Universidad Nacional de Ingeniería Procesos Unitarios en Ingeniería Sanitaria

Facultad de Ingeniería Ambiental

DEPETACIÓN DE
OXIGENO
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UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA

FACULTAD DE INGENIERIA AMBIENTAL

Laboratorio N°5
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INTRODUCCION

El presente trabajo nos da a conocer la aireación de una muestra de agua residual,

se realizara la aireación del oxigeno por el método de chorreo. El proceso tiene un
periodo de una semana el cual se ha ido determinando el OD, la temperatura y el
ph, cada día durante periodos de 3 horas. Esto se reflejara en los resultados
obtenidos por cada medición de cada alumno.

1.- Objetivos

- Experimentalmente se deberá demostrar el efecto de la aeración por un

sistema de chorro sobre una muestra de desague con oxigeno muy limitado
o nulo
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- Se verificara la correlación del trabajo experimental con las formulas

teóricas referidas al equilibrio cinético y la transferencia gaseosa de oxígeno
vertido en prácticas anteriores.

- Se obtendrá experimentalmente de la capacidad de oxigenación de un

sistema de aereación y la velocidad con que se consume luego de la
saturación como consecuencia de la biomasa propia de las aguas servidas.

2.- Fundamento Teórico

Recordando lo estudiado en la práctica de aireación por chorro aplicaremos el

mismo principio para la aeración de una muestra de aguas residuales domésticas,
en donde el chorro es impulsado superficialmente por una boquilla y el aire en sí es
arrastrado junto con las aguas residuales. Se explicó respecto a la baja presión
creada por el sistema que lleva aire al líquido, y el líquido aireado se mezcla
entonces con el volumen principal de líquido. En vista que una de las desventajas
de este sistema es que el líquido que pasa por la boquilla debe estar libre de
grandes fragmentos de materia particulada en suspensión que provocaría
posiblemente el bloqueo o taponamiento de la boquilla y por lo tanto la perdida de
eficiencia del chorro en la transferencia de oxígeno, debemos percatarnos que el
agua residual sea muestreada después de la cámara de rejas o tamizado previo a
la planta de tratamiento. La saturación de oxígeno en el sistema puede estar
supeditada a factores externos y el tiempo que la saturación ocurra es relativo y de
acuerdo a la eficiencia de la recirculación

La depletación de oxigeno encierra el principio en la cual las aguas naturales en

condiciones estables consumen oxígeno disuelto como consecuencia de la
biomasa existente. Esta velocidad de desoxigenación será más acelerada si la
cantidad de microorganismos es más elevada. La teoría demuestra que la curva
generada en esta interrelación tendera a ser asintótica con tendencia a ser cero.
Mientras que en la primera parte del experimento, durante la aireación y por
consiguiente la saturación de oxígeno, la Demanda bioquímica de oxigeno ira de
mayor a menor; en este último experimento será en forma inversa. Nótese que serán
relacionados de manera inversamente proporcional los valores de OD y DBO para
ambos experimentos independientemente desarrollados.

TRANSFERENCIA DE GASES

Es el fenómeno físico frecuentemente acompañado de cambios químicos,

bioquímicos y biológicos; mediante el cual, moléculas de gas son intercambiadas
entre un gas y un líquido en la interface. En consecuencia se tiene un aumento en la
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concentración de un gas en el medio líquido o en el medio gaseoso, según se trate

de absorción o desgasificación.
Dentro del ciclo hidrológico, el agua está expuesta a:

La atmósfera (O2, N2, en menor concentración CO2 y H2S).

El suelo (CO2, CH4, H2S, O2). El subsuelo (CO2, CH4, H2S, O2).

Y en consecuencia ocurren fenómenos de transferencia de gases que inciden en la

calidad del agua.

