Cuestionario de Contaminación Ambiental

1.11 Una industria química que produce ácido acético, CH3 COOH, evacua un

caudal de agua residual de 100 l/s con una concentración en dicho ácido

de 300 mg/l. Si se elimina el ácido acético, oxidándolo hasta CO2 con

dicromato de potasio 1 M, proceso en el que el dicromato se reduce

hasta Cr3+, calcule el volumen diario de la solución de dato, expresado

en m3, que será preciso emplear.

Solución:

Rx oxi: C H 3COOH+2O2→2CO+2H 2O

300x 10−3 gC H 3COOHl

x1molC H 3COOH60 gC H 3COOH

x2moles O2

1molC H 3COOH=320mgO2

Peso equivalente:

O2+2e−¿→2O−2¿

324

=8

Nº demolesequivalentes deOxígeno por l agua=320mgO2/ l

8O2/mol equivalente

Nº demolesequivalentes deOxígeno por l agua=0,04Mol equivalenteO2

l agua

Nºmoles equivalentes totales de K2Cr2O7=100lsx24 x 60x 601día

x 0,04Mol equivalente

l

Nºmoles equivalentes totales de K2Cr2O=345600 Equivalentedía

Equivalente= MolCargadeCatión xnº aniones

=1Mol3 x 2

=1Mol6

Volumendiario K2Cr2O7=3456006

Volumendiario K2Cr2O7=57,6m3

d ía

1.5. Un agua de un manantial fue tratada con Na2CO3, para reducir su dureza.

Despues del tratamiento la dureza se ha reducido hasta 10 ppm de CaCO3.

¿Cuál será la concentración de CO32- en el equilibrio?

Dato: KS (CaCO3)= 5,0 x 10-9

Solución:

Cálculo de la concentración en el equilibrio

Rx: Ca(aq )2+¿+Na2CO3→CaCO3+2Na

1+¿ ¿¿

CaCO3→Ca(aq)2+¿+CO3 (aq )

2−¿¿ ¿

100 ppmCaCO3=10mgCaCO3

1l H 2Ox

1gCaCO3

1000mgCaCO3

x1molCa2+¿

100 gCaCO3

x1mol Ca2+¿

1molCaCO3

¿¿

¿1 x10−4molCO3 (aq)

2−¿

1 LH 2O¿

K sCaCO3=¿

[CO3(aq)−2 ]=5 x10−5M

1.17 A un agua residual que se encuentra a pH= 8 se le incorporan por un

nuevo vertido, 13 ppm de Cr(III) ¿Precipitará el citado metal en forma de

hidróxido de cromo (III)?

Dato: KS Cr(OH)3 =6,7 x 10-31

Solución:

Rx: Cr (OH )3→Cr+3+3OH−¿¿

KS=[Cr+3 ]¿¿

pH=−log¿

H 2O=10−8

[Cr+3 ]=13mgl

x1mol

52x 103mg=2,5x 10−4M

[Cr+3 ]=2,5 x10−4M

KS=[2,5 x10−4 ] [10−8 ]3

KS=2,5 x10−29

2,5 x10−29>6,7 x10−31

Sí se precipita porque el KS calculado es mayor que el KS dato.

1.27 Indique cuales son los usos habituales del agua y que importancia tienen

los mismos para la calidad que les es exigible al agua.

Solución:

Los usos esenciales del agua son:

Domésticos, urbanos o de abastecimiento

Industrial

Agrícola

También pueden considerarse otros, tales como:

Generación de energía eléctrica

Medio de vida acuática (acuicultura)

Recreativo y estético

Navegación

Otros: extracción de áridos. Medioambientales (caudal ecológico)…

Los usos a que se destina el agua para determinar la calidad exigible a la misma, dado

que los valores admisibles de determinados agente presentes en la misma oscilan en

forma importante según sea el destino del agua. Así, por ejemplo, un agua destinado a

un uso doméstico puede tener una dureza relativamente elevada, mientras que esto

mismo es inadmisible en una agua industrial destinada a uso en calderas: un agua

destinada a usos reactivos puede tener un gran contenido en sales, especialmente es

sodio, como el agua de mar, lo que no puede aceptarse en una agua de riego.

