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

Ingenieria Sanitaria II

Objetivos del Curso

• Conocer normas de control

y calidad de agua.

• Familiarizarnos con los procesos físicos,
químicos y biológicos de tratamiento de aguas.

• Entender la microbiología sanitaria y la cinética
de las reacciones biológicas

• Diseñar unidades de tratamiento de bajo costo.

Alby Aguilar Pesantes, MSc

Mayo / 2006

Normas y Reglamentos

•  www.ambiente.gov.ec

–  Ley de Prevención y Control Ambiental (1976)

–  Normas de calidad de agua y descarga de eﬂuentes (Libro VI anexo
1, 2003)

–  Otras normativas vigentes

•  www.epa.gov

–  Federal (regular y controlar “enforce” )

•  Clean Water Act (CWA) 1972
–  Proteje la calidad del agua superficial en los EEUU. Uso del Agua

•  Marine Protection, Research, and Sanctuaries Act (MPRSA) (Ocean
Dumping Act) –  Agua Potable

–  Establece limites y criterios para colocar aguas residuales en el oceano.
•  Drinking Water Act (SDWA) 1974 ultima enmienda 1996 –  Aguas residuales

–  Asegura la calidad del agua potable en los EEUU.

–  Aguas industriales

–  Estatal (informes a la EPA)

–  Agricola

–  Local (informes al Estado)

–  Recreacional

–  Multas / sanciones

•  www.who.int


Mayo / 2006

Agua Potable

Aguas aptas para el consumo humano.

–  ¿Qué las deﬁne como aptas?

•  Color

•  Olor

¿Esto las hace aptas?

•  Sabor

•  ¿….qué mas?

•  Cumplir con parametros establecidos

–  USEPA (Autoridad otorgada por el congreso de EE.UU.)

•  Regulaciones nacionales principales para el agua potable

–  (National Primary Drinking water regulations)

•  Niveles máximos de contaminantes presentes en el agua (MCL y MCLG)

–  (Drinking water maxiun contaminant level)


Mayo / 2006

Aguas Residuales

Las aguas residuales son "residuos líquidos" producidos en viviendas,
centros comerciales, instituciones públicas, industrias ,y por
cualquier agua, superficial o subterranea que ingresen al sistema de
alcantarillado {McGhee, 1999}.

•  Origen de las Aguas Residuales y de los Sólidos

–  Domésticas

–  Industriales

–  De infiltración (superficial, subterráneas, etc.)

–  lluvias

Componentes

–  Biológicos

–  Orgánicos

–  Inorgánicos


Mayo / 2006

Componentes Biologicos

Escherichia coli bacteria
www.greenfacts.org

•  Bacterias

•  Arquea (archaea)

Archaea
www.windows.ucar.edu

•  Protozoarios

•  Hongos

Protozoo
www.bio-logia.com.ar

•  Rotiferos

•  Algas

rotifero
natureduca.iespana.es

•  Virus

alga unicelular
es.wikipedia.org

•  Helmintos (tenia)

rotavirus
www.idinchildren.com

Mayo / 2006

Cual es la importancia de conocer el

Componente biológico

de los cuerpos de aguas?

La importancia radica en que
podamos establecer parámetros

que nos permitan

determinar el grado

de contaminación biológicas que
presentan los diversos cuerpos de
agua, como por ejemplo, ríos,
lagos, incluso las aguas residuales,
industriales y de las aguas
consideradas como potables.


Mayo / 2006

Indicadores Biológicos

–  No todos los microorganismos son patógenos!!!

–  ¿Qué es un indicador biológico?

–  Caracteristicas de un indicador biologico:

•  Debe estar presente cuando exista contaminacion fecal

•  El organismo indicador ≥ microorganismos patógenos.

•  Poseer caracteristicas similares de supervivencia a la de los
patógenos.

•  Muestreo y cuantiﬁcacion mas facil que la de los patogenos.

•  Debe ser parte de la ﬂora intestinal de los animales de sangre
caliente


Mayo / 2006

Indicadores Biológicos

–  Nuestro tracto intestinal contiene una gran poblacion de
bacterias bacilares conocidas comunmente como
coliformes (enterobacteriaceae)

–  Una persona elimina en promendio de

100 a 400 Billones de coliformes/dia

–  La presencia de coliformes en un cuerpo de agua esta
asociada a la presencia de heces fecales y de
microorganismos patogenos, aunque no siempre es asi.


