La contaminación del agua

INTRODUCCIÓN

Actualmente, la contaminación del agua amenaza la supervivencia del hombre y la vegetación; el acelerado y desordenado crecimiento de la población ha dado lugar a que no se pueda establecer un control adecuado del uso del agua.

Conscientes de aquello, se trata de dar solución al problema de aguas con alto grado de turbidez, que al no ser tratada de manera eficiente, puede servir de refugio a microorganismos patógenos que incluso sobreviven en el proceso de desinfección del agua.

Las aguas procedentes de los ríos, necesitan un tratamiento complejo y caro antes de ser suministradas a los consumidores, debido a que las precipitaciones traen cantidades apreciables de materia sólida a la tierra como el polvo, polen, bacterias, esporas, e incluso, organismos mayores.

La cantidad y tipo de las impurezas en las precipitaciones varían con la localización y la época del año, y pueden afectar tanto a ríos como a lagos. El uso de la tierra, incluyendo la urbanización y la industrialización, afectan significativamente la calidad del agua, siendo la agricultura la que produce un efecto más profundo en los recursos debido a la naturaleza dispersa y extensa de la misma. La complejidad y el costo del tratamiento se incrementan al mismo tiempo que la calidad del agua del rio se deteriora.

La construcción y el mantenimiento de la infraestructura del drenaje vial. El documento brinda un conocimiento básico de la hidrología y la hidráulica vial y se encuentra ilustrado con numerosos ejemplos. No obstante, no provee guías en relación con la solución de problemas hidrológicos e hidráulicos complejos ni, por supuesto, pretende

Sustituir la experiencia, el entrenamiento formal o el buen juicio profesional del ingeniero.

DESARENADORES

ASPECTOS GENERALES

Los desarenadores son estructuras que tienen como función remover las partículas de cierto tamaño que la captación de una fuente superficial permite pasar. Los factores que se deben considerar para un buen proceso de desarenación son:

Temperatura y viscosidad del agua; tamaño, forma y porcentaje a remover de la partícula de diseño, eficiencia de la pantalla deflectora.

Un desarenador eficiente: debe resultar de pruebas de laboratorio sobre modelos en los cuales se simulan las condiciones de la fuente, pero los altos costos de estas pruebas relativas a la inversión en la estructura del proyecto, exigen asimilar teorías como la teoría básica de la sedimentación; la cual establece que la velocidad de sedimentación de' partículas discretas en un fluido en reposo se obtiene considerando las fuerzas que actúan sobre la partícula. Ellas son: la fuerza de flotación Ff, o el empuje igual al peso del volumen del líquido desplazado por la partícula, de acuerdo con el principio de Arquímedes; la fuerza gravitacional Fg dada por la fórmula de Newton y la fuerza de fricción Fr.

Cuando existe equilibrio entre la fuerza de empuje y la fuerza gravitacional, la partícula, teóricamente se encuentra en estado estático. Cuando las anteriores fuerzas no están equilibradas y se produce la sedimentación, la fuerza desbalanceada o resultante estará dada por la expresión:

FR = Fg - Ff

(I)

Fg: Fuerza gravitacional

Ff: Empuje hidrostático o fuerza de flotación.

 : Densidad del agua

S: Densidad de la partícula

V: Volumen de la partícula.

g: Gravedad

La fuerza resultante, FR que obliga la partícula al movimiento hacia abajo es: fuerza resultante o desbalance.

FR = (s.g.V) – (.gV)

(II)

La presencia de movimiento en la partícula genera una fuerza de fricción, Fr que es función de la velocidad de sedimentación dada por la expresión:

Fr = ½ Cd.A..Vs^2

(III)

Donde:

Fr: Fuerza de fricción.

Cd: Coeficiente de fricción de Newton.

A: Área transversal de la partícula.

Vs: Velocidad de sedimentación.

En los primeros momentos del movimiento se cumple la ecuación de equilibrio dinámico

FR – Fr = m.dv/dt. Cuando la fuerza de rozamiento se iguala a la fuerza resultante, FR' la, partícula deja de variar su velocidad y continua su descenso con velocidad constante, de acuerdo con el principio de inercia. Esta velocidad se denomina velocidad terminal o velocidad de sedimentación.

