Ejercicio 3.8 �������������������������������������������������������������������������������������������������� 62
Cuadros y datos de referencia ����������������������������������������������������������������� 62
4.	Coagulación-floculación ����������������������������������������������������������������������� 63
Introducción ������������������������������������������������������������������������������������������� 63
Coagulación-floculación ������������������������������������������������������������������������������ 63
Tipos de coagulantes y floculantes más utilizados �������������������������������������� 64
Agitación y mezcla ��������������������������������������������������������������������������������������� 65
Ejercicios resueltos ��������������������������������������������������������������������������������� 66
Ejercicio 4.1 �������������������������������������������������������������������������������������������������� 66
Ejercicio 4.2 �������������������������������������������������������������������������������������������������� 66
Ejercicio 4.3 �������������������������������������������������������������������������������������������������� 67
9
Índice
Ejercicio 4.4 �������������������������������������������������������������������������������������������������� 68
Ejercicio 4.5 �������������������������������������������������������������������������������������������������� 69
Ejercicios propuestos ������������������������������������������������������������������������������ 71
Ejercicio 4.6 �������������������������������������������������������������������������������������������������� 71
Ejercicio 4.7 �������������������������������������������������������������������������������������������������� 72
Ejercicio 4.8 �������������������������������������������������������������������������������������������������� 72
Ejercicio 4.9 �������������������������������������������������������������������������������������������������� 72
Ejercicio 4.10 ������������������������������������������������������������������������������������������������ 73
Ejercicio 4.11 ������������������������������������������������������������������������������������������������ 73
Cuadros y datos de referencia ����������������������������������������������������������������� 74
5.	Lodos activos ����������������������������������������������������������������������������������������� 75
Introducción ������������������������������������������������������������������������������������������� 75
Generalidades ���������������������������������������������������������������������������������������������� 75
Fundamentos de crecimiento bacteriano ���������������������������������������������������� 76
Distribución de los sólidos biológicos en el tratamiento ������������������������������ 78
Producción de lodos biológicos �������������������������������������������������������������������� 78
Requerimientos de oxígeno ������������������������������������������������������������������������� 80
Requerimientos de nitrógeno y fósforo �������������������������������������������������������� 80
Parámetros de operación y variables fundamentales ��������������������������������� 81
Ecuaciones de diseño en sistemas de lodos activos ������������������������������������� 83
Ejercicios resueltos ��������������������������������������������������������������������������������� 85
Ejercicio 5.1 �������������������������������������������������������������������������������������������������� 85
Ejercicio 5.2 �������������������������������������������������������������������������������������������������� 86
Ejercicio 5.3 �������������������������������������������������������������������������������������������������� 86
Ejercicio 5.4 �������������������������������������������������������������������������������������������������� 87
Ejercicio 5.6 ������������������������������������������������������������������������������������������������� 91
Ejercicio 5.7�������������������������������������������������������������������������������������������������� 95
Ejercicio 5.8 �������������������������������������������������������������������������������������������������� 97
Ejercicio 5.9 �������������������������������������������������������������������������������������������������� 98
Ejercicio 5.10 ���������������������������������������������������������������������������������������������� 102
Ejercicio 5.11 ���������������������������������������������������������������������������������������������� 104
Ejercicio 5.12 ���������������������������������������������������������������������������������������������� 105
Ejercicios propuestos ���������������������������������������������������������������������������� 107
Ejercicio 5.13 ���������������������������������������������������������������������������������������������� 107
Ejercicio 5.14 ���������������������������������������������������������������������������������������������� 107
Ejercicio 5.15 ���������������������������������������������������������������������������������������������� 108
Cuadros y datos de referencia ��������������������������������������������������������������� 108
10 Tratamiento de aguas residuales y potables
6.	Eliminación biológica de nutrientes ��������������������������������������������������� 113
Introducción������������������������������������������������������������������������������������������ 113
Eliminación de nitrógeno ��������������������������������������������������������������������������� 113
Eliminación de fosfatos ������������������������������������������������������������������������������ 117
Ejercicios resueltos ������������������������������������������������������������������������������� 118
Ejercicio 6.1 ������������������������������������������������������������������������������������������������ 118
Ejercicio 6.2 ������������������������������������������������������������������������������������������������ 120
Ejercicio 6.3 ������������������������������������������������������������������������������������������������ 122
Ejercicio 6.4 ������������������������������������������������������������������������������������������������ 123
Ejercicio 6.5 ������������������������������������������������������������������������������������������������ 128
Ejercicio 6.6 ������������������������������������������������������������������������������������������������ 129
Ejercicios propuestos ���������������������������������������������������������������������������� 131
Ejercicio 6.7 ������������������������������������������������������������������������������������������������ 131
Ejercicio 6.8 ������������������������������������������������������������������������������������������������ 133
Ejercicio 6.9 ������������������������������������������������������������������������������������������������ 133
Cuadros y datos de referencia ��������������������������������������������������������������� 134
7. Filtros percoladores aerobios ������������������������������������������������������������� 137
Introducción ����������������������������������������������������������������������������������������� 137
Generalidades �������������������������������������������������������������������������������������������� 137
Criterios de diseño y operación ������������������������������������������������������������������ 137
Modelos de eliminación de DBO ���������������������������������������������������������������� 138
Modelos de eliminación simultánea de DBO y materia nitrogenada��������� 140
Ejercicios resueltos ������������������������������������������������������������������������������� 141
Ejercicio 7.1 ������������������������������������������������������������������������������������������������ 141
Ejercicio 7.2 ������������������������������������������������������������������������������������������������ 142
Ejercicio 7.3 ������������������������������������������������������������������������������������������������ 142
Ejercicio 7.4 ������������������������������������������������������������������������������������������������ 146
Ejercicio 7.5 ������������������������������������������������������������������������������������������������ 147
Ejercicio 7.6 ������������������������������������������������������������������������������������������������ 150
Ejercicio 7.7 ������������������������������������������������������������������������������������������������ 151
Ejercicios propuestos ���������������������������������������������������������������������������� 153
Ejercicio 7.8 ������������������������������������������������������������������������������������������������ 153
Ejercicio 7.9 ������������������������������������������������������������������������������������������������ 154
Ejercicio 7.10 ���������������������������������������������������������������������������������������������� 154
Ejercicio 7.11 ���������������������������������������������������������������������������������������������� 154
Cuadros y datos de referencia ��������������������������������������������������������������� 155
11
Índice
8.	Contactores biológicos rotativos ���������������������������������������������������������� 159
Introducción ����������������������������������������������������������������������������������������� 159
Ejercicios resueltos ������������������������������������������������������������������������������� 160
Ejercicio 8.1������������������������������������������������������������������������������������������������ 160
Ejercicio 8.2 ������������������������������������������������������������������������������������������������ 161
Ejercicio 8.3 ������������������������������������������������������������������������������������������������ 162
Ejercicio 8.4 ������������������������������������������������������������������������������������������������ 165
Ejercicios propuestos ���������������������������������������������������������������������������� 167
Ejercicio 8.5 ������������������������������������������������������������������������������������������������ 167
Ejercicio 8.6 ����������������������������������������������������������������������������������������������� 168
Cuadros y datos de referencia ��������������������������������������������������������������� 168
9.	Tratamientos biológicos anaerobios:
filtros anaerobios y reactores UASB ������������������������������������������������������� 171
Introducción ����������������������������������������������������������������������������������������� 171
Diseño de filtros anaerobios ���������������������������������������������������������������������� 172
Diseño de reactores UASB �������������������������������������������������������������������������� 173
Ejercicios resueltos ������������������������������������������������������������������������������� 176
Ejercicio 9.1 ������������������������������������������������������������������������������������������������ 176
Ejercicio 9.2 ����������������������������������������������������������������������������������������������� 178
Ejercicio 9.3 ������������������������������������������������������������������������������������������������ 179
Ejercicios propuestos ���������������������������������������������������������������������������� 183
Ejercicio 9.4 ������������������������������������������������������������������������������������������������ 183
Ejercicio 9.5 ������������������������������������������������������������������������������������������������ 183
Cuadros y datos de referencia ��������������������������������������������������������������� 184
10. Precipitación química �������������������������������������������������������������������������� 187
Introducción ����������������������������������������������������������������������������������������� 187
Eliminación de calcio y magnesio: ablandamiento de agua ���������������������� 188
Precipitación de fosfatos ���������������������������������������������������������������������������� 191
Precipitación de metales pesados �������������������������������������������������������������� 192
Ejercicios resueltos ������������������������������������������������������������������������������� 193
Ejercicio 10.1 ���������������������������������������������������������������������������������������������� 193
Ejercicio 10.2 ���������������������������������������������������������������������������������������������� 195
Ejercicio 10.3 ���������������������������������������������������������������������������������������������� 199
12 Tratamiento de aguas residuales y potables
Ejercicio 10.4 ���������������������������������������������������������������������������������������������� 201
Ejercicio 10.5 ���������������������������������������������������������������������������������������������� 203
Ejercicio 10.6 ���������������������������������������������������������������������������������������������� 204
Ejercicios propuestos ���������������������������������������������������������������������������� 207
Ejercicio 10.8 ���������������������������������������������������������������������������������������������� 207
Ejercicio 10.9 ���������������������������������������������������������������������������������������������� 208
Ejercicio 10.10 �������������������������������������������������������������������������������������������� 208