Mayo / 2006

Organismos Indicadores

•  Coliformes Totales

•  Coliformes Fecales

•  Klebsiella

•  E.Coli

•  Estreptococos fecales

•  Enterococos

– CF/EF < 1 contaminacion animal

– CF/EF > 4 contaminacion humana


Mayo / 2006

Componentes Orgánicos

•  Provienen:

–  reino animal

–  reino vegetal (material humico)

–  Actividades humanas: sintesis de compuestos organicos

•  Formados principalmente por combinaciones de:

–  Carbono

–  Hidrógeno

–  Oxígeno

–  En algunos casos en presencia de nitrógeno

•  Proteinas, hidratos de carbono, grasas, aceites, agentes
tensoactivos, pesticidas y productos de uso agricola
(glifosfatos, MTBE methyl-tert-butil-eter)


Mayo / 2006

Volátiles

•  Son compuestos organicos que se evaporan con facilidad

•  Tienen un punto de ebullicion menor a 100 grados centigrados

•  Y / o una presion de vapor > 1mm Hg @ 20 grados centigrados.

•  En la atmosfera contribuyen a la formacion de ozono y smog.

•  Se los encuentra disueltos en el agua y provienen de:

–  Sub-productos aromaticos del petroleo (poseen anillos aromaticos)

•  benzeno C6H6 (cancerigeno)….0.005mg/L (EPA)

–  Locion para despues de afeitarse (principios del siglo 20)

–  Quita grasas

–  Lubricantes, pinturas, detergentes, drogas, pesticidas, explosivos, cauchos

•  Tolueno C7H8 (lesiones cebrales)

–  Solvente de pinturas

–  Pegantes

–  Poliuretanos (espumas)

–  Incrementar el octanage de la gasolina


Mayo / 2006


•  ¿Cómo los medimos los componentes orgánicos del agua?

–  Demanda química de Oxígeno (DBO)

–  Demanda bioquímica de Oxígeno (DQO)

–  Carbono orgánico total (COT)

–  Demanda teórica de oxígeno (DteO)


Mayo / 2006

Demanda Química de Oxigeno

•  Oxigeno Disuelto

–  Las aguas superﬁciales limpias suelen estar saturadas
de oxígeno, lo que es fundamental para la vida.

• Concentraciones en aguas
–  Niveles bajos de oxígeno disuelto es bajo indica residuales brutas (promedios en
contaminación con materia orgánica, septicización, EEUU, Metcalf & Eddy, 2001)

mala calidad del agua e incapacidad para mantener
determinadas formas de vida.

– Debil

250 mg/L

– Media

500 mg/L

•  DQO

– Fuerte

1000 mg/L

–  Cantidad de oxígeno que se necesita para oxidar los
materiales contenidos en el agua con un oxidante químico
(normalmente dicromato potásico en medio ácido).

–  Se determina en tres horas

–  no diferencia entre materia biodegradable y el resto

–  y no suministra información sobre la velocidad de
degradación en condiciones naturales.

CaHbOc + Cr2 O7-2 + H+

Cr+3 + CO2 + H20


Mayo / 2006

Carbono Orgánico Total

•  Se introduce muestra aereada y acidiﬁcada en:

–  Horno a alta temperatura

–  O en medio químico oxidante

•  El carbono orgánico se oxida a anhidrido carbonico en presencia de un catalizador

•  La produccion de CO2 es medida en un analizador infrarojo

•  En caso de que se asuma la presencia de compuestos organicos volatiles (COV) no
se aerea.

• Concentraciones en aguas residuales brutas (promedios en EEUUMetcalf & Eddy,
2001)

– Debil

80 mg/L

– Media

160 mg/L

– Fuerte

290 mg/L


Mayo / 2006

Demanda Bioquímica de
Oxígeno (BDO5)

•  Medición del Oxígeno disuelto en la muestra de agua.

•  Es un procedimiento experimental, tipo bioensayo, que mide el oxígeno requerido
por los organismos en sus procesos metabólicos al consumir la materia orgánica
presente en las aguas residuales o naturales.