1.33 Complete el siguiente esquema de una planta depuradora de aguas

residuales urbanas dotada de tratamiento biológico aerobio, e indique de

forma breve, el nombre y objetivo de cada una de las operaciones que tiene

lugar y/o los contaminantes que son eliminados en la línea de aguas del

proceso. Así mismo, indique cual es la línea de aguas, la de fangos y la de

gases y ponga las flechas adecuadas que señalen el sentido de evolución

del tratamiento.

Solución:

Las flechas con trazo de puntos indican la línea de aguas: Pretratamiento-1-2-3-

Tratamiento terciario.

Las flechas con trazo continuo indican la línea de fangos, incluida la del 3 al 2,

que se recirculan del decantador al reactor biológico.

Las líneas discontinuas indican la línea de gases: Digestión anaerobia-7-Energia

calorífica.

El nombre y el objetivo de las operaciones es el siguiente:

Línea de aguas:

1. Tratamiento primario: Decantación:

Objetivo: eliminación de materia no disuelta.

Contaminantes eliminados: sólidos en suspensión orgánicos e

inorgánicos se envían los mismos a las líneas de fangos (fangos

primarios).

2. Reactor biológico aerobio tipo fangos activos o filtro biológico.

Objetivo: oxidación biológica de la materia orgánica.

Contaminantes eliminados: materia orgánica biodegradable (DBO,

DQO).

3. Decantación secundaria:

Objetivo: precipitación de la biomasa o fangos biológicos producidos en

el reactor. Recirculación del flujo adecuado de la misma y eliminación

de excedentes en la línea de fangos.

Contaminantes eliminados: el conjunto de Reactor más Decantación

secundaria ocasionan la eliminación de materia orgánica biodegradable

(DBO, DQO).

Línea de fangos:

4. Espesador: concentración de los fangos primarios por gravedad.

Objetivo: eliminación de agua de los fangos primarios para eliminar su

concentración.

5. Flotador: concentración de los fangos secundarios o biológicos

mediante flotación con aireación.

Objetivo: Eliminación de agua de los fangos secundarios para

incrementar su concentración.

6. Deshidratación y secado de fango: concentración de los fangos

digeridos (estabilizados).

Objetivo: eliminación de agua de los fangos digeridos con el fin de

facilitar su transporte.

7. Deposito del biogás obtenido en la digestión anaerobia de los fango.

1.39 Una planta potabilizadora de agua, que se abastece de un rio cercano,

consta de una secuencia convencional de tratamiento (desbaste,

coagulación-floculación, filtración con arena y desinfección). El agua de

salida tras dicho tratamiento presenta una excesiva dureza, detectándose

también la presencia de pesticidas organoclorados (compuestos orgánicos

poco biodegradables), en una cantidad que excede el límite legal

establecido. Explicar que métodos adicionales de tratamiento deberían

implantarse en la planta para corregir dichos problemas.

Solución

La planta potabilizadora de agua con secuencia convencional de tratamiento

debería incorporar las etapas que a continuación se señalan para conseguir

una eliminación adicional de la dureza y de pesticidas organoclorados.

Disminución de la dureza del agua:

La dureza del agua esta ocasionada principalmente por la presencia excesiva

de catines Ca2+ y Mg2+ en el medio acuoso; en la mayoría de las aguas

naturales la principal contribución a la dureza corresponde al Ca2+ (mucho más

abundante que el Mg2+). Una dureza excesiva ocasión problemas en las aguas

de lavado (disminuye la eficiencia de los principales activos de los detergentes,

los surfactantes o tensoactivos) y en las aguas de refrigeración y calderas

(provocando incrustaciones de cal y carbonato de calcio).

Para disminuirla se puede emplear varios métodos, entre los que podemos

señalar:

Método de la cal-sosa: se adiciona cal al agua, con lo que esta

alcanza un pH>10 que posibilita la conversión de los

hidrogenocarbonatos solubles en carbonatos solubles:

Ca ¿

Mg (HCO3)2+2Ca(OH )2→2CaCO3↓+Mg (OH )2↓+H 2O

En caso de que no exista suficiente ion hidrogenocarbonato en el agua

de partida, la adición de “sosa” (con este término se designa en este

caso carbonato de sodio no al hidróxido de sodio) proporciona cantidad

requerida de carbonatos.