11. Filtración granular ������������������������������������������������������������������������������� 209
Introducción ����������������������������������������������������������������������������������������� 209
Criterios de diseño y variables de operación ��������������������������������������������� 210
Ejercicios resueltos ������������������������������������������������������������������������������� 213
Ejercicio 11.1 ���������������������������������������������������������������������������������������������� 213
Ejercicio 11.2 ���������������������������������������������������������������������������������������������� 213
Ejercicio 11.3 ���������������������������������������������������������������������������������������������� 214
Ejercicio 11.4 ���������������������������������������������������������������������������������������������� 216
Ejercicio 11.5 ���������������������������������������������������������������������������������������������� 216
Ejercicio 11.6 ���������������������������������������������������������������������������������������������� 219
Ejercicio 11.7 ���������������������������������������������������������������������������������������������� 221
Ejercicios propuestos ���������������������������������������������������������������������������� 222
Ejercicio 11.8 ���������������������������������������������������������������������������������������������� 222
Ejercicio 11.9 ���������������������������������������������������������������������������������������������� 223
Cuadros y datos de referencia ��������������������������������������������������������������� 224
12. Adsorción ��������������������������������������������������������������������������������������������� 229
Introducción ����������������������������������������������������������������������������������������� 229
Isotermas de adsorción ������������������������������������������������������������������������������ 230
Consideraciones de diseño y operación ����������������������������������������������������� 231
Capacidad y tiempo de agotamiento ��������������������������������������������������������� 232
Tasa de uso de carbón ������������������������������������������������������������������������������� 233
Ejercicios resueltos ��������������������������������������������������������������������������������������� 234
Ejercicio 12.1 ���������������������������������������������������������������������������������������������� 234
Ejercicio 12.2 ���������������������������������������������������������������������������������������������� 235
Ejercicio 12.3 ���������������������������������������������������������������������������������������������� 236
Ejercicio 12.4 ���������������������������������������������������������������������������������������������� 239
Ejercicio 12.5 ���������������������������������������������������������������������������������������������� 240
Ejercicio 12.6 ���������������������������������������������������������������������������������������������� 242
13
Índice
Ejercicios propuestos ���������������������������������������������������������������������������� 245
Ejercicio 12.7 ���������������������������������������������������������������������������������������������� 245
Ejercicio 12.8 ���������������������������������������������������������������������������������������������� 246
Ejercicio 12.9 ��������������������������������������������������������������������������������������������� 246
Ejercicio 12.10 �������������������������������������������������������������������������������������������� 246
Ejercicio 12.11 �������������������������������������������������������������������������������������������� 247
Cuadros y datos de referencia ��������������������������������������������������������������� 247
13. Filtración con membranas ������������������������������������������������������������������� 249
Introducción ����������������������������������������������������������������������������������������� 249
Parámetros de operación y de diseño �������������������������������������������������������� 250
Ejercicios resueltos ������������������������������������������������������������������������������� 253
Ejercicio 13.1 ���������������������������������������������������������������������������������������������� 253
Ejercicio 13.2 ���������������������������������������������������������������������������������������������� 254
Ejercicio 13.3 ��������������������������������������������������������������������������������������������� 255
Ejercicio 13.4 ���������������������������������������������������������������������������������������������� 257
Ejercicios propuestos ���������������������������������������������������������������������������� 258
Ejercicio 13.5 ���������������������������������������������������������������������������������������������� 258
Ejercicio 13.6 ���������������������������������������������������������������������������������������������� 259
Ejercicio 13.7 ���������������������������������������������������������������������������������������������� 259
Cuadros y datos de referencia ��������������������������������������������������������������� 260
14. Interambio iónico �������������������������������������������������������������������������������� 261
Introducción ����������������������������������������������������������������������������������������� 262
Capacidad de intercambio y selectividad de las resinas ���������������������������� 262
Parámetros de diseño y operación ������������������������������������������������������������ 263
Ejercicios resueltos ������������������������������������������������������������������������������� 265
Ejercicio 14.1 ���������������������������������������������������������������������������������������������� 265
Ejercicio 14.2 ���������������������������������������������������������������������������������������������� 265
Ejercicio 14.3 ���������������������������������������������������������������������������������������������� 267
Ejercicio 14.4 ���������������������������������������������������������������������������������������������� 268
Ejercicio 14.5 ���������������������������������������������������������������������������������������������� 271
Ejercicio 14.6 ���������������������������������������������������������������������������������������������� 272
Ejercicio 14.7 ���������������������������������������������������������������������������������������������� 274
Ejercicios propuestos ���������������������������������������������������������������������������� 275
Ejercicio 14.8 ���������������������������������������������������������������������������������������������� 275
14 Tratamiento de aguas residuales y potables
Ejercicio 14.9 ���������������������������������������������������������������������������������������������� 276
Ejercicio 14.10 ������������������������������������������������������������������������������������������� 276
Ejercicio 14.11 ������������������������������������������������������������������������������������������� 276
Cuadros y datos de referencia ��������������������������������������������������������������� 277
15. Procesos avanzados de oxidación ������������������������������������������������������� 281
Introducción ����������������������������������������������������������������������������������������� 281
Procesos Fenton (Fe2+
/H2
O2
) ����������������������������������������������������������������������� 282
UV/Peróxido de hidrógeno ������������������������������������������������������������������������� 282
Ozono/UV �������������������������������������������������������������������������������������������������� 282
Ejercicios resueltos ������������������������������������������������������������������������������� 283
Ejercicio 15.1 ���������������������������������������������������������������������������������������������� 283
Ejercicio 15.2 ���������������������������������������������������������������������������������������������� 284
Ejercicio 15.3 ���������������������������������������������������������������������������������������������� 284
Ejercicio 15.4 ���������������������������������������������������������������������������������������������� 286
Ejercicio 15.5 ���������������������������������������������������������������������������������������������� 288
Ejercicios propuestos ���������������������������������������������������������������������������� 290
Ejercicio 15.6 ���������������������������������������������������������������������������������������������� 290
Ejercicio 15.7 ���������������������������������������������������������������������������������������������� 290
16. Tratamiento de lodos �������������������������������������������������������������������������� 291
Introducción ����������������������������������������������������������������������������������������� 291
Ejercicios resueltos ������������������������������������������������������������������������������� 293
Espesamiento de lodos �������������������������������������������������������������������������� 293
Ejercicio 16.1 ��������������������������������������������������������������������������������������������� 293
Ejercicio 16.2 ���������������������������������������������������������������������������������������������� 294
Ejercicio 16.3 ���������������������������������������������������������������������������������������������� 295
Ejercicio 16.4 ���������������������������������������������������������������������������������������������� 298
Ejercicio 16.5 ���������������������������������������������������������������������������������������������� 299
Ejercicio 16.6 ���������������������������������������������������������������������������������������������� 301
Ejercicio 16.7 ���������������������������������������������������������������������������������������������� 302
Estabilización de lodos �������������������������������������������������������������������������� 304
Ejercicio 16.8 ���������������������������������������������������������������������������������������������� 304
Ejercicio 16.9���������������������������������������������������������������������������������������������� 306
Ejercicio 16.10 �������������������������������������������������������������������������������������������� 309
Ejercicio 16.11 �������������������������������������������������������������������������������������������� 311
15
Índice
Ejercicio 16.12 �������������������������������������������������������������������������������������������� 313
Ejercicio 16.13 �������������������������������������������������������������������������������������������� 314
Acondicionamiento, deshidratación y secado ���������������������������������������� 315
Ejercicio 16.14 �������������������������������������������������������������������������������������������� 315
Ejercicio 16.15 �������������������������������������������������������������������������������������������� 317
Líneas de tratamiento de lodos completas �������������������������������������������� 319
Ejercicio 16.16 �������������������������������������������������������������������������������������������� 319
Ejercicio 16.17 �������������������������������������������������������������������������������������������� 325
Ejercicios propuestos ��������������������������������������������������������������������������� 327
Ejercicio 16.18 �������������������������������������������������������������������������������������������� 327
Ejercicio 16.19 �������������������������������������������������������������������������������������������� 327
Ejercicio 16.20 �������������������������������������������������������������������������������������������� 328
Ejercicio 16.21 �������������������������������������������������������������������������������������������� 328
Cuadros y datos de referencia ��������������������������������������������������������������� 329
II. PRÁCTICAS DE LABORATORIO ������������������������������������������������������������� 337
Práctica 1. Determinación de los sólidos totales, en suspensión,
disueltos, fijos y volátiles de un agua ������������������������������������������������� 341
Practica 2. Determinación de la demanda química
de oxígeno de un agua residual ��������������������������������������������������� 347
Práctica 3. Determinación de la alcalinidad de un agua ��������������������� 353
Práctica 4. Determinación de cloruros en aguas residuales ��������������� 359
Práctica 5. Determinación de sulfatos en aguas residuales ��������������� 363
Práctica 6. Determinación de cinc en aguas
por espectrofotometría de absorción atómica de llama �������������������� 369
Práctica 7. Determinación espectrofotométrica
de ortofosfatos en aguas ��������������������������������������������������������������������� 375
Práctica 8. Determinación de nitrógeno amoniacal
y orgánico en aguas residuales (método Kjeldhal) ����������������������������� 381
Práctica 9. Proceso de coagulación-floculación aplicado
a la sedimentación de un agua residual ���������������������������������������������� 387
Bibliografía �������������������������������������������������������������������������������������������� 395
I. ejercicios
resueltos
y propuestos
En esta sección se recoge una colección de ejercicios resueltos y propuestos (sólo
con la solución final) para cada uno de los capítulos en los que se ha dividido el
libro:
–
– Análisis químico (Capítulo 1).
