Dpto. Ingeniería Química y Química Física Ingeniería Ambiental
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Temas 2, 3 y 4. Contaminación de aguas y su tratamiento. Problema 1. La corrosión por oxígeno de las tuberías de las calderas puede reducirse empleando sulfito
sódico, el cual elimina oxígeno del agua de alimentación de la caldera por medio de la siguiente reacción: 2 Na2SO3 + O2 2 Na2SO4 ¿Cuántos kg de sulfito de sodio se requieren, suponiendo reacción completa, para eliminar el oxígeno de 8,33.103 m3 de agua que contienen 8 ppm de oxígeno disuelto y, al mismo tiempo, mantener un 35% en exceso de sulfito de sodio?. 3
Problema 2. Una pastelería tiene un depósito para aguas residuales de 20 m de capacidad completamente
lleno de una disolución acuosa azucarada de glucosa (C 6H12O6) de concentración 0,015 M. Para poder verterla debe rebajar la DBO hasta 35 mg O 2/L. Si el coste del tratamiento es de 10-4 euros por mg de O 2 reducido, ¿cuál será el gasto total de la operación?. Problema 3. Una central nuclear utiliza como agua de refrigeración en circuito abierto la de un río que tiene
una temperatura de 15 ºC. Si emplea 2,4·10 4 m3 de agua por día para condensar y refrigerar 5·10 5 kg de vapor a 100 ºC, a) ¿Cuál es la temperatura del agua cuando es evacuada? b) Si el río en el cual se vierte el agua tiene una corriente de 6,5·10 5 m3/día, calcule el aumento de temperatura aguas abajo del mismo. Nota: considere que el vapor condensado no se mezcla con el agua de refrigeración. Datos: ∆Hv(H2O)=540 kcal/kg. 2+
Problema 4. Para ablandar un agua que contiene 80 ppm de Ca , se trata con Na 2CO3. La concentración
de CO32- en el equilibrio, después del tratamiento, es de 10 -4 M. Calcular: a) La dureza del agua después de ser tratada (en mg/L y en Grados Franceses). b) Cuánto Na2CO3 por litro de agua será necesario añadir para reducir la dureza a dicho valor (en mg/L). Dato: Ks(CaCO3) =5·10 -9 2
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Problema 5. Un lago de 20 km de superficie tiene un caudal de entrada de aportaciones de 10 m /s con
CPen=0,01 mg/L. Una depuradora de aguas residuales urbanas vierte el agua depurada con una caudal de 0,05 m3/s y una CPen=10 mg/L. Determinar la concentración de fósforo en estado estacionario dentro del lago. Se supone una velocidad de sedimentación de V s≈20 m/año (0,6·10 -6 m/s). Determinar la concentración permisible en el vertido de aguas residuales si la C P máxima en el lago es de 0,01 mg/L. Problema 6. Un fango procedente de un tratamiento de lodos activados tiene un 12% en peso de sólidos y
el resto es agua. El fango final que debe generarse en la planta de tratamiento debe contener un 42% en peso de sólido para que pueda ser vendido como abono orgánico. Este fango más concentrado se obtiene mediante evaporación del lodo inicial, el cual se encuentra a 25ºC. Sin embargo, en esta etapa de concentración se genera un fango con un contenido del 58% en peso de sólido. Para evitar pérdidas económicas, se introduce una derivación del alimento, y se crea una corriente que se mezcla con la salida del evaporador. El resultado final de la mezcla es una corriente de fangos con el 42% en peso de sólido y temperatura de 60ºC. Partiendo de 100 kg/h de lodo inicial, determinar: a) Los caudales y composiciones de todas las corrientes del sistema. b) La temperatura de las corrientes que salen del evaporador. c) El caudal de vapor de agua a 1 atm y 100ºC que se ha de utilizar para calentar el evaporador y llevar a cabo la concentración del fango, sabiendo que se transforma en agua líquida a 70ºC. Datos. El calor latente del vapor de agua a 100ºC y 1 atm es de 540 kcal/kg. Capacidad calorífica de las corrientes igual a las del agua líquida (1 kcal/kg·K). Problema 7. Se dispone de un evaporador para concentrar una corriente de agua residual con una
capacidad de evaporación de 10 kg/h de H 2O aplicando vacío y un condensador para licuar el vapor. Se requiere concentrar el agua residual desde el 5,5% al 25% en peso de sólidos. Adicionalmente se dispone de una bomba para recircular parte de la corriente concentrada con capacidad de 20 kg/h. Calcular los caudales de las corrientes alimento y concentrada y la composición de la corriente que entra en el evaporador.
