1

Universidad de Boyacá/Facultad de Ciencias e Ingeniería/Ingeniería Ambiental

Taller Procesos Ambientales

Jaime Diaz Gómez

1

En una parcela de uso agrícola que tiene un área de 12 ha se aplica un pesticida a razón de 1.2 kg/ha

cada 2 semanas. El suelo se considera completamente mezclado (contenido homogéneo) y tiene una

profundidad de 20 cm.

En estado estacionario durante la aspersión se pierde el 1 % del flujo de masa aplicado del pesticida

por efecto del viento y la forma de aplicación. Adicionalmente el pesticida se evapora a una tasa del

2% por día de la masa presente y se degrada biológicamente con una constante de velocidad de 0.01

dias-1

.

A partir de balances de masa calcule:

¿Cuál es la masa promedio (M) de pesticida presente en estado estacionario?

¿Cuál será la concentración promedio de pesticida en g/m3 presente en el suelo en estado

estacionario?

¿Cuál será la concentración promedio de pesticida en estado estacionario presente en el suelo en

g/g asumiendo una densidad de los sólidos del suelo de 2500 kg/m3?

2

Un reactor de flujo continuo y mezcla completa en estado estacionario es empleado para realizar la

transformación de un constituyente A. La reacción se lleva a cabo de acuerdo con una cinética de

primer orden

2A3B

La constante de velocidad de la reacción tiene un valor de 1.5 h-1

. El volumen (V) es constante con

150 m3 y el caudal afluente y efluente (F) es de 10 m

3/h. La concentración entrando del reactivo A

es 3.5 mol/m3 y de producto B es 0

2

Calcule la eficiencia del reactor para la remoción del constituyente A y la concentración del

producto B cuando opera en estado estacionario.

Con base en balances de masa y en estado estacionario encuentre la expresión general que sirva

para encontrar la concentración del constituyente A en una serie N de reactores de flujo continuo y

mezcla completa de igual volumen. Calcule la eficiencia para la transformación del constituyente A

en una serie de reactores para N=2, 3 y 5

3

Una laguna que tiene un volumen de 104 m3 que se encuentra completamente mezclada

tiene un flujo de entrada y de salida de 5 m3/h. El afluente tiene una concentración de una

sustancia química de 0.01 mol/m3.

El químico también se descarga directamente en la laguna a razón de 0.1 mol/h. Si no hay

reacción, volatilización o cualquier otra pérdida de la sustancia.

a)

¿Cuál es la concentración en el efluente en mol/m3 cuando la laguna está en estado

estacionario?

b)

Si la sustancia reacciona de acuerdo con una cinética de primer orden cuyo valor es 10-3

h-1

¿Cuál sería ahora la concentración de la sustancia en el efluente en estado estacionario?

4

Un lago que tiene un área de 106 m2 y una profundidad promedio de 10 m recibe una

entrada de un constituyente químico a razón de 400 mol/d en una descarga de aguas

residuales. La sustancia también está presente en el flujo de agua de entrada de 10 m3/d con

una concentración de 0.01 mol/m3. La sustancia reacciona con una constante de velocidad

de 10-3

h-1

y se volatiliza a razón de 10-5

*C [mol/m2*s].

C es la concentración en el agua y m2 se refiere al área de la interfase aire-agua. El flujo de

salida es de 8000 m3/d. asumiendo que el lago tiene contenido homogéneo.

3

Calcule la concentración y la magnitud de todas las entrada y salidas en moles/ día cuando

el lago está en estado estacionario.

5

Se agregan 10 mol de un algicida orgánico a una laguna de 106 m

3 que no tiene flujo de

entrada ni de salida. El algicida se degrada con una constante de velocidad de 10-2

h-1

.

¿Cuál será la concentración del algicida en la laguna después de 1 y 10 días?

¿En qué tiempo se habrá degradado la mitad de la cantidad de algicida agregado?

6

Un lago bien mezclado que tiene un volumen de 106 m

3 recibe un afluente cuyo flujo son

10 m3/s conteniendo una concentración de una sustancia de 0.2 mol/m

3. La concentración

inicial de esa sustancia en el lago es de 0 mol/m3. La sustancia se degrada con una

constante de velocidad de 10-2

h-1

. El lago tiene un efluente cuyo caudal es igual al de la

entrada.

¿Cuál será la concentración de la sustancia en el lago después de un día de la entrada de la

sustancia?

7

Un lago muy bien mezclado cuyo volumen es 105 m

3 esta inicialmente contaminado con

una sustancia en una concentración de 1 mol/m3. La sustancia sale del embalse en un flujo

de 0.5 m3/s y reacciona dentro de la laguna con una constante de velocidad de 10

-2 h

-1.

¿Cuál será la concentración de la sustancia después de 1 y 10 días?

¿En qué tiempo habrá salido del lago el 90 % de la sustancia?

7

4

El río afluente a un lago tiene un flujo promedio (Q) de 300 m3/s, y una concentración de

(Css) sólidos suspendidos de 30 mg/l. El lago tiene un área (Ak) de 40 km2 y una

profundidad promedio (Dk) de 3 m, y su contenido puede considerarse homogéneo. La

velocidad de sedimentación (Vs) de los Sólidos Suspendidos es de 0.65 m/d y su densidad

(s) es 1.5 g/m3. Asuma que los sólidos suspendidos no sufren transformación.

