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Contaminación y tratamiento de aguas
El manejo sostenible del recurso hídrico es fundamental para la salud pública y la protección del medio ambiente. En este curso abordaremos los conceptos clave que sustentan el tratamiento…
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En un reactor de fangos activats, si la constante de crecimiento µₘ es 0,5 d⁻¹ y la concentración de sustrato S es 200 mg L⁻¹, ¿cuál es la velocidad de crecimiento microbiano (µ) asumiendo la cinética de Monod con Ks = 50 mg L⁻¹?
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Una planta de tratamiento primario elimina el 60 % de los sólidos en suspensión (SS). Si la carga entrante es 400 g m⁻³, ¿qué concentración de SS sale del primario?
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Si la demanda química de oxígeno (DQO) de una muestra es 500 g O₂ m⁻³ y la DBO total es 200 g O₂ m⁻³, ¿cuál es la fracción de materia orgánica biodegradable respecto al total?
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En la ecuación de la Ley de Stokes para la velocidad terminal de una partícula, ¿qué variable representa la viscosidad del fluido?
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Una EDAR consume 30 kWh por habitante equivalente al año. Si una ciudad tiene 200 000 hab., ¿cuánta energía anual consume la planta?
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En la desinfección con cloro, ¿qué fenómeno ocurre cuando se alcanza el "break point"?
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¿Cuál es la eficiencia total del proceso de ósmosis inversa descrito, considerando que la energía de entrada es 3.05 kWh m⁻³ y la energía del agua producida es 0.79 kWh m⁻³?
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En la siguiente imagen se muestra el diagrama de Sankey de una planta de ósmosis inversa. ¿Qué componente tiene la mayor eficiencia según los datos del diagrama?
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Si una cuenca recibe 800 kg m⁻² año⁻¹ de precipitación y la evaporación es 504.6 kg m⁻² año⁻¹, ¿cuál es el balance hídrico neto (precipitación − evaporación) en kg m⁻² año⁻¹?
Introducción a la contaminación y el tratamiento de aguas
El manejo sostenible del recurso hídrico es fundamental para la salud pública y la protección del medio ambiente. En este curso abordaremos los conceptos clave que sustentan el tratamiento de aguas residuales, desde la evaluación de la carga orgánica hasta los procesos de desinfección y recuperación de energía. Cada apartado está diseñado para reforzar el aprendizaje mediante ejemplos prácticos y explicaciones claras.
1. Demanda Bioquímica de Oxígeno (DBO) y su relación con la DBO total
¿Qué es la DBO?
La Demanda Bioquímica de Oxígeno (DBO) mide la cantidad de oxígeno que consumen los microorganismos al descomponer la materia orgánica biodegradable presente en una muestra de agua. Se expresa en mg O₂ L⁻¹ y se evalúa típicamente a los 5 días de incubación (DBO5).
Relación típica entre DBO5 y DBO total
En aguas residuales urbanas, la DBO5 representa aproximadamente el 68 % de la DBO total. Esto se debe a que la mayor parte de la materia orgánica biodegradable se consume en los primeros cinco días de incubación.
- DBO5 ≈ 0,68 · DBO total
- El 32 % restante se degrada después del quinto día.
Recuerda: 5‑día ≈ 2/3 del total.
2. Cinética de crecimiento microbiano: modelo de Monod
Fórmula básica
El modelo de Monod describe la velocidad de crecimiento (µ) de los microorganismos en función de la concentración de sustrato (S) y la constante de saturación (Kₛ).
µ = µₘ·S / (Kₛ + S)
Ejemplo práctico
Si µₘ = 0,5 d⁻¹, S = 200 mg L⁻¹ y Kₛ = 50 mg L⁻¹, la velocidad de crecimiento será:
µ = 0,5·200 / (50+200) = 0,4 d⁻¹
- Cuando S = 4·Kₛ, el término S/(Kₛ+S) ≈ 0,8.
Recuerda: S/(Kₛ+S)≈0,8 cuando S=4Kₛ.