Para hallar esta velocidad se igualan las ecuaciones (II) y (III)

g.V(s -) = ½ Cd.A..Vs^2

(IV)

Vs = ((2g/Cd)*((s -)/)*(V/A))

(V)

Para partículas esféricas:

Entonces:

V/A = 2/3D tenemos:

Vs = ((4/3)*(g/Cd)/ ( )*((s -)/)))

(VI)

Es la ecuación general de la sedimentación de partículas esféricas en un fluido en reposo.

De la ecuación (VI) se concluye que un sedimentador debe diseñarse para un determinado tamaño de partícula y para la temperatura mínima esperada del agua.

Cd no es constante, varía con el número de Reynolds, R como se muestra en la figura.

Coeficiente de arrastre de Newton para magnitudes variables del número de Reynolds.

La ecuación:

Cd = 24/R + 3/R + 0.34

(VII)

Muestra la relación entre Cd y R y en ella se puede considerar tres regiones:

1.- REGIÓN DE FLUJO LAMINAR

Números de Reynolds bajos (R< 0.5). En este caso Cd= 24/R

Ecuación de Stokes (VIII)

Cuando se habla de las regiones de flujo laminar, turbulenta e intermedia o de, transición, se refiere no al régimen de la masa de agua sino al régimen de flujo en el entorno de la partícula.

La viscosidad del agua a cualquier temperatura se puede calcular con base en la viscosidad del agua a la temperatura de 10°C mediante la expresión:

(IX)

Además, la clasificación de materiales según el tamaño se muestra en la tabla.

TABLA . Clasificación de Materiales en Suspensión. Según el tamaño

Gravilla gruesa: 2 mm o más

Gravilla fina 2mrn - 1mm

Arena gruesa 1mrn - 0,5 rnm

Arena media: 0,5 mm - 0,25mm

Arena fina: 0,25 rnm -0,1mm

Arena muy fina 0,1mm-0,05mm

Limo: 0,05mm-0,01mm

Limo fino: 0,01mm-0,005mm

Arcilla: 0,01mm-0,001mm

Arcilla fina: 0,001mm-0,0001mm

Arcilla coloidal menor de 0,0001mm

Ejemplo:

Se desea determinar la velocidad de sedimentación de partículas de arena media de 0.10 mm, de diámetro, de gravedad específica 2.65, en una agua cuya temperatura es 16ºC.

16ºC = 0.0111 cm2/seg.

16ºC = 0.01310*(33.3/16ºC+23.3ºC) = 0.0111

Vs = (980/18)(2.65 – 1)/0.0111(0.010)^2 =0.81cm/sg.

Investigaciones de laboratorio realizadas por Allen Hazen determinaron las velocidades de sedimentación para partículas de varios diámetros.

Es muy frecuente diseñar los desarenadores para régimen laminar y menos frecuente para régimen de transición.

Las partículas de arena fina se sedimentan generalmente en régimen laminar.

Cuando se obtiene la velocidad de sedimentación de partículas de arena de diámetro determinado mediante la ecuación de Stokes, es conveniente promediar la anterior velocidad con la velocidad de Allen Hazen de la tabla 2 a fin de encontrar la velocidad de sedimentación para el diseño del desarenador. La velocidad de la tabla 2 está dada para arenas de Ss =2.65 y en agua con temperatura a 10°C. Para encontrar la velocidad de sedimentación de arenas para cualquier temperatura se aplica la siguiente expresión:

(X)

Donde:

VSTºC: Velocidad de sedimentación de la partícula a cualquier temperatura del agua, en cm/seg.

VS10ºC: Velocidad de sedimentación de la partícula a 10°C de temperatura del agua, en cm/seg.

TABLA. Relación entre Diámetro de Partículas y Velocidad de Sedimentación

Material Ǿ Partículas Número Velocidad Régimen Ley

límite Reynolds Sedimentación Aplicada

Grava 1cm > 10.000 100 cm/s Turbulento Newton

0.10 cm ≈1000 10,0 cm/s Transición Allen

0,08 cm ≈660 8,3 cm/s Transición

Arena 0,05 cm ≈380 6,3 cm/s Transición

gruesa 0,05 cm ≈27 5,3 cm/s Transición

y media 0,04 cm ≈17 4.2 cm/s Transición

0,03 cm ≈10 3,2 cm/s Transición

0,02 cm ≈4 2,1 cm/s Transición

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