–
– Pre-tratamiento y tratamiento primario:
•
• Pre-tratamiento (Capítulo 2).
•
• Tratamiento primario (Capítulo 3).
•
• Coagulación-floculación (Capítulo 4).
–
– Tratamientos biológicos:
•
• Lodos activos (Capítulo 5)
•
• Eliminación biológica de nutrientes (Capítulo 6).
•
• Filtros percoladores aerobios (Capítulo 7).
•
• Contactores biológicos rotativos (Capítulo 8).
•
• Tratamientos anaerobios: filtros anaerobios y reactores UASB (Capítulo 9).
–
– Tratamientos terciarios y avanzados:
•
• Ablandamiento y precipitación de metales (Capítulo 10).
•
• Filtración granular (Capítulo 11).
•
• Adsorción (Capítulo 12).
•
• Filtración con membranas (Capítulo 13).
•
• Intercambio iónico (Capítulo 14).
•
• Procesos avanzados de oxidación (Capítulo 15).
–
– Tratamiento de lodos (Capítulo 16).
Además de los ejercicios de cada uno de los temas, resueltos y propuestos, tam-
bién se ha incluido una breve introducción inicial de cada uno de los tratamientos
y una colección final de cuadros y datos de referencia de utilidad en la resolución
de los ejercicios.
Introducción
El objetivo del análisis químico es proporcionar un resultado del contenido o con-
centración del analito (elemento, compuesto o sustancia) de interés en la muestra a
analizar, expresado de forma adecuada para su posterior evaluación. Las formas más
frecuentes de expresar la concentración de un elemento, compuesto o sustancia quí-
mica en una muestra de agua son las siguientes:
Molaridad (mol/L): M=
nº moles soluto analito
( )
volumen disolución L
( )
=
masa soluto g
( )
masa molar soluto g /mol
( )
V L
( )
Porcentaje (%) (masa/volumen): %=
masa analito g
( )
volumen muestra mL
( )
100
Partes por millón, ppm, (masa/volumen): ppm =
masa analito mg
( )
volumen muestra L
( )
Partes por billón, ppb, (masa/volumen): ppb=
masa analito µg
( )
volumen muestra L
( )
1. Análisis químico
22 Ejercicios propuestos y resueltos
Aunque la Normalidad (N) como forma de expresar una concentración esté en desuso,
se describe a continuación, ya que la realidad es que numerosos métodos oficiales de
análisis la utilizan, por lo que es importante saber trabajar con ella.
Normalidad (equivalentes/L):
N=
nº equivalentes soluto analito
( )
volumen disolución L
( )
=
masa soluto g
( )
peso del equivalente g /equivalente
( )
V L
( )
donde:
Peso del equivalente=
masa molar soluto
X
De esta forma:
N=
masa soluto g
( )
masa molar g/mol
( )
X
V L
( )
=
masa soluto g
( )
masa molar g/mol
( )
V L
( )
iX =
nº moles soluto analito
( )
V L
( )
iX →
N=MiX
Dependiendo del tipo de soluto y de si en disolución presenta propiedades ácido-base,
o de oxidación-reducción (redox), etc., ese valor de X difiere. Se describen a continua-
ción algunos ejemplos:
–
– Si el soluto tiene propiedades ácido-base, X es el número H+
u OH-
que es capaz
de intercambiar por mol del compuesto. Por ejemplo:
•
• H2
SO4
→ X=2, ya que este compuesto presenta dos protones intercambiables.
Una disolución H2
SO4
2 N equivale a una disolución 1 M.
•
• HCl, NaOH → X=1, ya que estos compuestos sólo presentan un H+
o un OH-
intercambiable. Por tanto, una disolución HCl 1 N equivale a una disolución
1 M, y una disolución NaOH 1 N equivale a una disolución 1 M.
–
– Si el soluto tiene propiedades redox, X es el número de electrones intercambia-
dos por mol del compuesto. Por ejemplo:
•
• K2
Cr2
O7
→ X=3, ya que este compuesto es un oxidante que cuando actúa como
tal se reduce Cr6+
a Cr3+
, intercambiando 3 electrones por mol de dicromato.
Una disolución de K2
Cr2
O7
3 N equivale, por tanto, a una disolución 1 M.
23
Análisis químico
•
• Fe2+
→ X=1, ya que este compuesto es un reductor que cuando actúa como
tal se oxida a Fe3+
, intercambiando 1 electrón por mol de Fe2+
. Por tanto,
una disolución 1 N de sal de Mohr [Fe(NH4
)2
SO4·6H2
O] equivale a una di-
solución 1 M.
A la hora de llevar a cabo un análisis químico y obtener un resultado fiable, el proceso
de toma de muestra es de vital importancia para que los resultados sean representa-
tivos del análisis propuesto. Por tanto, la finalidad de la toma de muestra es obtener,
a través de una o un conjunto de muestras, una muestra representativa de la entidad
global a analizar, y ello conlleva diseñar previamente un plan de muestreo. El número
de muestras dependerá de la dimensión de la entidad global y de su homogeneidad/
heterogeneidad, aunque en muchas ocasiones está limitado por razones de coste o de
conveniencia.
En el caso de muestras de aguas procedentes de tratamientos de aguas residuales,
hay que tener en cuenta una serie de consideraciones para realizar la toma de mues-
tra, y que ésta sea representativa del global a analizar. Si se trata de un agua en mo-
vimiento y es un sistema abierto (efluentes industriales, etc.), hay que evitar la toma
en puntos superficiales o cerca del fondo, así como zonas de estancamiento. Si es un
agua en movimiento, pero en un sistema cerrado (tuberías en una industria, etc.), es
importante controlar la velocidad de flujo. Si ésta es baja, es decir predomina el flujo
laminar, la velocidad es máxima en el centro del tubo y se va reduciendo al acercarse
a las paredes. En este caso hay que crear una turbulencia antes del punto previsto
para la toma de muestra. Este problema se minimiza para velocidades altas, donde el
flujo ya es turbulento y asegura la homogeneidad de la muestra. La muestra se toma
en sentido opuesto al del flujo del líquido. También una práctica habitual es hacer una
muestra compuesta a partir de muestras recogidas a distintos tiempos.
El número de muestras se establece en el diseño del plan de muestreo, ya que
dependerá de muchos factores: localización de la zona de muestreo y accesibilidad
a los puntos de muestreo, histórico de ese tipo de análisis en ese sistema, número de
muestras asumibles por el laboratorio, presupuesto o coste del análisis, etc. Por tanto,
en cada caso particular hay que diseñar un propio plan de muestreo.
Las aguas residuales deben ser caracterizadas física y químicamente antes de ser
tratadas, así como durante el tratamiento, para evaluar la eficacia de éste y para deter-
minar su calidad final. Esto conlleva el análisis y posterior evaluación de numerosos
contaminantes, como son: sólidos en suspensión, materia orgánica biodegradable, pa-
tógenos, nutrientes, contaminantes prioritarios, materia orgánica refractaria, metales
pesados, sólidos inorgánicos disueltos, etc. Describimos brevemente para algunos de
ellos la importancia de su determinación:
–
– Sólidos en suspensión (SS): dan lugar al desarrollo de depósitos de fango y de
condiciones anaerobias.
–
– Materia orgánica: está compuesta por proteínas, carbohidratos y grasas ani-
males. Se mide mayoritariamente en función de la DBO (demanda biológica de
oxígeno) y de la DQO (demanda química de oxígeno). También puede utilizar-
se el carbono orgánico total (COT). Cuando no se controla, puede llevar al ago-
24 Ejercicios propuestos y resueltos
tamiento de los recursos naturales de oxígeno y al desarrollo de condiciones
sépticas.
–
– Patógenos: transmisión de enfermedades contagiosas.