3. Eliminación de sólidos en suspensión (SS) en la fase primaria
Conceptos básicos
En la planta de tratamiento primario se busca remover la mayor cantidad posible de sólidos en suspensión mediante sedimentación y filtración. La eficiencia típica de eliminación es del 60 %.
Cálculo de la concentración residual
Si la carga entrante es de 400 g m⁻³ y se elimina el 60 %, la fracción que permanece es el 40 %:
Concentración salida = 0,40 · 400 g m⁻³ = 240 g m⁻³
- 40 % queda, 60 % se va.
Recuerda: 40 % de la carga original permanece después del primario.
4. Relación entre Demanda Química de Oxígeno (DQO) y DBO
Definiciones
La DQO mide la cantidad total de materia orgánica (biodegradable y no biodegradable) que puede oxidarse químicamente, mientras que la DBO solo considera la fracción biodegradable.
Fracción biodegradable
Para una muestra con DQO = 500 g O₂ m⁻³ y DBO total = 200 g O₂ m⁻³, la fracción biodegradable se calcula como:
Fracción = DBO / DQO = 200 / 500 = 0,40 → 40 % de la materia orgánica total es biodegradable.
- DBO ÷ DQO = % biodegradable.
Recuerda: DBO dividido por DQO da el porcentaje biodegradable.
5. Ley de Stokes y la viscosidad del fluido
Ecuación de velocidad terminal
La Ley de Stokes describe la velocidad terminal (vₜ) de una partícula esférica que se desplaza en un fluido viscoso:
vₜ = (2/9)·(ρₚ‑ρ_f)·g·d² / µ
Variable clave
En esta ecuación, µ representa la viscosidad dinámica del fluido, que controla la resistencia al movimiento de la partícula.
- Mayor µ → menor velocidad terminal.
- µ se expresa en Pa·s (N·s·m⁻²).
Recuerda: µ = “mueve” la partícula.
6. Consumo energético de una EDAR
Datos de referencia
Una planta de tratamiento de aguas residuales (EDAR) típica consume alrededor de 30 kWh por habitante‑equivalente al año.
Cálculo de la energía total
Para una ciudad con 200 000 habitantes:
Consumo total = 30 kWh · 200 000 = 6 000 000 kWh = 6 000 MWh
- Multiplica consumo por número de habitantes.
- Este valor permite dimensionar la infraestructura eléctrica de la planta.
Recuerda: consumo (kWh/hab·año) × población = energía total.
7. Desinfección con cloro: el "break point"
Qué ocurre en el break point
Al añadir cloro a un agua que contiene amoníaco, se forma cloramina cuando se alcanza el break point. Este fenómeno reduce temporalmente la eficacia desinfectante porque la cloramina es menos potente que el cloro libre.
- Cloro + amoníaco → cloraminas.
- Desinfección disminuye hasta que se supera el punto de ruptura.
Recuerda: cloro + amoníaco = cloraminas.
8. Eficiencia de la ósmosis inversa
Cálculo de eficiencia global
En un proceso de ósmosis inversa, la energía de entrada es de 3,05 kWh m⁻³ y la energía recuperada del agua producida es de 0,79 kWh m⁻³. La eficiencia se estima como:
η = (0,79 / 3,05) ≈ 0,259 → ≈ 26 % de eficiencia directa.
Considerando la recuperación interna de energía y otros factores operacionales, la eficiencia total del sistema se eleva a ≈ 74 %.
- 0,79 ÷ 3,05 ≈ 0,26 → 74 % cuando se incluyen recuperaciones.
Recuerda: 0,79 ÷ 3,05 ≈ 0,26 → 74 %.
Conclusión
Este curso ha cubierto los fundamentos esenciales para comprender la contaminación y el tratamiento de aguas. Desde la evaluación de la carga orgánica mediante DBO y DQO, pasando por la cinética microbiana y la eliminación de sólidos, hasta la desinfección y la recuperación de energía en procesos avanzados como la ósmosis inversa, cada concepto es clave para diseñar y operar sistemas eficientes y sostenibles.
Dominar estos principios permite a ingenieros, técnicos y estudiantes contribuir a la protección del recurso hídrico y a la mitigación del impacto ambiental de las actividades humanas.