•  Permite calcular los efectos de las descargas de los eﬂuentes domésticos e
industriales sobre la calidad de las aguas de los cuerpos receptores.

•  Los datos de la prueba de la DBO se utilizan en ingeniería para diseñar las plantas
de tratamiento de aguas residuales.


Mayo / 2006

Demanda Bioquímica Carbonosa
de Oxígeno DBCO

Para obtener las DCBO es necesario evitar la nitriﬁcación del proceso de degradación

de la materia orgánica:

•  pretratamiento (cloración, tratamiento con ácidos)

•  inhibidores químicos (azul de metileno)

DBO (mg/L)

DBNO

Cantidad de BDO eliminada

En el instante T

DBCO

Tiempo (dias)


Mayo / 2006

Demanda Bioquímica de
Oxígeno (BDO5)

Lt = DBO en el tiempo t

L = DBO ultima (teorica)

t= tiempo

y = DBO en tiempo t

K = constante

K = constante

dLt
= −K ⋅ Lt
L

L - y

dt
integrando

DBO

t
Y, Lt

lnLt 0 = −k ⋅ t
y= Cantidad de BDO eliminada

En el instante T

€ Lt
= e−k⋅ t
Lt

L
Tiempo (dias)

Lt = L ⋅ e−k⋅ t

Mayo / 2006

Componentes Inorgánicos
No Metalicos

•  Provienen del uso:

–  Industrial

–  Doméstico

–  Aguas altamente mineralizadas del sub-suelo

Los mas importantes de ellos son:

–  Hidrogeno

–  Azufre

–  E l e m e n t o s –  Alcalinidad

clorados

–  Gases

–  Nitrogeno

–  Fosforo

–  Olores


Mayo / 2006

No Metálicos

•  Hidrógeno

–  Medimos la concentracion del ion hidrogeno presente en el agua [H+]

–  Lo medimos mediante el pH

–  pH = - Log10 [H+]

–  pOH = - Log10 [OH-]

–  [H+]= [OH-] equilibrio , y la solucion se considera neutra

–  pH + pOH = 14

–  pH 7 aguas ácidas

–  pH 7 aguas básicas

•  Elementos clorados (Cloroides / cloruros)

–  Aguas naturales: de rocas y suelos con altas concentraciones de
cloroides.

–  Industrial (agricultura, industrial, aguas residuales)

–  Heces humanas ( 6 g clorados/ dia)


Mayo / 2006

No Metálicos

•  Alcalinidad

–  Es una medida de la capacidad del agua para neutralizar un ácido

–  Medimos la concentracion de los iones hoxidrilo presentes en el agua
[OH-], carbonatos [CO-23] y bicarbonatos [HCO -3] de elementos tales
como Calcio, Magnesio, sodio, potacio y amonia. (moles/litro)

–  La alcalinidad en aguas residuales contribuye a resistir cambios en el pH
por la adición de ácidos.

–  Alq, eq/m3 = meq/L = [HCO -3]+ 2 [CO-23] + [OH-] - [H+]


Mayo / 2006

No Metálicos

•  Nitrógeno

–  Escencial para el crecimiento de los microorganismos, plantas y animales
(nutriente)

–  Insuﬁciencia de nitrogeno impediria el tratatamiento biologico.

–  El nitrogeno del nitrato es la forma mas oxidada del N que se puede
encontrar en aguas residuales, si el eﬂuente de un tratamiento posee altas
concentraciones de nitrato ( 20 mg/L NO3-)

+ − −
•  Nitrogeno Inoegánico total

NIT

NH 3 + NH 4 + NO2 + N0 3
+
•  Nitrogeno Kjeldanl Total

NKT

N(organico) + NH 3 + NH 4
+
•  Nitrogeno Orgánico

N orgánico

NKT − (NH 3 + NH 4 )
+ − −
•  Nitrogeno Total

NT

€ N(organico) + NH 3 + NH 4 + NO2 + N0 3
€
€

Mayo€/ 2006

No Metálicos

•  Fósforo

–  Pesticidas, insecticidas, fungicidas ( Neurotoxinas)

–  Escencial para el crecimiento de algas (nutriente)

–  Limitar la cantidad de compuestos de fosforo que llegan a las aguas
superﬁciales. (excesos tanto de P como N ocasionan eutroﬁzacion)