–
– Nutrientes: el nitrógeno, fósforo y carbono son elementos esenciales para el
crecimiento de la vida acuática, por lo que un exceso en ellos puede provocar
el crecimiento de vida no deseado, pueden provocar la contaminación del agua
subterránea, u originar un problema de eutrofización. Se suelen determinar
como nitratos, nitritos, nitrógeno orgánico, fosfatos y carbono orgánico total.
–
– Contaminantes prioritarios: compuestos orgánicos e inorgánicos determina-
dos en base a sus propiedades cancerígenas, mutagénicas, teratogénicas o toxi-
cidad aguda conocida o sospechada: fluoruros, cianuros, etc.
–
– Materia orgánica refractaria: materia orgánica que tiende a resistir métodos
convencionales biológicos de tratamiento. Por ejemplo: tensoactivos, fenoles o
pesticidas agrícolas, que se determinan de forma individualizada. Algunos de
ellos pueden ser también contaminantes prioritarios.
–
– Metales y metaloides: son frecuentemente añadidos al agua residual proceden-
tes de actividades comerciales e industriales, y deben ser eliminados antes de
la reutilización del agua: Hg, Cd, As, Cu, Fe, Pb, etc.
–
– Sólidos inorgánicos disueltos: el calcio, sodio, sulfatos y carbonatos suelen ser
añadidos al agua dependiendo de su uso, y suele ser necesaria su eliminación
para una reutilización del agua.
Este tipo de determinaciones se realizan en su mayoría mediante técnicas clásicas.
Así la gravimetría es frecuentemente utilizada para analizar sólidos en suspensión,
aceites y grasas, etc., o en el caso de la volumetría, para la determinación de la DQO,
DBO, o para la determinación de nitrógeno, entre otros. No obstante, también el uso
de técnicas instrumentales se hace necesario sobre todo para el análisis de contami-
nantes que se encuentran en concentraciones a nivel de trazas o inferiores (mg/L,
µg/L), como son algunos metales (Hg, Cd, etc.), y para los cuales es habitual emplear
técnicas como la espectroscopia de absorción atómica con llama (FAAS) o cámara
de grafito (GFAAS), o el plasma de acoplamiento inductivo acoplado a un detector de
emisión atómica (ICP-OES) o a un espectrómetro de masas (ICP-MS), entre otras. De
igual forma, el análisis de componentes aniónicos, como fosfatos, etc., se puede llevar a
cabo a través de técnicas espectroscópicas moleculares, o el análisis de ácidos grasos,
por ejemplo, que precisa del empleo de técnicas de separación, como son las técnicas
cromatográficas con diferentes detectores. Por otro lado, parámetros físicoquímicos,
como la turbidez, conductividad, pH, etc., emplean técnicas como la turbidimetría, co-
lorimetría, potenciometría, polarografía, etc. En el siguiente cuadro se resumen tanto
los posibles componentes objeto de análisis en un agua residual como algunas de las
técnicas de análisis más frecuentes empleadas para su determinación. La determina-
ción de algunos de estos parámetros es objeto de algunas de las prácticas de laborato-
rio del segundo bloque de este libro.
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  • 4. © Dextra Editorial S. L. c/ Arroyo de Fontarrón, 271, 28030 Madrid Teléfono: 91 773 37 10 info@dextraeditorial.com Reservados todos los derechos. Está prohibido, bajo las sanciones penales y el resarcimien- to civil previstos en las leyes, reproducir, registrar o transmitir esta publicación, íntegra o parcialmente por cualquier sistema de recuperación y por cualquier medio, sea mecánico, electrónico, magnético, electroóptico, por fotocopia o por cualquier otro, sin la autorización expresa por escrito de Dextra Editorial, S. L. ISBN: 978-84-16898-50-3 Depósito Legal: M-2081-2018 Impreso en España-Printed in Spain © Rubén Miranda Carreño, Mercedes Oliet Palá, Mª Teresa Pérez Corona, Mª Virginia Alonso Rubio, Yolanda Madrid Albarrán, Juan Carlos Domínguez Toribio y Patricia García Gómez Diseño de cubierta y maquetación: Lettera63. Diseño editorial Imagen de cubierta: <a href=’https://es.123rf.com/profile_mariuszszczy- giel’>mariuszszczygiel / 123RF Foto de archivo</a> Consulte la página www.dextraeditorial.com Diseño de cubierta: ©TheIdeas · www.ideasjc.net Edición al cuidado de © Guillermo Bodega Magro (coord..), Julio Bodega Magro, Julia Carracedo Añón, Sergio Ciordia Higuera, Elsa Cisneros Niño, José Luis Copa Patiño, Juan Manuel González-Triguero, Raquel R. Gragera Martínez, Yolanda Loarce Tejada, Luis Andrés López Fernández, José Antonio Lópe García, Alberto Paradela Elizalde, Joaquín Plumet Ortega, Lilian Puebla Jiménez, Manuel Rafael Ramírez Chamond, Iván Rivera Arconada, Carolina Roza Fernández de Caleya © Dextra Editorial S. L. c/ Arroyo de Fontarrón, 271, 28030 Madrid Teléfono: 91 773 37 10 Reservados todos los derechos. Está prohibido, bajo las sanciones penales y el resarcimiento civil previstos en las leyes, reproducir, registrar transmitir esta publicación, íntegra o parcialmente por cualquier sistema de recuperación y por cualquier medio, sea mecánico, electrónico magnético, electroóptico, por fotocopia o por cualquier otro, sin la autorización expresa por escrito de Dextra Editorial, S. L. ISBN 978-84-16277-45-2 Depósito legal: M-12984-2015 Impreso en España–Printed in Spain Lettera63. Diseño editorial © Dextra Editorial S. L. c/ Arroyo de Fontarrón, 271, 28030 Madrid Teléfono: 91 773 37 10 info@dextraeditorial.com Reservados todos los derechos. Está prohibido, bajo las sanciones penales y el resarcimiento civil previstos en las leyes, reproducir, registrar o transmitir esta publicación, íntegra o parcialmente por cualquier sistema de recuperación y por cualquier medio, sea mecánico, electrónico, magnético, electroóptico, por fotocopia o por cualquier otro, sin la autorización expresa por escrito de Dextra Editorial, S. L. ISBN: 978-84-16277-83-4 Depósito Legal: M-23671-2016 Impreso en España-Printed in Spain © Rafael Rotger Anglada, Mercedes Martínez Grueiro Edición a cargo de Diseño de portada: Álvaro Molina Rollano
  • 5. Prólogo Los autores de este libro somos un grupo de profesores de los Departamentos de Inge- niería Química y de Química Analítica de la Universidad Complutense de Madrid quienes, a raíz de un proyecto de innovación educativa, decidimos elaborar un libro con una co- lección de ejercicios prácticos resueltos en el área del tratamiento de aguas residuales y potables. Estos ejercicios se complementan, además, con una colección de prácticas de laboratorio, centradas fundamentalmente en el análisis y caracterización de aguas. De forma aproximada, el bloque de ejercicios constituye algo más del 80% del libro mientras que el bloque de prácticas de laboratorio un poco menos del 20%. El bloque de ejercicios incluye una serie de problemas resueltos de creciente nivel de dificultad que se completan con otros propuestos (en los que sólo se da la solución final). Al inicio de cada capítulo se hace una breve introducción teórica, donde se presentan los conceptos teóricos más importantes y las ecuaciones o modelos que se van a utilizar en su resolución. Dependiendo de la complejidad de los cálculos en cada capítulo, esta introducción será más o menos extensa, pero siempre será suficiente como para resolver los ejercicios sin necesitar de otras fuentes bibliográficas. Al final de los capítulos se han incluido también una serie de cuadros y datos de referencia que recogen los principales parámetros de diseño para los diferentes tratamientos estudiados. Estos datos son básicos tanto para resolver los ejercicios propuestos como para analizar y discutir los resultados obtenidos. Además, permiten usar la presente obra como libro de referencia para resolver ejercicios prácticos adicionales. En este bloque hay un total de dieciséis capítulos que incluyen ejercicios de cálculo de los tratamientos más habituales de depuración de aguas, así como el tratamiento de los lodos generados durante dicha depuración. Además, se ha dedicado un primer capítulo al análisis químico, en el que se revisan los parámetros más importantes utilizados en la caracterización de las aguas. Los capítulos se estructuran de la siguiente forma: – – Análisis químico. – – Pre-tratamiento. – – Tratamiento primario, y coagulación-floculación. – – Tratamientos secundarios: lodos activos, eliminación biológica de nutrientes, filtros percoladores aerobios, contactares biológicos rotativos (RBC) y tratamientos anae- robios (filtros percoladores y reactores UASB).