Algunos organismos vivientes son responsables de grandes transferencias de gas,

como el caso de las algas, las cuales mediante la fotosíntesis (en presencia de luz)
son capaces de elevar la concentración de oxígeno en un estanque por encima
del nivel de saturación y durante la noche (respiración) deprimir a cero la
concentración de O2, trayendo estos fenómenos graves consecuencias al medio
ambiente y calidad del agua. Otros fenómenos relacionados con la degradación
de la materia orgánica en cuyo proceso intervienen diferentes tipos de
microorganismos producen desprendimientos de sustancias volátiles solubles en el
agua que proporcionan al agua olores y sabores desagradables. Estos fenómenos
van relacionados con condiciones anaeróbicas y como consecuencia es usual
encontrar producción de NH4, CH4, H2S, etc. La facilidad o dificultad con que un
gas es absorbido por el agua depende de algunos factores con la solubilidad del
agua en el gas. Existen una gran variedad de gases que pueden ser absorbidos por
el agua como por ejemplo: el amoniaco que es más soluble en el agua que el
oxígeno y el dióxido de carbono que son absorbidos con menos facilidad. Existen
varias teorías que han sido estudiadas para explicar el mecanismo de transferencia
de gases en el agua y son ampliamente utilizadas al modelar la cinética de los
gases.

AIREACIÓN Y TRANSFERENCIA DE GASES

La aireación y la transferencia de gases sirven para varios propósitos en los procesos

de purificación de agua y tratamiento de aguas residuales. El primer propósito de la
aireación del agua es el incrementar el contenido de oxígeno, la remoción del
dióxido de carbono para estabilizar o suprimir la agresividad del agua y lograr el
equilibrio carbónico, desorción de sabores, olores producidos por gases o sustancias
volátiles con la finalidad de lograr estándares de calidad. El segundo propósito es la
oxidación del hierro y manganeso en el agua, es recomendable para aguas con
concentraciones de Fe+2 no mayores de 5mg/L; la tasa de oxidación de Fe+2 por el
oxígeno depende de la temperatura, la alcalinidad y el contenido de oxígeno
disuelto. Otras alternativas son la aplicación de cal, dolomita, hidróxido de sodio
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parra la remoción de dióxido de carbono y al adsorción de sabores y olores en lugar

de realizarlos por aireación.

OBJETIVOS DE LA AIREACIÓN Y TRANFERENCIA DE GASES

1. Aireación

a. Agitación.
 Desarenadores aireados, para mantener suspendida la materia
orgánica.
 Cámaras de floculación, el aire produce los gradientes de
velocidad para producir los choques entre partículas.
b. Adición de oxígeno a aguas subterráneas anaeróbicas para oxidar hierro
manganeso disuelto, con la finalidad de formar compuestos precipitativos y
facilitar su remoción.
c. Proporcionar O2 a las aguas negras con la finalidad de mantener el nivel
de oxígeno disuelto en el medio líquido necesario para la degradación
aeróbica de la materia orgánica.

2. Desgasificación.

a. Remoción del CO2 para establecer el equilibrio del agua con relación al
carbonato.
b. Remoción de metano (CH4) para prevenir posible explosiones.
c. Remoción de aceites volátiles y sustancias similares productoras de olor y
sabor.
d. Remoción de amoniaco (NH4) en aguas residuales con la finalidad de
disminuir el potencial de eutrofización en los cuerpos receptores.
e. Remoción de ácido sulfhídrico (H2S) para controlar los olores y sabores y
disminuir el potencial corrosivo de metales y desintegración del concreto.

3. Absorción

a. Adición de CO2 a aguas que han sido ablandadas con cal con la finalidad
de estabilizar la supersaturación de CaCO3 y Mg(OH)2. A este proceso se
le denomina re carbonatación.
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b. Adición de CO2 al afluente de aguas negras tratadas con cal para la

remoción de fosfatos con la finalidad de obtener una neutralización
económica antes de ser descargada al cuerpo receptor, sobre todo si la
capacidad de neutralización de éste es inadecuada.
c. Adición de ozono o cloro gas para fines de desinfección o para fines de
destrucción de cadenas orgánicas productoras de sabor y olor, así como la
oxidación química de la materia orgánica.