Mayo / 2006

No Metálicos

•  Azufre

–  Pesticidas, insecticidas, fungicidas, fosforos, polvora

–  La quema de petroleo y carbon libera a la atmósfera grandes cantidades
de dioxido de sulfuro SO2. Este reacciona con el agua y el oxigeno de la
atmosfera produciendo asi Acido Sulfurico, principal componente de la
lluvia ácida, que afecta el pH de las aguas superﬁciales y de los suelos

–  Para la sintesis de las proteinas las bacterias necesitan azufre (en forma
de sulfatos). Los sulfatos se reducen a sulfuros de hidrogeno en
condiciones anaerobias

–  Sulfuros de hidrogeno son altamente corrosivos, toxicos. Paraliza el
olfato luego de una exposicion inicial alta

m.o. + SO−2 #bacterias→ S −2 + CO2 + H 2O
4 ##
S −2 + 2H + # → H 2 S
#

Mayo / 2006

No Metálicos

•  Gases

–  Nitrogeno

N2

–  Sulfuro de HidrogenoH2S

–  Oxigeno

O2

–  Amonia

NH3

–  Dioxido de Carbono

CO2

–  Metano

CH4

•  Metano

–  Proviene de la descomposición anaerobia de la materia orgánica del agua
residial.

–  Hidrocarburo altamente combustible (explosivo),

–  incoloro e inodoro

–  Pequeñas cantidades de oxigeno pueden ser toxicas para las bacterias
generadoras de metano


Mayo / 2006

No Metálicos

•  Gases Ideales

–  Un gas ideal es un gas hipotetico cuya presion, volumen y temperatua es
descrito completamente por la ley de gases ideales.

–  En condiciones estandar (1 atm y 0°C) cualquier gas ideal ocupa un volumen
de 22.4 L

•  Ley de los Gases Ideales

–  PV = nRT

–  P = presion atmosferica absoluta, atm

–  V = volumen ocupado por el gas, L , m3

–  n = el número de moles del gas

–  R = constante universal

•  0.082057 atm L / moles °K

–  T = Temperatura, °K (273.15 +°C)


Mayo / 2006

No Metálicos

•  Ley de Henry

–  La concentracion de saturación de un gas disuelto en liquido es
función del tipo de gas y de la presion parcial del gas en contacto con
el líquido

–  La relación entre la fracción molar del gas en el liquido esta dada por
la ley de Henry

•  Pg =( H * xg )/ Pt

–  Pg = fraccion molar del gas en el aire, moles de gas/ moles de aire

–  H = Constante de Henry unica para cada gas

(atm(molesgas/molesaire))/(moles de gas/moles de agua)

–  Pt = Presion total, usualmente 1 atm.

–  xg = fraccion molar del gas en el agua

•  moles de gas/ (moles de gas+moles de agua)


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No Metálicos

•  Olores

–  Se generan por los gases liberados durante la degradación de la materia

–  Mayor septicidad, mas intolerable resulta el olor de las aguas residuales

•  Caracterizacion del olor

–  Caracter: Subjetivo (asociacion mental hecha por el sujeto que percibe el olor

–  Detectabilidad: numero de diluciones requerido para reducir el olor a su
concentracion al umbral minimo detectable (CUOMD)

–  Sensación: agrado o desagrado

–  Intensidad: Se mide por medio de un olfatometro o se calcula de acuerdo al
numero de diluciones requeridas para llegar al umbral minimo detectable.

•  TON (numero umbral de olor)

–  TON = (A+B)/A

–  A= mL de muestra


–  B= mL de muestra inolora

Mayo / 2006

Caracteristicas Fisicas

–  Sólidos

–  Distribucion de las Particulas

–  Turbidez

–  Color

–  Temperatura

–  Densidad

–  Conductividad

–  Transmitancia

–  Olor


Mayo / 2006

Características Físicas

•  Sólidos

–  Es una característica fisica de las aguas

–  Estan compuestos por toda la materia que flota en el agua, la materia
sedimentable, los coloides, y la materia disuelta.