  • 6. 6 Tratamiento de aguas residuales y potables – – Tratamientos terciarios: precipitación química, filtración granular, adsorción, filtra- ción con membranas, intercambio iónico y procesos de oxidación avanzada. – – Tratamiento de lodos: espesamiento, estabilización y acondicionamiento y deshi- dratación. Por otra parte, el bloque de prácticas consiste en una colección de guiones de prácticas de laboratorio cuyo objetivo principal es el análisis de la calidad de un agua. En total son nueve prácticas, que incluyen la determinación de los parámetros analíticos más impor- tantes para la caracterización de un agua: contenido en sólidos (suspensión, disueltos y totales), demanda química de oxígeno, alcalinidad, cloruros, sulfatos, metales (cinc), ortofosfatos y nitrógeno Kjeldahl, más una práctica relacionada con el estudio de la coa- gulación-floculación y su aplicación a la sedimentación. La principal novedad del libro es el enfoque práctico que se le ha dado. Aunque hay un buen número de libros dedicados al tratamiento de aguas residuales o potables, el número de ejercicios prácticos de cálculo incluidos en estos manuales suele ser limitado. A pesar de que los estudiantes aprenden los conceptos teóricos de forma adecuada con esos libros, nuestra experiencia docente nos indica que después no saben aplicar correc- tamente los conceptos teóricos aprendidos para diseñar los correspondientes tratamien- tos de depuración, que, por otra parte, puede ser el principal cometido en su actividad profesional. En este sentido, la presente colección de ejercicios prácticos resueltos pre- tende ayudar a los estudiantes a afianzar los conceptos teóricos aprendidos y permitirles resolver problemas de diseño típicos en el ámbito de la depuración de aguas. También puede servir como material de apoyo a los docentes interesados en preparar seminarios prácticos dentro de sus asignaturas. La introducción teórica y la colección de cuadros y datos de referencia que incluye cada capítulo pretenden, además, aportar un mayor valor añadido al libro. De esta forma, todos los conceptos que se aplican en los ejercicios están adecuadamente explicados en la intro- ducción teórica, y las cuadros y datos de referencia incluidos pueden utilizarse tanto para conocer las condiciones habituales de operación y diseño, como para para resolver cual- quier otro ejercicio que se les pudiera plantear. De este modo, el libro no es una simple colección de ejercicios resueltos, sino que pretende ser un material completo en sí mismo. El público objetivo de este libro es muy amplio. La ingeniería ambiental, y la gestión y el tratamiento de aguas en particular, es un área transversal de interés en un buen número de titulaciones universitarias. Algunas de ellas son, por ejemplo, la Ingeniería Química, la Química, la Ingeniería Civil, las Ciencias Ambientales, la Biología y la Bioquímica o la Cien- cia y Tecnología de los Alimentos. Además, también puede utilizarse en diferentes asigna- turas de másteres relacionados con las titulaciones anteriormente mencionadas como el Máster en Ingeniería Química, el Máster de Ingeniería de Caminos, Canales y Puertos, el Máster de Ingeniería Ambiental, el Máster en Gestión Integral del Agua, etc. Dependiendo de los temas de interés para cada asignatura o programa, se pueden elegir ciertos capítu- los de la sección de ejercicios resueltos, y dentro de ellos, dependiendo de la profundidad con que quieran tratarse, seleccionarse los ejercicios de mayor o menor complejidad. Asi- mismo, dependiendo de la disponibilidad de espacios y/o equipamiento de laboratorio, se puede completar la formación de los estudiantes mediante la realización de algunas de las prácticas de laboratorio propuestas. LOS AUTORES
  • 7. Índice I. ejercicios resueltos y propuestos ������������������������������������� 17 1. Análisis químico ������������������������������������������������������������������������������������ 21 Introducción ������������������������������������������������������������������������������������������� 21 Ejercicios resueltos ��������������������������������������������������������������������������������� 26 Ejercicio 1.1 ������������������������������������������������������������������������������������������������� 26 Ejercicio 1.2 ���������������������������������������������������������������������������������������������������27 Ejercicio 1.3 �������������������������������������������������������������������������������������������������� 31 Ejercicio 1.4 �������������������������������������������������������������������������������������������������� 33 Ejercicio 1.5 �������������������������������������������������������������������������������������������������� 33 Ejercicio 1.6 ������������������������������������������������������������������������������������������������� 36 Ejercicio 1.7 �������������������������������������������������������������������������������������������������� 39 Ejercicios propuestos ������������������������������������������������������������������������������ 41 Ejercicio 1.8 ��������������������������������������������������������������������������������������������������41 Ejercicio 1.9 �������������������������������������������������������������������������������������������������� 41 Cuadros y datos de referencia �����������������������������������������������������������������42 2. Pre-tratamiento ������������������������������������������������������������������������������������ 43 Introducción ������������������������������������������������������������������������������������������� 43 Desbaste ������������������������������������������������������������������������������������������������������ 43 Desarenado ������������������������������������������������������������������������������������������������� 44 Caudales de tratamiento ����������������������������������������������������������������������������� 45
  • 8. 8 Tratamiento de aguas residuales y potables Ejercicios resueltos ��������������������������������������������������������������������������������� 46 Ejercicio 2.1 ������������������������������������������������������������������������������������������������� 46 Ejercicio 2.2 ������������������������������������������������������������������������������������������������ 47 Ejercicio 2.3 ������������������������������������������������������������������������������������������������ 48 Ejercicio 2.4 ������������������������������������������������������������������������������������������������ 48 Ejercicio 2.5 ������������������������������������������������������������������������������������������������ 49 Ejercicio 2.6 ������������������������������������������������������������������������������������������������� 50 Ejercicios propuestos ������������������������������������������������������������������������������ 51 Ejercicio 2.7 ������������������������������������������������������������������������������������������������ 51 Ejercicio 2.8 ������������������������������������������������������������������������������������������������ 52 Ejercicio 2.9 ������������������������������������������������������������������������������������������������� 52 Cuadros y datos de referencia ������������������������������������������������������������ 53 3. Tratamiento primario ��������������������������������������������������������������������������� 55 Introducción ������������������������������������������������������������������������������������������� 55 Ejercicios resueltos ��������������������������������������������������������������������������������� 57 Ejercicio 3.1 ������������������������������������������������������������������������������������������������� 57 Ejercicio 3.2 �������������������������������������������������������������������������������������������������� 57 Ejercicio 3.3 �������������������������������������������������������������������������������������������������� 58 Ejercicio 3.4 �������������������������������������������������������������������������������������������������� 59 Ejercicios propuestos ������������������������������������������������������������������������������ 60 Ejercicio 3.5 �������������������������������������������������������������������������������������������������� 60 Ejercicio 3.6 �������������������������������������������������������������������������������������������������� 60 Ejercicio 3.7 �������������������������������������������������������������������������������������������������� 61 Ejercicio 3.8 �������������������������������������������������������������������������������������������������� 62 Cuadros y datos de referencia ����������������������������������������������������������������� 62 4. Coagulación-floculación ����������������������������������������������������������������������� 63 Introducción ������������������������������������������������������������������������������������������� 63 Coagulación-floculación ������������������������������������������������������������������������������ 63 Tipos de coagulantes y floculantes más utilizados �������������������������������������� 64 Agitación y mezcla ��������������������������������������������������������������������������������������� 65 Ejercicios resueltos ��������������������������������������������������������������������������������� 66 Ejercicio 4.1 �������������������������������������������������������������������������������������������������� 66 Ejercicio 4.2 �������������������������������������������������������������������������������������������������� 66 Ejercicio 4.3 �������������������������������������������������������������������������������������������������� 67
  • 9. 9 Índice Ejercicio 4.4 �������������������������������������������������������������������������������������������������� 68 Ejercicio 4.5 �������������������������������������������������������������������������������������������������� 69 Ejercicios propuestos ������������������������������������������������������������������������������ 71 Ejercicio 4.6 �������������������������������������������������������������������������������������������������� 71 Ejercicio 4.7 �������������������������������������������������������������������������������������������������� 72 Ejercicio 4.8 �������������������������������������������������������������������������������������������������� 72 Ejercicio 4.9 �������������������������������������������������������������������������������������������������� 72 Ejercicio 4.10 ������������������������������������������������������������������������������������������������ 73 Ejercicio 4.11 ������������������������������������������������������������������������������������������������ 73 Cuadros y datos de referencia ����������������������������������������������������������������� 74 5. Lodos activos ����������������������������������������������������������������������������������������� 75 Introducción ������������������������������������������������������������������������������������������� 75 Generalidades ���������������������������������������������������������������������������������������������� 75 Fundamentos de crecimiento bacteriano ���������������������������������������������������� 76 Distribución de los sólidos biológicos en el tratamiento ������������������������������ 78 Producción de lodos biológicos �������������������������������������������������������������������� 78 Requerimientos de oxígeno ������������������������������������������������������������������������� 80 Requerimientos de nitrógeno y fósforo �������������������������������������������������������� 80 Parámetros de operación y variables fundamentales ��������������������������������� 81 Ecuaciones de diseño en sistemas de lodos activos ������������������������������������� 83 Ejercicios resueltos ��������������������������������������������������������������������������������� 85 Ejercicio 5.1 �������������������������������������������������������������������������������������������������� 85 Ejercicio 5.2 �������������������������������������������������������������������������������������������������� 86 Ejercicio 5.3 �������������������������������������������������������������������������������������������������� 86 Ejercicio 5.4 �������������������������������������������������������������������������������������������������� 87 Ejercicio 5.6 ������������������������������������������������������������������������������������������������� 91 Ejercicio 5.7�������������������������������������������������������������������������������������������������� 95 Ejercicio 5.8 �������������������������������������������������������������������������������������������������� 97 Ejercicio 5.9 �������������������������������������������������������������������������������������������������� 98 Ejercicio 5.10 ���������������������������������������������������������������������������������������������� 102 Ejercicio 5.11 ���������������������������������������������������������������������������������������������� 104 Ejercicio 5.12 ���������������������������������������������������������������������������������������������� 105 Ejercicios propuestos ���������������������������������������������������������������������������� 107 Ejercicio 5.13 ���������������������������������������������������������������������������������������������� 107 Ejercicio 5.14 ���������������������������������������������������������������������������������������������� 107 Ejercicio 5.15 ���������������������������������������������������������������������������������������������� 108 Cuadros y datos de referencia ��������������������������������������������������������������� 108
