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TEMA 4.
ROS Y CORRIENTES. MODELOS DEOXGENO
1. Demanda bioqumica de oxgeno
2. Demanda qumica de oxgeno3. Ecuacin de Streeter-Phelps4. Parmetros de control. Modelos
1
Francisco Javier Bayo BernalCalidad de AguasGrado en Ingeniera CivilUniversidad Politcnica de Cartagena
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OXIDACIN DE
COMPUESTOS ORGNICOSFOSFORADOS
OXIDACIN DE
COMPUESTOS ORGNICOSNITROGENADOS
OXIDACIN DECOMPUESTOS ORGNICOS
AZUFRADOS
microorganismosaerobiosCxHyOz + O2 CO2 + H2O + Q
Cantidad de oxgeno necesaria (mg/L) para
que los microorganismos aerobios puedanoxidar metablicamente la materia orgnica
presente en la muestra de agua hasta dixidode carbono y agua
Definicin 1. Demanda bioqumica de oxgeno
2
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Cintica
CINTICA DE PRIMER ORDENt1
t
Ldt
dL
K=
Lt =Lae-K1t
1 ETAPA (DBOC)
2 ETAPA (DBOC+DBON)
DBON
yt =La-Lt
La
DBO(
mg/L)
La DBO ltimaL
t DBO remanente
yt DBO ejercidaK1 Constante de desoxigenacin
tiempo (das)
1. Demanda bioqumica de oxgeno
3
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Cintica
CINTICA DE PRIMER ORDEN
dtL
dL1
t
t K= = tL
Lt
t dtKL
dLt
a 01
tL
Lln 1a
t K=
tK
e 1
L
L
a
t = tKat eLL 1
=tk
at LL 110 =
K1 = 2,303 k1k1 = 0,434 K1
DBO5 (A) > DBO5 (B)La (A) = La (B)
A
La
DBO(
mg/L)
tiempo (das)
A K1 = 0,30B K1 = 0,10
B
5
DBO5 (A)
DBO5 (B)
1. Demanda bioqumica de oxgeno
4
inica
fina
L
L
tK
_
_
1 log1
=
CLCULO K1
inica
fina
L
L
t
k_
_
1 ln1
=
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Determinacin
OxiTop IS 6 Medida de la disminucin en la presin aparecida en el interiorde las botellas de incubacin, por el consumo de oxgeno por parte de los
microorganismos del agua
A = Lectura del cabezal el 5 daF = Factor de correccinD = Dilucin de la muestra
DBO5 (mg/L) = A F D
Volumen de muestra (mL) Rango de medida (mg/L) Factor
432 0-40 1
365 0-80 2
250 0-200 5
164 0-400 10
97 0-800 20
43,5 0-2000 50
22,7 0-4000 100
1. Demanda bioqumica de oxgeno
5
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Definicin
PROCESO LENTO (5 das) SUSTANCIAS NO BIODEGRADABLES
Determinacin DBO Inconvenientes
Cantidad de oxgeno necesaria (mg/l) consumidopor las materias reductoras presentes en el agua,
sin intervencin de organismos vivos
DQOs
Coagulacin-floculacin ZnSO4 filtracin ( = 0,45 m)
Fcilmentebiodegradable
cidos grasos voltiles, hidratos de carbono sencillos,
Lentamentebiodegradable
Requiere hidrlisis extracelular antes de ingresar en la clula
Inerte Requiere hidrlisis extracelular antes de ingresar en la clula
PRESENCIA DE SUSTANCIAS TXICAS
6
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REFLUJO CON DICROMATO POTSICO
Determinacin
Xn- + Cr6+ Cr3+ + Xn+
350 nm Hasta 40 mg/l420 nm Hasta 150 mg/l620 nm Hasta 15.000 mg/l
Relacin DBO5/DQO
Cr2O7= + 6 Cl- + 14 H+ 3 Cl2 + 2 Cr3+ + 7 H2OInterferencia de cloruros
(> 2000 mg/L)
Standard Method (APHA, 1999) HgSO4:Cl (10:1) HgCl2
DBO5 / DQO < 0,2 (NO BIOD.) DBO5 / DQO > 0,6 (BIOD.)
