1. Tratamientodeaguas
Ejercicios resueltos
y prácticas de laboratorio
Tratamientodeaguas
Ejercicios Resueltos
y prácticas de laboratorio
RubénMiranda,MercedesOliet,Teresapérez-Corona,MªVirginiaalonso,
YolandaMadrid,JuanCarlosDomínguezypatriciaGarcía
D XTRA
EDITORIAL
2.
3. D XTRA
EDITORIAL
Tratamientodeaguas
Ejercicios resueltos
y prácticas de laboratorio
RubénMirandaCarreño,MercedesOlietPalá,MªTeresaPérezCorona,
MªVirginiaAlonsoRubio,YolandaMadridAlbarrán,
JuanCarlosDomínguezToribioyPatriciaGarcíaGómez
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
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
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.