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Problema 8. Se desea potabilizar agua de mar mediante su desalinización por ósmosis inversa, utilizando
el proceso que se muestra en la figura. Utilizando los datos de dicha figura calcular: a) Caudal de salida de salmuera y agua desalinizada. b) Fracción de salmuera que se recircula. 4 % sal
Agua de mar
Ósmosis inversa
500 kg/h 3,1 % sal
Agua desalinizada 500 ppm sal
Salmuera 6,25 % sal
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Problema 9. Un agua residual, de la que se vierte un caudal medio de 1200 m /h, posee las características
que a continuación se indican: Sólidos en suspensión: 600 mg/L Ácido palmítico (CH3-(CH2)14-COOH): 100 mg/L Fosfatos: 95 mg/L Se desea depurarla hasta disminuir las concentraciones a los valores que marca la autorización de vertido: Sólidos en suspensión: 35 mg/L Demanda Bioquímica de Oxígeno: 25 mg O 2/L Concentración de fosfatos ≤ 0,2 mg/L Calcular: a) El peso diario de lodos, expresado en toneladas, originado al eliminar los sólidos en suspensión, teniendo en cuenta que se retiran con una humedad del 40%. b) La Demanda Bioquímica de Oxígeno (DBO) que tiene el agua residual. c) Rendimiento que debe exigirse a un sistema de depuración aerobio para rebajar la DBO a los valores señalados. d) La concentración de fosfatos en el agua, expresada en ppm, una vez que haya precipitado todo el fosfato posible por adición de la cantidad estequiométrica de cloruro de aluminio. ¿Cumplirá este valor la legislación? Dato: Ks(AlPO4)=1,3·10-20 Problema 10. Un agua que va a ser destinada a potable arroja el siguiente análisis:
Manganeso (II): 86 µg/L DQO: 30 mg O2/L Sulfatos: 140 mg/L Diariamente debe suministrarse a la población 1800 m 3/h de agua, pero previamente es tratada mediante las siguientes operaciones: a) Se oxida el Mn(II) hasta dióxido de manganeso mediante permanganato potásico en medio básico. Ajustar la reacción redox correspondiente y calcular el volumen de disolución de permanganato potásico 1 M que será preciso emplear diariamente. ¿Qué cantidad diaria de lodos se obtendrá en esta operación si se considera que el dióxido de manganeso formado se retira con el 60% de humedad? b) Si se pudiese reducir la DQO hasta 5 mgO 2/L mediante un proceso de aireación, calcular el volumen de aire, medido en condiciones normales, que será preciso inyectar cada hora en esta operación. c) Se reducen los sulfatos por precipitación como sulfato de calcio. Calcular la cantidad estequiométrica de cal apagada (hidróxido de calcio) del 76% de pureza que sería preciso emplear diariamente. Calcular también cuál sería la concentración residual de sulfatos del agua una vez tratada. Dato: Ks(CaSO4) =3,7·10 -5 3
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Problema 11. En una fábrica se producen 5 m /h de aguas residuales que contienen 1 kg/m de cierto
contaminante A, tóxico. La legislación impone una concentración máxima tolerable de 0,01 kg/m 3. El compuesto A se descompone con velocidad proporcional a su concentración másica según (kg/m 3): d A
- = k · A dt
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La empresa proyecta retener las aguas en un tanque bien agitado durante el tiempo necesario para que la concentración disminuya hasta el límite tolerado. A la temperatura de operación, la constante k vale 20 h-1. Calcular el volumen de tanque necesario si el sistema opera en régimen estacionario. Problema 12. Una de las operaciones que se utilizan en el tratamiento de aguas residuales es la flotación
mediante aire disuelto, consistente en disolver aire en agua a elevada presión para posteriormente descomprimir la mezcla y provocar la formación de microburbujas que arrastran los contaminantes hasta la superficie. Para ello, parte de la corriente de agua que se alimenta al equipo de flotación se mezcla previamente con aire a elevada presión en un saturador para que el aire se disuelva. En un sistema de este tipo se alimenta agua a 20 ºC desde un depósito abierto (en equilibrio con aire a 1 atm) y se pone en contacto hasta alcanzar el equilibrio con aire procedente de un compresor que se suministra a la misma temperatura y a 6 atm de presión. Calcular las fracciones molares de equilibrio en la fase gaseosa y la concentración de oxígeno y nitrógeno en la fase acuosa que abandona el saturador. Datos: El caudal de entrada y salida de agua es cien veces el del aire. Constantes de Henry a 20 ºC expresados como cociente entre las concentraciones (mg/L) en la fase gaseosa y en la fase acuosa: HN=60,1 y HO=30,0. Problema 13. En el diseño de una etapa de tratamiento biológico aerobio de un agua residual se debe
elegir entre la alimentación de aire o de oxígeno al reactor biológico que opera a presión atmosférica. Para decidir por una u otra opción hay que tener en cuenta que la concentración másica de oxígeno disuelto en el reactor debe ser mayor de 10 mg/L. ¿Qué opción es más adecuada?. Datos: Constante de Henry para el O 2 a 20 ºC: 769 atm/M. 6
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Problema 14. En un lago de 10x10 m entra una corriente de 5 m /s de agua, con una concentración de 10
mg/l de un compuesto contaminante. Por otro lado, una industria realiza un vertido al lago con un caudal de 0,5 m3/s y con una concentración del mismo compuesto contaminante de 100 mg/L. Determinar: a) Suponiendo que se alcanza el estado estacionario y que el agua del lago se mezcla perfectamente, calcular la concentración de contaminante a la salida del lago. b) Calcular la concentración si se supone que el contaminante reacciona para dar un producto inocuo, siendo la constante de velocidad de 0,2 dias -1. c) Ante la mala situación en la que se encuentra el lago (apartado anterior), se decide suprimir el vertido industrial. Calcular la concentración de contaminante en el lago a la semana de parar el vertido industrial, así como una vez alcanzado el estado estacionario. 3
Problema 15. Para una planta de tratamiento de agua de 36400 m /día, diseñar la unidad de mezclado
rápido para coagulación y la cuba de floculación. Problema 16. Un evaporador se alimenta continuamente con 25 toneladas/hora de una solución
conteniendo 80% de agua, 10% de NaOH y 10% de NaCl. Durante la evaporación, el NaCl precipita en forma cristalina y se sedimenta. La solución concentrada que abandona el evaporador contiene 48% de agua, 50% de NaOH y 2% de NaCl. Calcular: a) Los kg de agua evaporados por hora. b) Los kg de NaCl precipitados por hora. c) Los kg de solución concentrada producidos por hora.