DQO/DBO5 = 1,5 m.o. degradableDQO/DBO5 = 2,0 m.o. moderadamente degradable
DQO/DBO5 = 10,0 m.o. degradable 7
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Modelo
( )ctKa
ac e
K
LKOD 1
1 =
ECUACIN DE STREETER-PHELPS
3. Ecuacin de Streeter-PhelpsFUENTES DE OXGENO
Aportacin del cauce
Aportacin del vertido
Reaireacin superficial
Fotosntesis
Descenso temperaturaDilucin por corrientes no contaminadas
SUMIDEROS DE OXGENO
Materia orgnica en suspensin
Fangos del bentos (DOS)
Respiracin de organismos acuticos
Respiracin fitoplancton
Incremento de la temperaturaNitrificacin
Materia inorgnica
DFICIT CRTICO DE OXGENO
Caudal mnimo (sequa o poca de estiaje) T [OD] actividad microorganismos
8
( ) tKditKtKa
a aa eODee
KK
LKD
+
=
1
1
1
1K
Kf a=
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ODsat
t=0
dficit de oxgeno hastaalcanzar el valor de
saturacin (ODdi)
t=t
OD0
oxgeno aportado en elintervalo t=0 a t=t
Concentracindeoxgenodisueltoa
saturacin(mg/l)
tiempo
TIEMPO CRTICO
3. Ecuacin de Streeter-Phelps
=
a
adi
a
a
cLK
KKOD
K
K
KKt
1ln
1
1
1
11
Distancia entre punto de vertido yvalor mnimo de oxgeno
DISTANCIA CRTICA
cSc tvS =
Modelo
ODdi
OD(
mg/l)
ODsat
0
ODC
tC tiempo - distancia
curso de agua
entrada deagua residual
ODmin
sC
9
OD0
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Reaireacin
VIENTO VELOCIDAD CORRIENTE PROFUNDIDAD
20372,0317,0782,0 vvvKa +=
Banks and Herrera (1977). Effect of wind and rain on surface reaeration.
Journal of Environmental Engineering 103: 489-504.
5,1
5,090,3
h
uKa =
673,1
969,0
01,5huKa =
Churchill et al. (1962). The prediction of streamreareation rates. Journal of the Sanitary Engineering
Division, American Society of Civil Engineers 88: 1-46.
85,1
67,035,5
h
uKa =
IMAGEN TOMADA DE:http://www.ecy.wa.gov/programs/eap/models/rates_and_constants/Sect3-1.pdf.
03/11/2011
OConnor and Dobbins (1958). Mechanism ofreaeration in natural streams. Transactions of
the American Society of Civil EngineersTransaction 123: 641-684.
Owens et al. (1964). Some reaerationstudies in streams. International Journal
of Air and Water Pollution 8: 469-486.10
tOD
OD
K di
df
a
=
lnCLCULO BSICO
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Temperatura
IMAGEN TOMADA DE:Bahadori and Vuthaluru (2010). Simple Arrhenius-type function accuratelypredicts dissolved oxygen saturation concentrations in aquatic systems.
Process Safety and Environmental Protection 88: 335-340.
)3015(47,1)155(01,15,01,0 120
1 CCdK
)20(20
11
= TT
KK ARRHENIUS
IMAGEN TOMADA DE:Jhaet al. (2001). Refinement of predictive reareation equations for a typical Indian
river. Hydrological Processes 15: 1047-1060. 11
32 000077774,00079910,041022,0652,14 TTTODsat +=
Tabla ASCE
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Fotosntesis
2612622 666 OOHCOHCO luz ++
VELOCIDAD DE LA CORRIENTE
PROFUNDIDAD
TEMPERATURA
NUTRIENTES
LUZ SOLAR
Variacin en la produccin diaria Entre 0,5 g/m2 y 60 g/m2
Produccin primaria
Correlacionada con la clorofila a F = 0,25 Cla
ESTADO TRFICO DEDOS LAGOS SEGN
NIVELES DE CL-A
IMAGEN TOMADA DE:Fang and Stefan (1995). Interaction between oxygen
transfer mechanisms in lake models. Journal ofEnvironmental Engineering 121: 447-454.
12
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Respiracin
ESTIMACIN
Consumo de oxgeno
R = 0,1 Cla Fitop 1,08T-20 R = 0,0025 Cla
CLOROFILA A
IMAGEN TOMADA DE:http://www.fkp.jku.at/fkp/forschung/PorSil.aspx.
03/11/2011
Tasa de respiracin (g O2/m2d) Lugar Referencia
4,59 Ro Tmesis (primavera) Kowalczewski and Lack (1971)
0,09 Ro Tmesis (otoo) Kowalczewski and Lack (1971)
2,02 2,30 Ro Bfalo (Pennsylvania) McDiffettet al. (1972)
1,00 5,00 Valores para modelizacin Jrgensen (1979)
2,00 Valor para modelizacin Bonnet and Wessen (2001)
1,50 Valor para modelizacin Lopeset al. (2008)
Kowalczewski and Lack (1971). Primary production and respiration of the phytoplankton of theRivers Thames and Kennet at Reading. Freshwater Biology 1: 197-212.