Resinas intercambio iónico: el agua dura atraviesa una resina

modificada con grupos intercambiadores de cationes, siendo contraión

inicial presente en la resina, el ion sodio (Na+). Al atravesar la resina, los

cationes Ca2+ y Mg2+ del agua dura se intercambian por iones Na+ de la

resina, quedando fijados (o inmovilizados) en la misma. Un esquema de

dicho proceso es el siguiente:

RX−Na2+Ca2+¿¿ ¿

RX: matriz de la resina

La composición de las resinas suele ser de gel de sílice o algún

polímero orgánico, modificado con grupos intercambiadores de

cationes, como los grupos carboxílicos (intercambiadores débiles) o

sinfónicos (intercambiadores fuertes).

Podríamos también pensar en la utilización de agentes quelantes,

aunque no constituye en realidad un método de eliminación de la

dureza. La acción que ejercen consiste en el “secuestros” de los

cationes divalentes (Ca2+ y Mg2+), inmovilizándolos en forma de

quelatos, impidiendo su precipitación (en forma de o carbonatos) o su

reacción con los surfactantes de los detergentes.

Disminución de pesticidas organoclorados:

Al ser compuestos orgánicos poco biodegradables, no sería efectiva la

utilización de tratamientos biológicos. En este caso, lo más adecuado sería

utilizar métodos físicos o químicos, tales como:

Adsorción sobre carbón activado (método físico):

El carbón activado (o carbón activo) es un tipo especial de carbón que

tras un proceso de activación presenta una gran capacidad adsorbente

frente a los compuestos orgánicos. Se podría utilizar carbón activado en

polvo (PAC) añadiéndolo en la etapa de coagulación-floculación (donde

adsorbería los compuestos orgánicos) y eliminándolo posterior-mente

mediante su sedimentación (junto con los flóculos formados) en el

decantador. La aplicación más habitual es emplearlo en forma de

carbón activado granular (GAC), en filtros similares a los filtros de arena

utilizados en las potabilizadoras convencionales. Las posibilidades en

este caso son varias, dependiendo de la concentración presente de

pesticidas organoclorados: sustituir completamente los filtros de arena

convencionales por filtros de carbón activado granular o sustituir solo

una parte de los mismos, estableciendo una filtración secuencial filtro

de arena/filtro de carbón activo (otra variante de este sistema siria

rellenar todos los filtros con lechos mixtos arena-carbón activado). Un

aspecto importante a tener en cuenta es que con el uso el carbón

activado acaba saturándose (ya no puede adsorber más compuestos

orgánicos) y es necesario renovarlo. El carbón activado “gastado”

(saturado) puede regenerarse mediante métodos térmicos

(calentamiento del carbón en hornos y desorción térmica de los

compuestos orgánicos adsorbidos) o químicos (oxidación), pudiéndose

emplear de nuevo tras su regeneración en los filtros de la

potabilizadora.

Oxidación: (método químico): otra posibilidad es la oxidar los

pesticidas organoclorados mediante algún oxidante químico fuerte. Los

oxidantes típicos que se pueden emplear para esta aplicación son el

ozono (O3), el permanganato de potasio (KMnO4), el peróxido de

hidrogeno (H2O2) y el hipoclorito de sodio (NaClO). En algunos casos es

más efectiva la utilización de los llamados “procesos de oxidación

avanzada” (AOP), los cuales suponen la combinación de varios

oxidantes, favoreciendo la generación de especies radicales (como el

radical hidroxilo: -OH), las cuales son oxidantes muy enérgicos (con

cinéticas de oxidación muy rápidas); algunos ejemplos de estos

procesos son : O3 + radiación UV, O3 + H2O2 + alto Ph, etc.

2.21. Indique por qué se produce el efecto invernadero, qué gases lo ocasionan

y por qué se ha incrementado la emisión de los mismos.

En el balance energético global del sistema Tierra –atmósfera hay que tener en

cuenta no sólo la cantidad de radiaciones recibidas o emitidas por la Tierra,

sino también la longitud de onda de las mismas. Las radiaciones que,

procedentes del sol llegan a la Tierra, pertenecen fundamentalmente a la zona

del visible e infrarrojo próximo, por ser la atmósfera transparente a las mismas.