  • 10. 10 Tratamiento de aguas residuales y potables 6. Eliminación biológica de nutrientes ��������������������������������������������������� 113 Introducción������������������������������������������������������������������������������������������ 113 Eliminación de nitrógeno ��������������������������������������������������������������������������� 113 Eliminación de fosfatos ������������������������������������������������������������������������������ 117 Ejercicios resueltos ������������������������������������������������������������������������������� 118 Ejercicio 6.1 ������������������������������������������������������������������������������������������������ 118 Ejercicio 6.2 ������������������������������������������������������������������������������������������������ 120 Ejercicio 6.3 ������������������������������������������������������������������������������������������������ 122 Ejercicio 6.4 ������������������������������������������������������������������������������������������������ 123 Ejercicio 6.5 ������������������������������������������������������������������������������������������������ 128 Ejercicio 6.6 ������������������������������������������������������������������������������������������������ 129 Ejercicios propuestos ���������������������������������������������������������������������������� 131 Ejercicio 6.7 ������������������������������������������������������������������������������������������������ 131 Ejercicio 6.8 ������������������������������������������������������������������������������������������������ 133 Ejercicio 6.9 ������������������������������������������������������������������������������������������������ 133 Cuadros y datos de referencia ��������������������������������������������������������������� 134 7. Filtros percoladores aerobios ������������������������������������������������������������� 137 Introducción ����������������������������������������������������������������������������������������� 137 Generalidades �������������������������������������������������������������������������������������������� 137 Criterios de diseño y operación ������������������������������������������������������������������ 137 Modelos de eliminación de DBO ���������������������������������������������������������������� 138 Modelos de eliminación simultánea de DBO y materia nitrogenada��������� 140 Ejercicios resueltos ������������������������������������������������������������������������������� 141 Ejercicio 7.1 ������������������������������������������������������������������������������������������������ 141 Ejercicio 7.2 ������������������������������������������������������������������������������������������������ 142 Ejercicio 7.3 ������������������������������������������������������������������������������������������������ 142 Ejercicio 7.4 ������������������������������������������������������������������������������������������������ 146 Ejercicio 7.5 ������������������������������������������������������������������������������������������������ 147 Ejercicio 7.6 ������������������������������������������������������������������������������������������������ 150 Ejercicio 7.7 ������������������������������������������������������������������������������������������������ 151 Ejercicios propuestos ���������������������������������������������������������������������������� 153 Ejercicio 7.8 ������������������������������������������������������������������������������������������������ 153 Ejercicio 7.9 ������������������������������������������������������������������������������������������������ 154 Ejercicio 7.10 ���������������������������������������������������������������������������������������������� 154 Ejercicio 7.11 ���������������������������������������������������������������������������������������������� 154 Cuadros y datos de referencia ��������������������������������������������������������������� 155
  • 11. 11 Índice 8. Contactores biológicos rotativos ���������������������������������������������������������� 159 Introducción ����������������������������������������������������������������������������������������� 159 Ejercicios resueltos ������������������������������������������������������������������������������� 160 Ejercicio 8.1������������������������������������������������������������������������������������������������ 160 Ejercicio 8.2 ������������������������������������������������������������������������������������������������ 161 Ejercicio 8.3 ������������������������������������������������������������������������������������������������ 162 Ejercicio 8.4 ������������������������������������������������������������������������������������������������ 165 Ejercicios propuestos ���������������������������������������������������������������������������� 167 Ejercicio 8.5 ������������������������������������������������������������������������������������������������ 167 Ejercicio 8.6 ����������������������������������������������������������������������������������������������� 168 Cuadros y datos de referencia ��������������������������������������������������������������� 168 9. Tratamientos biológicos anaerobios: filtros anaerobios y reactores UASB ������������������������������������������������������� 171 Introducción ����������������������������������������������������������������������������������������� 171 Diseño de filtros anaerobios ���������������������������������������������������������������������� 172 Diseño de reactores UASB �������������������������������������������������������������������������� 173 Ejercicios resueltos ������������������������������������������������������������������������������� 176 Ejercicio 9.1 ������������������������������������������������������������������������������������������������ 176 Ejercicio 9.2 ����������������������������������������������������������������������������������������������� 178 Ejercicio 9.3 ������������������������������������������������������������������������������������������������ 179 Ejercicios propuestos ���������������������������������������������������������������������������� 183 Ejercicio 9.4 ������������������������������������������������������������������������������������������������ 183 Ejercicio 9.5 ������������������������������������������������������������������������������������������������ 183 Cuadros y datos de referencia ��������������������������������������������������������������� 184 10. Precipitación química �������������������������������������������������������������������������� 187 Introducción ����������������������������������������������������������������������������������������� 187 Eliminación de calcio y magnesio: ablandamiento de agua ���������������������� 188 Precipitación de fosfatos ���������������������������������������������������������������������������� 191 Precipitación de metales pesados �������������������������������������������������������������� 192 Ejercicios resueltos ������������������������������������������������������������������������������� 193 Ejercicio 10.1 ���������������������������������������������������������������������������������������������� 193 Ejercicio 10.2 ���������������������������������������������������������������������������������������������� 195 Ejercicio 10.3 ���������������������������������������������������������������������������������������������� 199
  • 12. 12 Tratamiento de aguas residuales y potables Ejercicio 10.4 ���������������������������������������������������������������������������������������������� 201 Ejercicio 10.5 ���������������������������������������������������������������������������������������������� 203 Ejercicio 10.6 ���������������������������������������������������������������������������������������������� 204 Ejercicios propuestos ���������������������������������������������������������������������������� 207 Ejercicio 10.8 ���������������������������������������������������������������������������������������������� 207 Ejercicio 10.9 ���������������������������������������������������������������������������������������������� 208 Ejercicio 10.10 �������������������������������������������������������������������������������������������� 208 11. Filtración granular ������������������������������������������������������������������������������� 209 Introducción ����������������������������������������������������������������������������������������� 209 Criterios de diseño y variables de operación ��������������������������������������������� 210 Ejercicios resueltos ������������������������������������������������������������������������������� 213 Ejercicio 11.1 ���������������������������������������������������������������������������������������������� 213 Ejercicio 11.2 ���������������������������������������������������������������������������������������������� 213 Ejercicio 11.3 ���������������������������������������������������������������������������������������������� 214 Ejercicio 11.4 ���������������������������������������������������������������������������������������������� 216 Ejercicio 11.5 ���������������������������������������������������������������������������������������������� 216 Ejercicio 11.6 ���������������������������������������������������������������������������������������������� 219 Ejercicio 11.7 ���������������������������������������������������������������������������������������������� 221 Ejercicios propuestos ���������������������������������������������������������������������������� 222 Ejercicio 11.8 ���������������������������������������������������������������������������������������������� 222 Ejercicio 11.9 ���������������������������������������������������������������������������������������������� 223 Cuadros y datos de referencia ��������������������������������������������������������������� 224 12. Adsorción ��������������������������������������������������������������������������������������������� 229 Introducción ����������������������������������������������������������������������������������������� 229 Isotermas de adsorción ������������������������������������������������������������������������������ 230 Consideraciones de diseño y operación ����������������������������������������������������� 231 Capacidad y tiempo de agotamiento ��������������������������������������������������������� 232 Tasa de uso de carbón ������������������������������������������������������������������������������� 233 Ejercicios resueltos ��������������������������������������������������������������������������������������� 234 Ejercicio 12.1 ���������������������������������������������������������������������������������������������� 234 Ejercicio 12.2 ���������������������������������������������������������������������������������������������� 235 Ejercicio 12.3 ���������������������������������������������������������������������������������������������� 236 Ejercicio 12.4 ���������������������������������������������������������������������������������������������� 239 Ejercicio 12.5 ���������������������������������������������������������������������������������������������� 240 Ejercicio 12.6 ���������������������������������������������������������������������������������������������� 242