McDiffettet al. (1972). An estimate of primary productivity in a Pennsylvania trout stream using adiurnal oxygen curve technique. The American Midland Naturalist 87: 564-570.
Jrgensen (1979). Handbook of Environmental Data and Ecological Parameters. PergamonPress: New York.
Bonnet and Wessen (2001). ELMO, a 3-D water quality model for nutrients and chlorophyll: firstapplication on a lacustrine ecosystem. Ecological Modelling 141: 19-33.
Lopeset al. (2008). Validation of a water quality model for the Ria de Aveiro lagoon, Portugal.Environmental Modelling & Software 23: 479-494.
Cla biomasa fitoplancton
13
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Nitrificacin
2NH4+
+ 3O2
2NO2-
+ 4H+
+ 2H2O2NO2- + O2 2NO3-
NH4+ + 2O2 NO3- + 2H+ + H2O
2O2 : 1N 4,57 gO : 1 gN O2 : 2N 1,14 gO : 1 gN
NITRIFICACINTERICA
DBON = 4,57 (N-org+N-NH3) + 1,14 (N-NO2-) == 4,57 NTK
DKLKLK
dt
dDaNNt 1 +=STREETER-PHELPS AMPLIADA
14
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Desnitrificacin
MODELOS DE TRANSFERENCIA DE N2 EN CANAL ABIERTO
Turbulencia bntica
( ) ( ) 3
21
1
530
580
6024min
=
dKK aN Churchill et al. (1962)
OConnor & Dobbins (1958)
Owens et al. (1964)
103,0 > sz
u
Modelo de vientosmv /8>
IMGENES TOMADAS DE:
Jhaet al. (2001). Refinement of predictive reareation equations for a typical Indian river. HydrologicalProcesses 15: 1047-1060. 15
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DOS
Demanda de oxgeno por lossedimentos del cauce, lago, fangos de
depuradora, CINTICA DE ORDEN CERO
Entre 0,05 10 g/m2 dGDOS
16
28,0
1
OD
DOS
DOS=
Zonas de invertebrados bnticos
H
tGDOS DOS
28,3=
Correccin Arrhenius (= 1,046)
IMAGEN TOMADA DE:http://wetlandinfo.derm.qld.gov.au.
09/03/2012
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DOS
z
A
A
DOSaCl
Y
kLkaClLP
z
ODAK
zAt
OD
OaCl
T
rr
t
T
bbZ
+
=
"""")min(
2""
20
20
max
FORMULACIN UNIDIMENSIONAL ENESTADO NO ESTACIONARIO PARA UN LAGO
Difusin vertical Fotosntesis DBO5 Respiracin DOS
Fang and Stefan (1995). Interaction between oxygen transfer mechanisms in lake models. Journal of Environmental
Engineering 121: 447-454. 17
DEPSITO DE FANGO ORGNICO
( )tKaadacum eK
LL 11
1
= ( )tkaadacumk
LL 1101
303,2 1
=
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SOME ENGLISH TERMSTO BE FAMILIAR WITH
Clorofila Chlorophyll
Curva de dficit de oxgeno Oxygen sag curve
DBO ltima Ultimate BOD
Demanda bioqumica de oxgeno Biochemical oxygen demand (BOD)
Demanda de oxgeno por sedimentos Sediment oxygen demand (SOD)
Demanda qumica de oxgeno Chemical oxygen demand (COD)
Fotosntesis Photosynthesis
Fuente de oxgeno
Oxygen source Oxgeno disuelto Dissolved oxygen
Produccin primaria Primary production
Sumidero de oxgeno Oxygen sink
Turbulencia del bentos
Benthic turbulence 18
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CSERD: MODELO DE OXGENO DISUELTO
CLCULO DE LA CURVA DE DFICIT DE OXGENO
ANLISIS DE LA CURVA DE DFICIT DE OXGENO
CLCULO DE LA CONSTANTE DE REAIREACIN
CLCULO DE LOS SDT EN FUNCIN DE LA CONDUCTIVIDAD
http://ponce.tv/onlinesalinity.phphttp://ponce.tv/onlineoxygenation.phphttp://ponce.tv/onlinedosaganalysis.phphttp://ponce.tv/onlinedo.phphttp://www.shodor.org/refdesk/Resources/Models/DissolvedOxygen/8/13/2019 Tema 4 Oxigeno 2013 Feb 13
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20
QUAL2K MODEL
IMAGEN TOMADA DE: www.gifmania.com.es
WATER QUALITY
EXAMPLE FOR CIVIL
ENGINEERS
RESTORING THE
DANUBE RIVERSEDIMENTS IN