Problema 17. Para obtener agua dulce a partir de agua de mar o aguas salobres se utilizan sistemas de
evaporadores de múltiple efecto. Se van a tratar 1000 kg/h de agua de mar que contiene una fracción másica de sal 0,035 (puede considerarse como NaCl). Por razones de corrosión la fracción másica de sal en la salmuera final no debe ser superior a 0,07. Calcular la cantidad máxima de agua dulce que puede obtenerse por hora. Problema 18. Un evaporador se alimenta con 10.000 kg/h de una solución que contiene 20% de sólido en
peso. La disolución concentrada, con un 50% en peso de sólidos, se lleva a un cristalizador donde se enfría, cristalizando el sólido, que se extrae, conteniendo los cristales un 4% de agua. La disolución saturada conteniendo 0,6 kg de sólido/kg de agua se recircula incorporándose a la corriente alimento del evaporador. Calcular: a) Los kg de sal húmeda producidos por hora. b) Los kg de disolución recirculados por hora. c) El caudal de agua evaporada.
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Problema 19. Se tiene una corriente de 100 kg/h de lodos a la salida de un espesador con un contenido del
85% en sólidos y 15 % en agua y se somete a un tratamiento de filtración mediante un sistema de filtrobanda, recuperándose el 80% de los sólidos. Al mismo tiempo se obtiene una corriente acuosa con un contenido del 60% en sólidos. Dibujar el diagrama del proceso y determinar los caudales de las corrientes. ¿Cuál es el porcentaje de sólidos en la corriente concentrada?. Problema 20. Se desea diseñar un sistema de fermentación continua para producir 0,8 t/día de levadura a
partir de un sustrato hidrocarbonado. La disolución alimento contiene 10 g/l del nutriente limitante. El fermentador se encuentra perfectamente agitado. La suspensión que sale del mismo contiene 1 g/l del nutriente limitante. La velocidad de producción de células en el tanque es de 1 g/(L·h) y el aprovechamiento de nutriente de 0,8 g de células/g de nutriente consumido. Calcular: a) El volumen de fermentador necesario. b) El caudal de disolución alimento a tratar. Problema 21. Una unidad de ósmosis inversa (OI) concentra una disolución salina. La disolución inicial se
carga en el tanque de alimentación y la bomba la hace circular a través de la membrana de OI. Se obtiene un caudal constante de agua prácticamente pura y la disolución concentrada se recircula y se va reconcentrando. Calcular la variación de concentración de la disolución del tanque de alimentación en función del tiempo. En las concentraciones de trabajo, las disoluciones de sal tienen las propiedades del agua pura. Datos: Caudal de salida de permeado = 24 L/h; caudal de salida de concentrado = 850 L/h; volumen inicial del tanque de alimentación = 200 L; concentración inicial de sal = 3x10 -3 mol/L. El tanque de alimentación está perfectamente agitado. 3
Problema 22. Para una planta de lodos activados convencionales que trata 2000 m /día de aguas
residuales municipales, determinar el tamaño de: a) Dos tanques primarios rectangulares con relación longitud/ancho de 5:1 y 3 m de profundidad. b) Dos tanques de sedimentación final de proporciones similares, pero de 3,5 m de profundidad y que manejan un flujo máximo de dos veces el flujo medio diario de aguas residuales (sin contar recirculación) c) Un digestor anaerobio circular con calentamiento, de una capa, con una profundidad media de agua de 7 m y que recibe 266 kg/d de SSV. Suponer que los lodos digeridos se pueden extraer semanalmente con regularidad y que no es necesario proporcionar capacidad adicional de almacenamiento de lodos. Tomar como base de digestión 0,5 kg SSV/m3·día. Problema 23. Si la concentración de sólidos de los lodos digeridos se pudiera aumentar de 6 a 12% por
espesado, ¿qué porcentaje de reducción de volumen se obtendría?. Suponer que los lodos digeridos contienen 60% de sólidos fijos y 40% de sólidos volátiles (con base en el peso seco) que tienen densidades relativas de 2,4 y 1,0, respectivamente.
