_5_Analisis de Calidad de Agua

Universidad Nacional de Ingeniería

Facultad de Ingeniería Ambiental

Especilaidad de Ingeniería Sanitaria

17/06/2015

Curso: Análisis de Redes y Fuentes de Agua

Profesor: Ing. Yuri Marco Sánchez Merlo 1

Ing. Yuri Marco Sánchez Merlo

Universidad Nacional de IngenieríaFacultad de Ingeniería AmbientalEspecialidad de Ingeniería Sanitaria

ANÁLISIS DE CALIDAD DE AGUA EN REDES DE

DISTRIBUCIÓN DE AGUA

Problemática de la calidad de agua

Análisis de Calidad de Agua en Redes de

Agua

Un sistema de abastecimiento de agua, además de garantizar una

condiciones mínimas de caudal y presión, debe garantizar

condiciones mínimas de calidad del agua para hacerla apta para

consumo.




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Agua

El Reglamento de la Calidad del Agua para Consumo Humano,

señala:

“... En caso de usar cloro o solución clorada como desinfectante, las muestras tomadas en

cualquier punto de la red de distribución, no deberán contener menos de 0,5 mg/l de

cloro residual libre en el noventa por ciento (90%) del total de muestras tomadas durante

un mes. Del diez por ciento (10%) restante, ninguna debe contener menos de 0,3 mg/l y

la turbiedad deberá ser menor de 5 Unidad nefelométrica de turbiedad (UNT).



Agua

Aunque el agua cumpla con los estándares en los puntos de

inyección, éste puede contaminarse, por ejemplo:

• Entrada de sustancia nocivas en situaciones de avería o

fenómenos transitorios.

• Corrosión de elementos metálicos o disolución de materiales.

• Pérdida de desinfectante cuando existe elevado tiempo de

permanencia.




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Agua

Por lo que un análisis completo de la evolución de la calidad de

agua en el sistema de distribución debería realizar como mínimo

las siguientes tareas:

• La evolución del sistema a intrusiones patógenas.

• Control de la calidad del agua en los depósitos.

• Control del nivel de desinfectante en diferentes puntos de la red.

• Materias orgánicas e inorgánicas que pueden presentarse en el

agua.




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Modelación Hidráulica y de Calidad de

Agua

Fuente: Bentley


Agua

Procesos presentes:

• Hidráulica

• Mezcla en Depósitos

• Transporte

• Reacciones en el flujo

• Reacciones en la pared

• Hidrodinámica de tanques

Fuente: Bentley




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AguaMezcla en Depósitos:

Hay dos formas extremas de circular el agua a través de un

depósito:

Flujo pistón agua avanza sin que se produzca ningún tipo de mezcla

Flujo mezcla completa agua avanza de manera que se va

produciendo la mezcla

Flujo pistón Flujo mezcla completa



Flujo pistón: es característico de los depósitos estrechos, alargados y

con poca profundidad, o también depósitos equipados

con deflectores.




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Flujo mezcla completa : el agua entrante se mezcla instantánea y

completamente con la que ya está en el depósito, por

lo que se tiene en todo instante una mezcla uniforme.

Son características las formas esféricas u otros con

diseño de flujos convenientes.



Los procesos de mezcla reales no suelen ser ni de mezcla completa

ni tipo pistón, en su lugar, suelen ser situaciones intermedias de las

anteriores.




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Modelos Matemáticos (EPANET, WaterCAD / WaterGEMS, otros)

contemplan hasta cuatro tipos de comportamientos para modelar el

depósito:

• El de mezcla completa

• El modelo con dos compartimentos

• El FIFO (el agua entra y sale de manera ordenada)

• El LIFO (es un modelo de pistón con bypass)


Agua

Tipos de análisis de calidad de agua:

• Constituyente (Constituent)

• Tiempo de permanencia del agua (Age)

• Procedencia (Trace)




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Análisis de Constituyente

Es el seguimiento de sustancias que, con una determinada

concentración, están presentes en la red.