Sin embargo, la radiación que durante las horas nocturnas la Tierra remite al

espacio, está comprendida, prácticamente en su totalidad, en la zona del

infrarrojo lejano, siendo una radiación de naturaleza fundamentalmente

calorífica.

Algunos de los componentes naturales de la atmósfera (dióxido de carbono,

vapor de agua, monóxido de dinitrógeno, metano) y otras especies,

esencialmente de origen antropogénico, existentes en el seno de la misma

(CFCs, HCFCs, ozono troposférico), experimentan grandes absorciones en la

zona del infrarrojo. Por ello la radiación emitida por la superficie terrestre en las

horas nocturnas queda retenida en la atmósfera en contacto con la Tierra y

sólo una parte de la misma puede escapar al espacio exterior. Este

desequilibrio del balance energético origina un calentamiento de la atmósfera

conocido como efecto invernadero.

EI aumento de la concentración de loa componentes naturales de las

atmósferas causantes de efecto invernadero y de los contaminantes

antropogénicos, responsables también del mismo, se ha visto incrementada por

las siguientes acciones:

• Aumento de consumo de carburantes fósiles, lo que implica unas

mayores emisiones de CO2.

• Deforestación, lo que supone una menor actividad fotosintética y por

tanto una menor reducción del CO2 atmosférico.

• Incendios forestales, con aumento de las cantidades de CO2, y CH4.

• Actividades industriales, entre las que puede destacarse la producción

de cemento, originando emisiones de CO2 al descomponer la piedra

caliza (CaCO3).

• Desgasificación del carbón y fugas, tanto en minas como en distribución

del gas, lo que implica aumento del CH4.

• Incremento de agricultura intensiva, con aumento de emisiones de N2O.

• Empleo de los CFCs como productos industriales.

• Actividades contaminantes que implican aumento del ozono troposférico

y otros componentes del smog fotoquímico.

• Aumento de residuos productores de metano por descomposición

anaerobia

2.27. Responda a los siguientes apartados

a) Señale en qué tipo de procesos se fundamentan los métodos que se

emplean para eliminar contaminantes gaseosos que se emiten a la

atmosfera.

Para eliminar contaminantes gaseosos que van a ser emitidos a la

atmósfera se emplean métodos basados en procesos de absorción

producidos par agua o disoluciones adecuadas o técnicas basadas en la

adsorción sobre soportes sólidos adecuado»: de los agentes a eliminar.

b) Señale los principales métodos empleados para eliminar o reducir las

emisiones de NOx, originadas por el transporte y por los focos de

combustión estacionarios.

En los transportes se puede abordar el problema de los NOx, tratando de

minimizar su producción mediante:

• La mejora de la reacción de combustión, controlando la proporción

aire/combustible. Se considera óptima para lograr una mínima

producción, sin tener problemas técnicos de otro tipo, la denominada

porción estequiometria.

• Empleo de reactores de escape térmicos, basados en una combustión

en dos etapas en las que se controla la temperatura y la cantidad de

aire a aportar.

• Empleo de reactores de escape catalíticos, que recurren a catalizadores

de tipo reductor para reducir los óxidos de nitrógeno a nitrógeno

molecular.

En los focos de combustión estacionaria puede optarse por minimizar, la

producción de los óxidos de nitrógeno o desnitrificar los gases una vez,

generados los contaminantes indicados.

• Minimización de la producción; se recurre a la mejora de la combustión,

lo que implica controlar la temperatura y las proporciones

aire/combustible, de forma que la producción de óxidos de nitrógeno

sea mínima. Las soluciones técnicas a aplicar para lograr esta mejora

pueden ser varias: combustión por etapas, recirculación de gases de

combustión, precalentamiento de aire,etc.

• Desnitrificación de los gases: se emplean técnicas de vía húmeda

(absorción por agentes tales como acetato de sodio, EDTA, soluciones

alcalinas), o técnicas de vía seca recurriendo a reducciones catalíticas

selectivas o no, o a métodos de irradiación con haces de electrones.

c) ¿Cuáles son los principales métodos de eliminación de partículas

procedentes de los focos de combustión estacionaria y de la industria?

Para la eliminación de partículas de los focos de combustión estacionaria y

de la industrial y dependiendo del tamaño de las mismas puede optarse por

diferentes métodos, entre los que cabe citar

• Colectores secos: cámaras de sedimentación por gravedad y ciclones

fundamentalmente.