Calcular:

El tiempo hidráulico de retención

La concentración de sólidos suspendidos en el lago (Ss)

Asumiendo estado estacionario en los sedimentos, que no hay trasformación de los sólidos

y que la densidad de los sedimentos es la misma de los sólidos suspendidos, calcular

La tasa de acumulación de los sedimentos Ba [mm/año]

Balance de masa para sólidos en un lago incluyendo sedimentos

Ahora asuma que los sólidos suspendidos se degradan en la columna de agua con una

constante de velocidad de primer orden cuyo valor es 1 d-1

. Calcule la variación de la

5

concentración de solidos suspendidos en la columna de agua asumiendo que la

concentración inicial de sólidos suspendidos es 3 g/m3.

Adicionalmente calcule la concentración de sólidos suspendidos en estado estacionario.

8

Un río con un flujo mínimo de 1000 m3/h, pasa a través de un lago. Una factoría descarga

aguas residuales con una concentración de contaminante conservativo de 1.3 g/m3. La

concentración máxima aceptable del contaminante en la salida del lago o efluente (Cl), es

de 30 mg/m3. A partir de balances de masa calcule:

¿Cuál es la carga permitida del contaminante para verter en el lago para no exceder el

máximo aceptable en el efluente? El volumen del lago es 500 m3.

Asuma condiciones de estado estacionario; que la concentración de la sustancia en el río

afluente es cero; y que el lago es un sistema completamente mezclado

Fri Ci

V=500 m3

Fw Cw

Frl Cl

9

Una laguna que tiene un volumen de 106 m3 y un flujo de salida de 500 m

3/h (y sin flujo de

entrada) es tratada con un algicida cuya concentración se debe mantener en 1 mg/m3. Se

decide agregar 3 kg con el fin de obtener una concentración de 3 mg/m3 para permitir la

disminución hasta 1 mg/m3 y agregar de nuevo 2 mg/m

3 para volver a tener 3 mg/m

3. El

algicida tiene una degradación de primer orden con una vida media de 693 horas (29 días).

6

¿Cuál debe ser el tiempo de espera para la segunda aplicación?

10

Considere un sistema de tratamiento de aguas residuales de lodos activados como el

descrito en la siguiente figura en el que se tiene el reactor aerobio seguido de un

sedimentador secundario.

Los microorganismos transforman los compuestos orgánicos en el reactor (cuyo contenido

es homogéneo) produciendo solidos suspendidos biológicos (biomasa) la cual debe ser

separada en el sedimentador . El efluente del sedimentador tiene una concentración de

solidos despreciable. Los sólidos sedimentados en el sedimentador secundario son: una

parte recirculados al reactor aerobio y otra parte evacuados del sistema en el lodo de

exceso.

El caudal de agua a tratar es 1440 m3/d. Los sólidos biológicos de exceso se evacuan con un

caudal (Qw) de 100 kg/d. La concentración de solidos biológicos en el reactor (X) es 1

kg/m3 y la concentración de los sólidos en la línea de recirculación (Xr) y en el lodo de

exceso (Xw) es 10 kg/m3. El área del reactor es 1000 m

2 y su volumen 1500 m

3.

Asumir que el volumen del sedimentador y las tuberías es muy pequeño con relación al

tanque de aireación y además en ellos no ocurre ningún proceso de transformación.

Kr, V, X, Cb

Q0

X0=0; Cbe

Q1

X1=0; Cb

Qw, Xw,,Cbw

Qr , Xr

K*A*Cb

7

a)

Calcular el caudal de lodo de exceso y el caudal de recirculación

En la figura anterior el agua a tratar tiene una concentración de Benzeno de 1 mg/L.

Desarrolle un balance de masa para benceno con el fin de estimar la concentración en el

efluente del sistema. Asuma que el benceno se volatiliza parcialmente en el tanque de

aireación con un flujo de k*Cb donde Cb es la concentración de benceno en el tanque de

aireación y k tiene un valor de 5 cm/h.

El benceno se degrada biológicamente con una tasa kr*Cb donde kr es una constante de

velocidad de primer orden cuyo valor es 2 d-1

.

Adicionalmente el benceno se absorbe y adsorbe en los sólidos biológicos. Se ha sugerido

que la concentración en los sólidos puede alcanzar el doble de la concentración en el

efluente.

Calcule la concentración de benceno en el efluente

Calcule el porcentaje de benceno que se volatiliza

11

Una laguna está llena con un residuo que contiene un organismo patógeno. La laguna se

opera como un reactor batch. En la laguna los patógenos mueren de acuerdo con una

cinética de primer orden cuyo valor es 0.4 d-1

.

Calcule el tiempo necesario para reducir la concentración de patógenos al 1 % de su valor

original.

8

Considere la misma laguna operada como un reactor de flujo pistón con el mismo volumen.

Calcule la eficiencia del RFP cuando opera con el mismo tiempo calculado para el reactor

Batch.

Calcule la eficiencia de un reactor de flujo continuo y mezcla completa operando con el

mismo tiempo del reactor Batch y en estado estacionario.

12

Asuma que un flujo constante de 1 m3/s pasa a través de un estanque cuyo contenido se

puede considerar homogéneo con un volumen de 1 Mm3. No hay otros flujos de entrada,

los efectos de la evaporación y la lluvia se pueden despreciar. En el tiempo cero el estanque

se contamina en forma repentina con una sustancia soluble no biodegradable. La sustancia

no se evapora, y no se adsorbe en las partículas sedimentables.

Cuanto tiempo tomara para reducir la concentración del contaminante en un 50 %?

13

Un reactor de flujo pistón ideal en estado estacionario se emplea para la transformación de

materia orgánica biodegradable (S). La transformación se puede considerar de primer

orden. Calcule la distancia mínima del reactor (Lmin) para reducir la concentración de

materia orgánica inicial al 1 % de su valor inicial. La constante de velocidad de la reacción

es 0.1 h-1

y la velocidad en el reactor es 1 cm/s.