SOLUBILIDAD DE LOS GASES

La solubilidad de los gases en el agua dependen de:

 La naturaleza de los gases, el que está expresado por el coeficiente de

distribución KD.
 La concentración del gas en la fase gaseosa (g/m3) el mismo que está
relacionado con la presión parcial P del gas en fase gaseosa.
 La temperatura del agua T.
 Las impurezas que contiene el agua.

Influencia de la concentración del gas:

Si el agua se expone a un gas o a una mezcla de gases existe un intercambio

continuo de las moléculas del gas de la fase líquida en la fase gaseosa y viceversa.
Tan pronto como la concentración de solubilidad en la fase líquida es alcanzada,
ambas corrientes del gas serán de igual magnitud tal que no ocurrirá cambios de las
concentraciones del gas en ambas fases.

Este equilibrio dinámico se refiere generalmente como la solubilidad o la

concentración de la saturación del gas en el líquido. Cuanta más alta es la
concentración del gas en la fase gaseosa es mayor la concentración de saturación
en la fase líquida. Por lo que la relación entre el cs de la concentración de la
saturación (g/m3) y la concentración del gas en la fase de gas cg (g/m3) es dada
por:

C.S  kD.Cg
kD = coeficiente de distribución

Influencia de la temperatura

Cuando los gases son disueltos en el agua, este proceso es generalmente

acompañado por la liberación de calor. De acuerdo al principio de Le Chatelier,
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incrementos en la temperatura resulta en reducción de la solubilidad. La ecuación

que se puede aplicar para generalizar la dependencia de la temperatura es:
d ln k D  H

dT RT 2
R = constante universal de los gases
T = Temperatura absoluta (ºK)
ΔH = Cambio del contenido de energía acompañando la
absorción de 1 mol de gas (J/mol) (entalpia).

DIÓXIDO DE CARBONO

Dióxido de carbono, gas incoloro, inodoro y con un ligero sabor ácido, cuya
molécula consiste en un átomo de carbono unido a dos átomos de oxígeno (CO2).
El dióxido de carbono es 1,5 veces aproximadamente más denso que el aire. Es
soluble en agua en una proporción de un 0,9 de volumen del gas por volumen de
agua a 20 °C.

El dióxido de carbono se produce por diversos procesos: por combustión u oxidación

de materiales que contienen carbono, como el carbón, la madera, el aceite o
algunos alimentos; por la fermentación de azúcares, y por la descomposición de los
carbonatos bajo la acción del calor o los ácidos.

La atmósfera contiene dióxido de carbono en cantidades variables, aunque

normalmente es de 3 a 4 partes por 10.000, y aumenta un 0,4% al año. Es utilizado
por las plantas verdes en el proceso conocido como fotosíntesis, por el cual se
fabrican los carbohidratos, dentro del ciclo del carbono.

El dióxido de carbono se usa para fabricar carbonato de sodio, Na2CO3 · 1OH2O

(sosa para lavar), e hidrogenocarbonato de sodio, NaHCO3 (bicarbonato de sodio).
Disuelto bajo una presión de 2 a 5 atmósferas, el dióxido de carbono produce la
efervescencia de las bebidas gaseosas. No arde ni sufre combustión, por lo que se
emplea en extintores de fuego. El dióxido de carbono sólido, conocido como hielo
seco, se usa mucho como refrigerante.

La presencia de dióxido de carbono en la sangre estimula la respiración. Por esa

razón se le añade dióxido de carbono al oxígeno o aire ordinario en la respiración
artificial, y a los gases utilizados en la anestesia.

3.- Procedimiento

Material Necesario
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- 01 Recipiente apropiado para contener 70 litros y con disposición de

desagües.
- 01 boquilla de vidrio para generar chorro
- 04 metros de manguera de jebe
- 10 capsulas de porcelana para determinación de solidos (totales, fijos y
volátiles)
- 01 cono imhoff
- 30 botellas de DBO5
- 03 buretas graduada de 50 ml para determinar alcalinidad y acidez y OD.
- 01 fiola de 200 ml. (corregida para realizar determinaciones de OD)
- 03 pipeta graduadas de 10 ml (una para cada reactivo de medición de DB05)
- 02 Matraces de Erlenmeyer de 250 ml.
- Soporte universal con soportes adecuados para la buretas.