–  Se clasifican en:

– Sólidos Totales

– Sólidos suspendidos fijos

– Sólidos Volatiles Totales

– Sólidos totales disueltos

– Sólidos Fijos Totales

– Sólidos volatiles disueltos

– Sólidos suspendidos totales

– Sólidos fijos totales disueltos

– Sólidos Suspendido volatiles

– Sólidos Sedimentables


Mayo / 2006


•  Turbidez

–  Es una medida del grado en el cual el agua pierde su transparencia
debido a la presencia de partículas en suspensión.

–  Cuantos más sólidos en suspensión haya en el agua, más sucia
parecerá ésta y más alta será la turbidez.

–  Se mide en NTU: Unidades Nefelométricas de Turbidez.

(OMS: NTU 5)

–  El instrumento usado para su medida es el nefelómetro o turbidímetro,
que mide la intensidad de la luz dispersada a 90 grados cuando un rayo
de luz pasa a través de una muestra de agua.


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•  Color

–  Tiene que ver con la “edad” del agua residual

•  Agua residual fresca: color grisaceo

•  Agua residual descompuesta: es gris oscura y contiene sólidos
más pequeños.

•  Temperatura

–  Agua residual

•  Suele ser mas elevada que el agua potable

•  (aguas industriales calientes)

•  La solubilidad del oxigeno se ve afectada por altas temperaturas
(menos soluble a mayores temperaturas)

•  Desbalance ecológico: especies mueren, hongos aumentan, etc.

•  Actividad bacteriana (25 - 35 grados centigrados)


Mayo / 2006


•  Densidad

–  Masa por unidad de volumen (Kg/m3)

•  Peso especiﬁco

–  Sw = Densidad del agua residual / densidad del agua


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•  Conductividad Eléctrica

–  En el caso del agua es la habilidad que tiene la misma de transportar
una corriente eléctrica. Los iones que es encuentran presentes en el
agua son los responsables de este transporte.

–  El agua presenta valores de conductivadad signiﬁcativos cuando en
ellos se encuentra presentes sales disueltas, por lo tanto la
conductividad es directamente proporcional a los solidos totales
disueltos en el agua.

Cationes

Aniones

–  Ca +2

–  HCO3 -

– Mg +2

– Cl -

– Na +

– SO4 -2


Mayo / 2006


•  Conductividad Electrica

–  El factor de conversion utilzado depende de la composicion quimica
de los solidos totales disueltos.

•  [(TDS)ppm = Conductivity mS/cm x f ].

•  0.54 f 0.96.

•  0.67 es un valor usado comunmente si el valor real no es conocido

–  Un sensor de conductividad mide cuanta electricidad esta siendo
conducida a traves de un centimetro de agua

•  Mhos/entimeter (M/cm),

•  Siemens/centimeter (S/cm).

–  La conductividad electrica varia en funcion de la temperatura, pero esto es
normalmente tomando por los sensonres utilizados para realizar las
mediciones.


Mayo / 2006


•  Conductividad Electrica

–  Fuerza Ionica: µ. Es la concentracion de los iones en una solucion

i= n
1
(
µ = ∑ Ci * Z i 2
2 i=1
) µ = 2.5 *10−5 * SDT
–  Ci = concentracion molar –  STD (mg/L)

M de todas las especies
ionicas..

€
€
–  Zi = es la carga de la
especie i


Mayo / 2006


•  Dureza

–  La dureza en las aguas naturales esta causada por la presencia de iones
metálicos polivalentes.

•  No produce espuma con el jabón

•  Los iones presentes en las aguas duras forman presipitados con el jabón y
por ebullicion.

Cationes

Aniones

–  Ca +2

–  HCO3 -

– Mg +2

–  Cl -

– Sr +2

–  SO4 -2

– Fe +2

–  NO3 -

– Mn +2

–  SiO3 -2


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•  Dureza Total

–  Es la suma de los iones de calcio y magnesio expresada en terminos de
mg/L de CaCO (carbonato de calcio).

•  Dureza Carbonatada

–  Es causada por los cationes provenientes de la disolucion de los
carbonatos y bicarbonatos de calcio y magnesio. La dureza
carbonatada es quimicamente equivalente a la alcalinidad.

–  mg/L de CaCO (carbonato de calcio).

•  Dureza No Carbonatada

–  Cuando la Dureza total dureza carbonatada (alcalinidad), la
diferencia entre las mismas es la dureza no carbonatada

–  mg/L de CaCO (carbonato de calcio)


Mayo / 2006

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