  • 13. 13 Índice Ejercicios propuestos ���������������������������������������������������������������������������� 245 Ejercicio 12.7 ���������������������������������������������������������������������������������������������� 245 Ejercicio 12.8 ���������������������������������������������������������������������������������������������� 246 Ejercicio 12.9 ��������������������������������������������������������������������������������������������� 246 Ejercicio 12.10 �������������������������������������������������������������������������������������������� 246 Ejercicio 12.11 �������������������������������������������������������������������������������������������� 247 Cuadros y datos de referencia ��������������������������������������������������������������� 247 13. Filtración con membranas ������������������������������������������������������������������� 249 Introducción ����������������������������������������������������������������������������������������� 249 Parámetros de operación y de diseño �������������������������������������������������������� 250 Ejercicios resueltos ������������������������������������������������������������������������������� 253 Ejercicio 13.1 ���������������������������������������������������������������������������������������������� 253 Ejercicio 13.2 ���������������������������������������������������������������������������������������������� 254 Ejercicio 13.3 ��������������������������������������������������������������������������������������������� 255 Ejercicio 13.4 ���������������������������������������������������������������������������������������������� 257 Ejercicios propuestos ���������������������������������������������������������������������������� 258 Ejercicio 13.5 ���������������������������������������������������������������������������������������������� 258 Ejercicio 13.6 ���������������������������������������������������������������������������������������������� 259 Ejercicio 13.7 ���������������������������������������������������������������������������������������������� 259 Cuadros y datos de referencia ��������������������������������������������������������������� 260 14. Interambio iónico �������������������������������������������������������������������������������� 261 Introducción ����������������������������������������������������������������������������������������� 262 Capacidad de intercambio y selectividad de las resinas ���������������������������� 262 Parámetros de diseño y operación ������������������������������������������������������������ 263 Ejercicios resueltos ������������������������������������������������������������������������������� 265 Ejercicio 14.1 ���������������������������������������������������������������������������������������������� 265 Ejercicio 14.2 ���������������������������������������������������������������������������������������������� 265 Ejercicio 14.3 ���������������������������������������������������������������������������������������������� 267 Ejercicio 14.4 ���������������������������������������������������������������������������������������������� 268 Ejercicio 14.5 ���������������������������������������������������������������������������������������������� 271 Ejercicio 14.6 ���������������������������������������������������������������������������������������������� 272 Ejercicio 14.7 ���������������������������������������������������������������������������������������������� 274 Ejercicios propuestos ���������������������������������������������������������������������������� 275 Ejercicio 14.8 ���������������������������������������������������������������������������������������������� 275
  • 14. 14 Tratamiento de aguas residuales y potables Ejercicio 14.9 ���������������������������������������������������������������������������������������������� 276 Ejercicio 14.10 ������������������������������������������������������������������������������������������� 276 Ejercicio 14.11 ������������������������������������������������������������������������������������������� 276 Cuadros y datos de referencia ��������������������������������������������������������������� 277 15. Procesos avanzados de oxidación ������������������������������������������������������� 281 Introducción ����������������������������������������������������������������������������������������� 281 Procesos Fenton (Fe2+ /H2 O2 ) ����������������������������������������������������������������������� 282 UV/Peróxido de hidrógeno ������������������������������������������������������������������������� 282 Ozono/UV �������������������������������������������������������������������������������������������������� 282 Ejercicios resueltos ������������������������������������������������������������������������������� 283 Ejercicio 15.1 ���������������������������������������������������������������������������������������������� 283 Ejercicio 15.2 ���������������������������������������������������������������������������������������������� 284 Ejercicio 15.3 ���������������������������������������������������������������������������������������������� 284 Ejercicio 15.4 ���������������������������������������������������������������������������������������������� 286 Ejercicio 15.5 ���������������������������������������������������������������������������������������������� 288 Ejercicios propuestos ���������������������������������������������������������������������������� 290 Ejercicio 15.6 ���������������������������������������������������������������������������������������������� 290 Ejercicio 15.7 ���������������������������������������������������������������������������������������������� 290 16. Tratamiento de lodos �������������������������������������������������������������������������� 291 Introducción ����������������������������������������������������������������������������������������� 291 Ejercicios resueltos ������������������������������������������������������������������������������� 293 Espesamiento de lodos �������������������������������������������������������������������������� 293 Ejercicio 16.1 ��������������������������������������������������������������������������������������������� 293 Ejercicio 16.2 ���������������������������������������������������������������������������������������������� 294 Ejercicio 16.3 ���������������������������������������������������������������������������������������������� 295 Ejercicio 16.4 ���������������������������������������������������������������������������������������������� 298 Ejercicio 16.5 ���������������������������������������������������������������������������������������������� 299 Ejercicio 16.6 ���������������������������������������������������������������������������������������������� 301 Ejercicio 16.7 ���������������������������������������������������������������������������������������������� 302 Estabilización de lodos �������������������������������������������������������������������������� 304 Ejercicio 16.8 ���������������������������������������������������������������������������������������������� 304 Ejercicio 16.9���������������������������������������������������������������������������������������������� 306 Ejercicio 16.10 �������������������������������������������������������������������������������������������� 309 Ejercicio 16.11 �������������������������������������������������������������������������������������������� 311
  • 15. 15 Índice Ejercicio 16.12 �������������������������������������������������������������������������������������������� 313 Ejercicio 16.13 �������������������������������������������������������������������������������������������� 314 Acondicionamiento, deshidratación y secado ���������������������������������������� 315 Ejercicio 16.14 �������������������������������������������������������������������������������������������� 315 Ejercicio 16.15 �������������������������������������������������������������������������������������������� 317 Líneas de tratamiento de lodos completas �������������������������������������������� 319 Ejercicio 16.16 �������������������������������������������������������������������������������������������� 319 Ejercicio 16.17 �������������������������������������������������������������������������������������������� 325 Ejercicios propuestos ��������������������������������������������������������������������������� 327 Ejercicio 16.18 �������������������������������������������������������������������������������������������� 327 Ejercicio 16.19 �������������������������������������������������������������������������������������������� 327 Ejercicio 16.20 �������������������������������������������������������������������������������������������� 328 Ejercicio 16.21 �������������������������������������������������������������������������������������������� 328 Cuadros y datos de referencia ��������������������������������������������������������������� 329 II. PRÁCTICAS DE LABORATORIO ������������������������������������������������������������� 337 Práctica 1. Determinación de los sólidos totales, en suspensión, disueltos, fijos y volátiles de un agua ������������������������������������������������� 341 Practica 2. Determinación de la demanda química de oxígeno de un agua residual ��������������������������������������������������� 347 Práctica 3. Determinación de la alcalinidad de un agua ��������������������� 353 Práctica 4. Determinación de cloruros en aguas residuales ��������������� 359 Práctica 5. Determinación de sulfatos en aguas residuales ��������������� 363 Práctica 6. Determinación de cinc en aguas por espectrofotometría de absorción atómica de llama �������������������� 369 Práctica 7. Determinación espectrofotométrica de ortofosfatos en aguas ��������������������������������������������������������������������� 375 Práctica 8. Determinación de nitrógeno amoniacal y orgánico en aguas residuales (método Kjeldhal) ����������������������������� 381 Práctica 9. Proceso de coagulación-floculación aplicado a la sedimentación de un agua residual ���������������������������������������������� 387 Bibliografía �������������������������������������������������������������������������������������������� 395
  • 16.
  • 18.
  • 19. En esta sección se recoge una colección de ejercicios resueltos y propuestos (sólo con la solución final) para cada uno de los capítulos en los que se ha dividido el libro: – – Análisis químico (Capítulo 1). – – Pre-tratamiento y tratamiento primario: • • Pre-tratamiento (Capítulo 2). • • Tratamiento primario (Capítulo 3). • • Coagulación-floculación (Capítulo 4). – – Tratamientos biológicos: • • Lodos activos (Capítulo 5) • • Eliminación biológica de nutrientes (Capítulo 6). • • Filtros percoladores aerobios (Capítulo 7). • • Contactores biológicos rotativos (Capítulo 8). • • Tratamientos anaerobios: filtros anaerobios y reactores UASB (Capítulo 9). – – Tratamientos terciarios y avanzados: • • Ablandamiento y precipitación de metales (Capítulo 10). • • Filtración granular (Capítulo 11). • • Adsorción (Capítulo 12). • • Filtración con membranas (Capítulo 13). • • Intercambio iónico (Capítulo 14). • • Procesos avanzados de oxidación (Capítulo 15). – – Tratamiento de lodos (Capítulo 16). Además de los ejercicios de cada uno de los temas, resueltos y propuestos, tam- bién se ha incluido una breve introducción inicial de cada uno de los tratamientos y una colección final de cuadros y datos de referencia de utilidad en la resolución de los ejercicios.
  • 20.