STREAMS I
SEDIMENTS IN
STREAMS II
SEDIMENTS IN
STREAMS III
http://www.epa.gov/athens/wwqtsc/html/qual2k.htmlhttp://www.youtube.com/watch?v=S-5-vGfQq80http://www.youtube.com/watch?v=S-5-vGfQq80http://www.youtube.com/watch?v=S-5-vGfQq80http://www.youtube.com/watch?v=GsUnlXBeHKUhttp://www.youtube.com/watch?v=GsUnlXBeHKUhttp://www.youtube.com/watch?v=DwIEZypzveIhttp://www.youtube.com/watch?v=DwIEZypzveIhttp://www.youtube.com/watch?v=n-yR5qDyV6Mhttp://www.youtube.com/watch?v=n-yR5qDyV6Mhttp://www.youtube.com/watch?v=n-yR5qDyV6Mhttp://www.youtube.com/watch?v=6hhOn9-A55ghttp://www.youtube.com/watch?v=6hhOn9-A55ghttp://www.youtube.com/watch?v=6hhOn9-A55ghttp://www.youtube.com/watch?v=n-yR5qDyV6Mhttp://www.youtube.com/watch?v=DwIEZypzveIhttp://www.youtube.com/watch?v=GsUnlXBeHKUhttp://www.youtube.com/watch?v=S-5-vGfQq80http://www.epa.gov/athens/wwqtsc/html/qual2k.html8/13/2019 Tema 4 Oxigeno 2013 Feb 13
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REFERENCIAS BIBLIOGRFICAS
Bahadori, A., Vuthaluru, H.B. (2010). Simple Arrhenius-type functionaccurately predicts dissolved oxygen saturation concentrations in aquaticsystems.Process Safety and Environmental Protection 88: 335-340.
Banks, R.B., Herrera, F.F. (1977). Effect of wind and rain on surfacereaeration.Journal of Environmental Engineering 103: 489-504.
Bonnet, M.P., Wessen, K. (2001). ELMO, a 3-D water quality model fornutrients and chlorophyll: first application on a lacustrine ecosystem.Ecological Modelling 141: 19-33.
Churchill, M.A., Elmore, H.L., Buckingham, R.A. (1962). The prediction ofstream reareation rates.Journal of the Sanitary Engineering Division,American Society of Civil Engineers 88: 1-46.
Fang, X., Stefan, H.G. (1995). Interaction between oxygen transfer mechanisms in lake models.Journal of Environmental Engineering 121:447-454.
Jha, R., Ojha, C.S.P., Bhatia, K.K.S. (2001). Refinement of predictivereareation equations for a typical Indian river.Hydrological Processes 15:
1047-1060.
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REFERENCIAS BIBLIOGRFICAS
Jrgensen, S.E. (1979).Handbook of Environmental Data and EcologicalParameters. Pergamon Press: New York.
Kowalczewski, A., Lack, T.J. (1971). Primary production and respirationof the phytoplankton of the Rivers Thames and Kennet at Reading.Freshwater Biology 1: 197-212.
Lopes, J.F., Silva, C.I., Cardoso, A.C. (2008). Validation of a water qualitymodel for the Ria de Aveiro lagoon, Portugal.Environmental Modelling &Software 23: 479-494.
McDiffett, W.F., Carr, A.E., Young, D.L. (1972). An estimate of primaryproductivity in a Pennsylvania trout stream using a diurnal oxygen curve
technique.The American Midland Naturalist 87: 564-570. OConnor, D.J., Dobbins, W.E. (1958). Mechanism of reaeration innatural streams.Transaction of the American Society of Civil Engineers123: 641-684.
Owens, M., Edwards, R.W., Gibbs, J.W. (1964). Some reaeration studiesin streams.International Journal of Air and Water Pollution 8:469-486.
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REFERENCIAS BIBLIOGRFICAS
Streeter, H.W., Phelps, E.B. (1925). A Study of Pollution and NaturalPurification of the Ohio River. III. Factors Concerned in the Phenomena
of Oxidation and Reaeration. (Reprinted by U.S. Department of Health,Education, & Welfare. Vol 146. 1958. Public Health Bulletin).
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