Reactivos y Soluciones

- Acido sulfúrico H2SO4 0.02N

- Hidroxido de sodio, NaOH 0.02N
- Indicador fenoltaleina
- Indicador anaranjado de metilo
- Agua destilada

Para determinación de Oxígeno Disuelto

- Ácido sulfúrico concentrado (36N)

- Solución de nitruro-yoduro
- Solución de sulfato manganoso
- Solución de tiosulfato de sodio
- Solución indicadora de almidón.

Para determinación de la DBO (preparación del agua de dilución)

- Agua destilada
- Solución de cloruro férrico
- Solución de Sulfato de magnesio
- Solución de Cloruro de calcio
- Solución Amortiguadora de fosfato

Equipamiento Requerido

- 01 Potenciometro
- 01 Bomba de retorno
- 01 Plancha de calentamiento
- 01 mufia
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Procedimiento Experimental

1.- Mida el oxígeno disuelto de la muestra de agua contenida en el recipiente de

70 litros. Así mismo determine la temperatura y mida el volumen de desague
contenido. El oxigeno no necesariamente será cero.

2.- Determine también el pH, los sólidos sedimentables, totales, fijos y volátiles de
la muestra (puede también medir algún otro parámetro complementario).

3.- Determine así mismo la DBO antes de iniciar la aereacion. Las diluciones que
utilizara para la muestra serán desde 0.5 ml hasta 7.0 ml con intervalos de 0.5 ml
(al final se obtendrán 14 diluciones).

4.- Como prueba adicional mida el caudal del chorro; esto deberá hacerlo con
un recipiente de volumen conocido y tomando el tiempo de llenado. Utilizando la
formula de continuidad y midiendo el diámetro del chorro hallar la velocidad del
chorro.

𝑄 = 𝑉. 𝐴 Ecuacion de continuidad de flujos

Donde:

Q = Caudal

V= Velocidad del chorro

A= Área de la boquilla, esta tiene que ver con el diámetro interno

5.- Instale el equipo de chorro con un ángulo de 45° con respecto al plano
horizontal de forma tal que el punto de agua incida directamente sobre el espejo
de agua almacenada. Tome el tiempo de aireación hasta conseguir la
saturación (valor de trabajo de OD para la aireación será de 8 ppm)

6.- Tome muestras cada dos minutos, durante 10 minutos hasta que los resultados
obtenidos de oxígeno disuelto alcancen aproximadamente el valor de
saturación.

7.- Apague el equipo y tome el tiempo transcurrido; mida los parámetros

indicados en los ítems 1, 2 y 3 para las condiciones finales.

8.- A partir de este punto se tomarán muestras cada 2 horas hasta que las
condiciones de oxígeno diseulto resulten ser asintóticas y repetitivas con respecto
al tiempo (puede no ser necesariamente cero).
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9.- Grafique en papel milimetrado, los resultados de oxigeno disuelto contra

tiempo en minutos para las dos pruebas.

10.- Grafique en papel semilogaritmico los resultados del segundo

experimento:oxigeno contra tiempo y en esta determine la pendiente y la
ecuación de la recta, mostrando los cálculos de regresión lineal.

11.- Encuentre la capacidad de oxigenación para el primer experimento, use la

siguiente formula:

1 𝐶𝑠 − 𝐶0 𝐾10
𝐶. 0. = 25,9𝑥 ( ) 𝑥 𝐿𝑜𝑔 ( )𝑥 𝑥𝑉
𝑡1 − 𝑡0 𝐶𝑆 − 𝐶𝑡 𝐾

Donde:

C.O.= Capacidad de oxigenación en gramos de oxigeno por hora

tt – t0 = Tiempo transcurrido durante el experimento

Prolongue este tiempo a 1 hora en el grafico, para deducir la capacidad de

oxigenación.