  • 21. Introducción El objetivo del análisis químico es proporcionar un resultado del contenido o con- centración del analito (elemento, compuesto o sustancia) de interés en la muestra a analizar, expresado de forma adecuada para su posterior evaluación. Las formas más frecuentes de expresar la concentración de un elemento, compuesto o sustancia quí- mica en una muestra de agua son las siguientes: Molaridad (mol/L): M= nº moles soluto analito ( ) volumen disolución L ( ) = masa soluto g ( ) masa molar soluto g /mol ( ) V L ( ) Porcentaje (%) (masa/volumen): %= masa analito g ( ) volumen muestra mL ( ) 100 Partes por millón, ppm, (masa/volumen): ppm = masa analito mg ( ) volumen muestra L ( ) Partes por billón, ppb, (masa/volumen): ppb= masa analito µg ( ) volumen muestra L ( ) 1. Análisis químico
  • 22. 22 Ejercicios propuestos y resueltos Aunque la Normalidad (N) como forma de expresar una concentración esté en desuso, se describe a continuación, ya que la realidad es que numerosos métodos oficiales de análisis la utilizan, por lo que es importante saber trabajar con ella. Normalidad (equivalentes/L): N= nº equivalentes soluto analito ( ) volumen disolución L ( ) = masa soluto g ( ) peso del equivalente g /equivalente ( ) V L ( ) donde: Peso del equivalente= masa molar soluto X De esta forma: N= masa soluto g ( ) masa molar g/mol ( ) X V L ( ) = masa soluto g ( ) masa molar g/mol ( ) V L ( ) iX = nº moles soluto analito ( ) V L ( ) iX → N=MiX Dependiendo del tipo de soluto y de si en disolución presenta propiedades ácido-base, o de oxidación-reducción (redox), etc., ese valor de X difiere. Se describen a continua- ción algunos ejemplos: – – Si el soluto tiene propiedades ácido-base, X es el número H+ u OH- que es capaz de intercambiar por mol del compuesto. Por ejemplo: • • H2 SO4 → X=2, ya que este compuesto presenta dos protones intercambiables. Una disolución H2 SO4 2 N equivale a una disolución 1 M. • • HCl, NaOH → X=1, ya que estos compuestos sólo presentan un H+ o un OH- intercambiable. Por tanto, una disolución HCl 1 N equivale a una disolución 1 M, y una disolución NaOH 1 N equivale a una disolución 1 M. – – Si el soluto tiene propiedades redox, X es el número de electrones intercambia- dos por mol del compuesto. Por ejemplo: • • K2 Cr2 O7 → X=3, ya que este compuesto es un oxidante que cuando actúa como tal se reduce Cr6+ a Cr3+ , intercambiando 3 electrones por mol de dicromato. Una disolución de K2 Cr2 O7 3 N equivale, por tanto, a una disolución 1 M.
  • 23. 23 Análisis químico • • Fe2+ → X=1, ya que este compuesto es un reductor que cuando actúa como tal se oxida a Fe3+ , intercambiando 1 electrón por mol de Fe2+ . Por tanto, una disolución 1 N de sal de Mohr [Fe(NH4 )2 SO4·6H2 O] equivale a una di- solución 1 M. A la hora de llevar a cabo un análisis químico y obtener un resultado fiable, el proceso de toma de muestra es de vital importancia para que los resultados sean representa- tivos del análisis propuesto. Por tanto, la finalidad de la toma de muestra es obtener, a través de una o un conjunto de muestras, una muestra representativa de la entidad global a analizar, y ello conlleva diseñar previamente un plan de muestreo. El número de muestras dependerá de la dimensión de la entidad global y de su homogeneidad/ heterogeneidad, aunque en muchas ocasiones está limitado por razones de coste o de conveniencia. En el caso de muestras de aguas procedentes de tratamientos de aguas residuales, hay que tener en cuenta una serie de consideraciones para realizar la toma de mues- tra, y que ésta sea representativa del global a analizar. Si se trata de un agua en mo- vimiento y es un sistema abierto (efluentes industriales, etc.), hay que evitar la toma en puntos superficiales o cerca del fondo, así como zonas de estancamiento. Si es un agua en movimiento, pero en un sistema cerrado (tuberías en una industria, etc.), es importante controlar la velocidad de flujo. Si ésta es baja, es decir predomina el flujo laminar, la velocidad es máxima en el centro del tubo y se va reduciendo al acercarse a las paredes. En este caso hay que crear una turbulencia antes del punto previsto para la toma de muestra. Este problema se minimiza para velocidades altas, donde el flujo ya es turbulento y asegura la homogeneidad de la muestra. La muestra se toma en sentido opuesto al del flujo del líquido. También una práctica habitual es hacer una muestra compuesta a partir de muestras recogidas a distintos tiempos. El número de muestras se establece en el diseño del plan de muestreo, ya que dependerá de muchos factores: localización de la zona de muestreo y accesibilidad a los puntos de muestreo, histórico de ese tipo de análisis en ese sistema, número de muestras asumibles por el laboratorio, presupuesto o coste del análisis, etc. Por tanto, en cada caso particular hay que diseñar un propio plan de muestreo. Las aguas residuales deben ser caracterizadas física y químicamente antes de ser tratadas, así como durante el tratamiento, para evaluar la eficacia de éste y para deter- minar su calidad final. Esto conlleva el análisis y posterior evaluación de numerosos contaminantes, como son: sólidos en suspensión, materia orgánica biodegradable, pa- tógenos, nutrientes, contaminantes prioritarios, materia orgánica refractaria, metales pesados, sólidos inorgánicos disueltos, etc. Describimos brevemente para algunos de ellos la importancia de su determinación: – – Sólidos en suspensión (SS): dan lugar al desarrollo de depósitos de fango y de condiciones anaerobias. – – Materia orgánica: está compuesta por proteínas, carbohidratos y grasas ani- males. Se mide mayoritariamente en función de la DBO (demanda biológica de oxígeno) y de la DQO (demanda química de oxígeno). También puede utilizar- se el carbono orgánico total (COT). Cuando no se controla, puede llevar al ago-
  • 24. 24 Ejercicios propuestos y resueltos tamiento de los recursos naturales de oxígeno y al desarrollo de condiciones sépticas. – – Patógenos: transmisión de enfermedades contagiosas. – – Nutrientes: el nitrógeno, fósforo y carbono son elementos esenciales para el crecimiento de la vida acuática, por lo que un exceso en ellos puede provocar el crecimiento de vida no deseado, pueden provocar la contaminación del agua subterránea, u originar un problema de eutrofización. Se suelen determinar como nitratos, nitritos, nitrógeno orgánico, fosfatos y carbono orgánico total. – – Contaminantes prioritarios: compuestos orgánicos e inorgánicos determina- dos en base a sus propiedades cancerígenas, mutagénicas, teratogénicas o toxi- cidad aguda conocida o sospechada: fluoruros, cianuros, etc. – – Materia orgánica refractaria: materia orgánica que tiende a resistir métodos convencionales biológicos de tratamiento. Por ejemplo: tensoactivos, fenoles o pesticidas agrícolas, que se determinan de forma individualizada. Algunos de ellos pueden ser también contaminantes prioritarios. – – Metales y metaloides: son frecuentemente añadidos al agua residual proceden- tes de actividades comerciales e industriales, y deben ser eliminados antes de la reutilización del agua: Hg, Cd, As, Cu, Fe, Pb, etc. – – Sólidos inorgánicos disueltos: el calcio, sodio, sulfatos y carbonatos suelen ser añadidos al agua dependiendo de su uso, y suele ser necesaria su eliminación para una reutilización del agua. Este tipo de determinaciones se realizan en su mayoría mediante técnicas clásicas. Así la gravimetría es frecuentemente utilizada para analizar sólidos en suspensión, aceites y grasas, etc., o en el caso de la volumetría, para la determinación de la DQO, DBO, o para la determinación de nitrógeno, entre otros. No obstante, también el uso de técnicas instrumentales se hace necesario sobre todo para el análisis de contami- nantes que se encuentran en concentraciones a nivel de trazas o inferiores (mg/L, µg/L), como son algunos metales (Hg, Cd, etc.), y para los cuales es habitual emplear técnicas como la espectroscopia de absorción atómica con llama (FAAS) o cámara de grafito (GFAAS), o el plasma de acoplamiento inductivo acoplado a un detector de emisión atómica (ICP-OES) o a un espectrómetro de masas (ICP-MS), entre otras. De igual forma, el análisis de componentes aniónicos, como fosfatos, etc., se puede llevar a cabo a través de técnicas espectroscópicas moleculares, o el análisis de ácidos grasos, por ejemplo, que precisa del empleo de técnicas de separación, como son las técnicas cromatográficas con diferentes detectores. Por otro lado, parámetros físicoquímicos, como la turbidez, conductividad, pH, etc., emplean técnicas como la turbidimetría, co- lorimetría, potenciometría, polarografía, etc. En el siguiente cuadro se resumen tanto los posibles componentes objeto de análisis en un agua residual como algunas de las técnicas de análisis más frecuentes empleadas para su determinación. La determina- ción de algunos de estos parámetros es objeto de algunas de las prácticas de laborato- rio del segundo bloque de este libro.