• Colmares húmedas: lavadores de támara, lavadores ciclónicos,

lavadores por inercia y otros.

• Filtros de tela, filtros de mangas y precipitadores electrostáticos.

2.33. Una industria de sector del automóvil posee unas calderas que utilizan

como combustibles fuel – oil, lo que genera una emisión de gases

contaminantes que sobrepasa los límites legales establecidos para el SO2

y las partículas. Indique como plantearía la posible depuración de dichos

contaminantes.

Una primera posibilidad a valorar sería la del cambio de combustible por otro

con menor contenido en azufre, lo que ocasionaría la consiguiente disminución

de SO2, y quizá también cierta disminución en la emisión de partículas. Si no se

opta por este método preventivo será preciso recurrir a alguna técnica

adecuada para eliminar ambos tipos de especies una vez generados.

Para el SO2, podría optarse por un procedimiento seco o húmedo. Los secos

consistirían en esencia en la adición de caliza al horno de combustión, los

húmedos en el tratamiento de los gases con soluciones de tipo alcalino. La

decisión para la adopción del más idóneo vendría influenciada por numerosos

factores: cantidad de SO2 a eliminar, posible generación de aguas residuales,

problemas de incrustaciones en la caldera de combustión.

Para las partículas podría optarse por colectores secos, colectores húmedos o

filtros. También en este caso la decisión vendría condicionada por numerosos

factores: tamaño y naturaleza de las partículas a eliminar, caudal de gases a

tratar, eficiencia a obtener, humedad, temperatura y presión del gas a tratar.

2.3 En una estación municipal de control de la contaminación atmosférica, un

monitor da una concentración media de ozono, para un periodo de

veinticuatro horas, de 25ug/m3 a 25°C y 1 bar. ¿Cuál será la concentración

de ozono no expresada en ppm?

SOLUCION:

PM O3 = 48

ppm= μg /m3

48∗103

22.4

=25 μg /m3

48∗103

24.5

=0.01 ppm

2.9 Una industria utiliza como combustible 2 t/dia de un carbón que contiene un

90% de C y un 2% de S y emite gases a la atmosfera con una caudal de

1.500 Nm3/h.

a) Calcular la concentración de partículas en el gas de emisión si un 5% del

contenido en C del carbón se emite en forma de partículas inquemadas.

b) Calcular el contenido de SO2 en los gases de emisión, expresado como

mg/Nm3, suponiendo que no se aplica ningún sistema de depuración.

c) Si para depurar las emisiones de partículas se instala un filtro de mangas

que tiene una eficacia teórica del 99%, calcular la concentración final de

partículas que se emite al exterior.

SOLUCION:

a) Carbon = 2Tdia

C=2∗0.9=1.8T Cdia

S=2∗0.02=0.04T Sdia

Cantidad de C en la emisión: ¿1.8T

Cdia

∗dia

24 h∗0.05=

0.00375Th

Concentración de partículas en la emisión:

0.00375Th

1500N m3

h

∗109mg

1T=2500 mg

N m3

b) Reacción: S + O2 SO2

1molSO2

1molS∗1mol S

32gS∗64 gSO2

1molSO 2

∗0.04TM S=

0.08T SO2

dia∗dia

24h=0.00333T S O2

h

Contenido de SO2:

0.00333T SO2

h

1500N m3

h

∗109mg

1T=2220mg

SO2

N m3

c) Filtro al 99% por lo que solo puede pasar el 1% de las partículas por lo tanto:

Concentración de partículas en la emisión: 2500mg

N m3∗0.01=25 mg

N m3

3.2. Al hacer una auditoría ambiental en una empresa se detecta que sus problemas medioambientales son fundamentalmente:

Emisiones de óxidos de nitrógeno (medidas como dióxido de nitrógeno) de 400 mg/Nm3.

Aguas con 60 mg/l de butanal y un contenido en zinc de 250 ppm.