Dentro de estas sustancias podemos incluir agentes desinfectantes, o

bien agentes contaminantes que se han introducido en nuestro

sistema.

La cinética de las reacciones de crecimiento

o decaimiento de las sustancias químicas es

función de materia orgánica de partida, de la

temperatura, del nivel de concentración de

cloro y hasta del pH del agua.

Análisis de Constituyente

Sustancias

químicas

Conservativas: no cambian o no reaccionan

mientras permanecen en la red

No conservativas: si reaccionan

• Salinidad

• Metales

• Nitrogenos

• Cloro

• THM’s

• Sólidos / Turbidez




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La ecuación para el cálculo del transporte de masa en tuberías es:

Análisis de evolución del cloro

Donde:

C = concentración de la sustancia química

V = velocidad del fluido en la tubería

D = coeficiente de difusión

kb = constante de reacción en el medio

n = número de orden de reacción

n

Una forma simplificada es:


Donde:

C = concentración de la sustancia química

V = velocidad del fluido en la tubería

k = constante de reacción en el medio

n = número de orden de reacción

tk

o eCC

nCkdt

dC

Para el cloro n = 1




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La tasa de reacción K:


)( fwH

fw

bkkR

kkkK

Donde:

kb = constante de reacción en el medio o masa

kw = constante de reacción de pared

kf = coeficiente de transferencia de masa desde el interior del

fluido hacia las paredes

RH = radio hidráulico de la tubería

Coeficiente de transferencia kf:


D

dSk H

f

Donde:

kf = coeficiente de transferencia de masa desde el interior del

fluido hacia las paredes

SH = número de Sherwood

d = difusividad molecular del reactivo

D = Diámetro de la tubería




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Número de Sherwood SH:


Donde:

Re = número de Reynolds

L = longitud de la tubería

= viscosidad cinemática del fluido

2HS

dSH

83,0Re023,0

32

Re04,01

Re0668,0

65,3

dL

D

dL

D

SH

En régimen estacionario (Re<1)

En régimen turbulento (Re>2300)

En régimen Laminar (1<Re<2300)

Coeficiente de masa kb: (Bulk coefficient)


díakdía b /5,1/1,0 Cloro residual libre

Coeficiente de pared kw: (Wall coefficient)

díakdía w /52,1/06,0 Cloro residual libre

Difusividad molecular d:

segmdsegm Cloro /104,1/102,1 2929 Cloro




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Tiempo de permanencia del agua

• Tiempo transcurrido desde que el agua entra en el sistema hasta

un instante considerado.

• También se conoce como: Edad del agua o Tiempo de residencia.


Formulación Matemática:

Donde:

Ai = Tiempo de permanencia acumulado en nudo “i”

AAj = Tiempo de permanencia en nudo “j”

qi = Caudal que llega al nudo “j” desde el nudo “i”




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Formulación Matemática:

Donde:

AAj = Tiempo de permanencia acumulado en nudo “j”

AAk = Tiempo medio de permanencia en nudo “k”

qki = Caudal que llega al nudo “j” desde el nudo “k”

Tkj = Tiempo necesario para ir del nudo “k” al nudo “j”

k

l

Análisis de Procedencia

Es una herramienta útil que nos permite estudiar el alcance del

agua en la red procedente de una fuente de suministro, cuando la

red se alimenta desde más de un punto.

Fuente N° 1

Fuente N° 2

q% Fuente N° 1

% Fuente N° 2




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En sistemas que tienen más de una fuente se utiliza para determinar:

• Qué porcentaje de caudal viene de cada fuente en cada nodo.

• El área de influencia de cada fuente individual, y su variación a

través del tiempo.


El análisis de procedencia también nos puede a la hora de aumentar la

cantidad de desinfectante de una fuente o bien añadir puntos de

recloración, al detectar una zona con baja concentración de cloro

residual.

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