Cs = Concentración de saturación del agua a la temperatura del ambiente. A 20°C,

Cs=9.2 ppm

C0 = Concentración inicial durante el experimento

Ct = Concentración en el tiempo t.

K10/K = Factor de correlación para la temperatura T°C a 10°C

Temperatura K10/ K
(°C)
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8 1,037
10 1,000
12 0,964
14 0,928
16 0,895
18 0,861
20 0,830

4.- Cálculos y Resultados

1.- Se midió inicialmente el oxígeno disuelto para verificar la presencia de oxígeno,

luego se procedió a medir la temperatura y el volumen del recipiente. Tambien se
hizo medición de pH.

pH = 6.84

OD = 2.60 mg/L

T°C = 23°

OD (blanco inicial) = 9.75 mg/L

Calculo del volumen del recipiente

- Medimos la longitud de la circunferencia la cual fue L = 179,3 cm.

- Hallamos el radio de la circunferencia del recipiente L = 2πr

Obtenemos que el radio es r= 28,536 y la altura H= 41 cm

r= 28,536

41 cm

Entonces el volumen del recipiente será:

𝑉 = 𝜋𝑟 2 ∗ 𝐻
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𝑉 = 𝜋(28,536)3 ∗ 41

𝑉 = 104.89 𝐿

2.- La medición de ppH fue de

pH = 6.84

3.- Se realizó la incubación de DBO(I), las diluciones correspondientes fue de 1,2,3,4 y

5 ml con agua destilada.

4.- Luego se procedio a

incubar las muestras y se
instalo el equipo de chorreo para
lo cual se medira el OD, ppH y
temperatura durante una semana

Durante la semana se obtuvieron los siguientes

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resultados desde el miércoles 26 de Octubre, hasta el lunes 31 de Octubre del

presente año.

Miercoles Jueves Viernes Lunes

pH 6.19 pH 6.55 pH 7.08 pH 6.7
T (°C) 20.9 T (°C) 19.5 T (°C) 19.4 T (°C) 21.2
09:00 a.m. O.D 0.48 O.D 0.11 O.D 0.14 O.D 0.13
pH 6.57 pH 6.93 pH 7.22 pH 6.71
T (°C) 19.6 T (°C) 20.2 T (°C) 20.11 T (°C) 20.3
11:00 a.m. O.D 1.39 O.D 0.1 O.D 0.26 O.D 0.08
pH 7 pH 7.02 pH 7.23 pH 7.01
T (°C) 19.8 T (°C) 19.56 T (°C) 20.5 T (°C) 20.1
12:30 p.m. O.D 2.56 O.D 1.23 O.D 0.58 O.D 0.086
pH 7.22 pH 7.85 pH 7.34 pH 7.08
T (°C) 22.8 T (°C) 20.62 T (°C) 20.3 T (°C) 23.7
03:00 p.m. O.D 3.08 O.D 2.53 O.D 0.94 O.D 0.09
pH 7.69 pH 7.18 pH 7.1 pH 7.05
T (°C) 22.7 T (°C) 20.7 T (°C) 21.2 T (°C) 22.6
05:00 p.m. O.D 0.41 O.D 0.12 O.D 0.68 O.D 0.082
pH 6.89 pH 7.17 pH 6.89 pH 6.8
T (°C) 20.5 T (°C) 20.1 T (°C) 19.9 T (°C) 21.8
07:00 p.m. O.D 0.22 O.D 0.14 O.D 0.2 O.D 0.062

5.- Ahora calcularemos la gráfica de OD vs Tiempo

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Tiempo(min) OD(mg/L)
720 0,76
840 0,99
930 1,36
1080 1,38
1200 1,4
1320 3,12
2340 3,45
2520 3,55
2640 3,94
2760 3,44
3600 5,05
3780 5,05
3960 5,05
4080 5,06
4200 5,5
5040 7,2
5220 7,33
5400 6,48
5520 6,57
5640 6,98
6480 7,53
6660 7,73
6840 7,81
6960 8,26
7080 7,94