Calcule:

a) ¿Cuál debiera ser la eficacia del sistema de eliminación de óxidos de nitrógeno a instalar, si sus emisiones deben reducirse a 20 ppm?

b) ¿Cuál será la DBO del agua residual si se considera que se debe exclusivamente butanal?

c) ¿Cuántos ml de disolución 0.1 M de fosfato de sodio habrá que añadir, por litro de agua residual, para eliminar el zinc que contiene, precipitándolo como fosfato de zinc, si el rendimiento del proceso es de 78%? La eliminación del zinc. ¿será completa? JUSTIFIQUE SU RESPUESTA.

d) Si el fosfato de zinc generado en el apartado, se retira en forma de lodos con un 46% de humedad y sabiendo que el caudal de agua residual es de 0.5 m 3/h. ¿Cuál será el peso mensual de lodo reiterados?

SOLUCION:

a. Concentracion NO2: [ 400mgNm3 ] [ 22.411mol ][ 1mol46∗103 ] [ 103 cm3

1 l ]=194.78 c m3

N m3

Concentración NO2 = 194 cm3/Nm3

Emision : 194.78-20 = 174.78 pp

Eficacia: 174.78194.78

∗100%=89.73%

b. La reacción de biodegradación:

C H 3−C H 2−C H 2−CHO+11202→4C HO2+4H 2O

DBO = [ 60mgl ][ 5.5molO 21molC 4H 8O ] [ 1molC 4H 8O72∗103mg ] [ 32∗103mgO3

1molO 2 ]DBO= 194.78

mgO2❑

l Agua

c. La reacción:

3Z n−2+2N a3 PO 4→Zn3¿

= [ 250mgZnl ] [ 2mol N a3PO4

3mol Zn ] [ 1mol Zn65.39∗10mgZn ]

=2.548*10-3 mol N a3 PO 4

M=NV→V= n

M=2.548∗10

−3mol0.1mol / l

=2.548ml N a3 PO4

l

Rendimiento 78%: Vf= 25.480.78

= 32.66ml N a3PO4

lAguaResidual

La eliminación de Zn no es completa, permanece en disolución la cantidad de Zn correspondiente al producto de solubilidad del Zn3 ¿

d. El Zn3 ¿ como lodos:

Cantidad de Zn3 ¿:

=[ 250mgZnl ]¿=0.492 gZ n3 ¿¿

=

0.492g(0.54 ) l

∗0.5m3

h∗24 h

dia∗30dias

mes∗103

1m3 ∗1Kg

103g=328kg Z n3¿¿

3.8. Una industria utiliza como combustible 500 kg/día de un gasóleo que

contiene 0.4% de azufre y emite a la atmosfera 1.5Nm3 de gas por kg de

gasóleo.

a) Calcular la concentración de SO2 en los gases de emisión, expresándola

en mg/Nm3.

b) Si para depurar las emisiones de SO2 se emplea un método “seco”

utilizando caliza, calcular la cantidad diaria que se necesitara de una

caliza que contiene un 85% de carbonato de calcio.

c) La industria genera también un vertido de aguas residuales que contiene

300 mg/l de ácido acético (CH3COOH).Calcular la DBO total que

ocasionaría la presencia de dicho contaminante.

a. Cantidad SO2 en los gases de emisión:

S=0.004¿)=2kg/día

En la reacción: S+O SO2

¿

2KgSdia

∗1molde SO 2

1molS∗1molS

32∗10−3 ∗64∗10−3KgSO 2

1mol SO 2=4 KgSO2

dia

¿

2KgS /dia750Nm3/dia

∗1molde SO 2

1mol S∗1molS

32∗10−3∗64∗10−3KgSO2

1molSO 2=5333.33 mgSO2

Nm

La reacción de depuración se determina a la cantidad de caliza:

SO2+CaCO3+1/2 O2 CaSO4+CO2

¿

4KgSO 2(0.85)dia

∗1moldeCaCO3

1molSO 2∗1mol SO 2

64∗10−3SO 2∗100∗10−3KgCaCO 3

1molCaCO3=7.35 KgCaCO2

1molO 2

Aguas residuales convertidas de ácido acético:

CH2-COOH=300 mg/L

REACCION DE BIODEGRADACION:

C2H4O2+O2 2CO2+2H2O

DBO=

300mgC2H 4O 2L

∗2molO 2

1molC2H 4O 2∗1mol C2H 4O2

6O∗10−3C2H 4O 2∗32∗10−3mgCO2

1molO 2

DBO= 320 mgO2/L.