Bases d'enginyeria ambiental - Alberto Bouzas Blanco

Alberto Bouzas Blanco

Juan A. González Romero

Vicente Martínez-Soria

Josep M. Penya-roja Oltra

BASES

DENGINYERIA AMBIENTAL

UNIVERSITAT DE VALÈNCIA

2007

Educació. Materials 98

Col·lecció: Educació. Materials

Director de la col·lecció: Guillermo Quintás Alonso

La publicació daquest llibre ha rebut lajut duna beca del Servei de Política Lingüística de la Universitat de València per a la redacció de manuals en català.

Aquesta publicació ha comptat amb lajut de la Generalitat de Catalunya.

© Els autors, 2007

© Daquesta edició: Universitat de València, 2007

Coordinació editorial: Maite Simon

Fotocomposició i maquetació: Inmaculada Mesa

Correció: José Manuel Guevara (Servei de Política Lingüística)

Coberta:

Disseny: Pere Fuster (Borràs i Talens Assessors SL)

Fotografia i tractament gràfic: Celso Hernández de la Figuera

Realització ePub: produccioneditorial.com

Índex

Portada

Portada interior

Crèdits

Índex

Introducció

1. Conceptes generals

1.1 Quina és la funció de lenginyeria ambiental?

1.2 Exemple de sistema de tractament: estació depuradora daigües residuals

1.3 Operacions unitàries. Definició i classificació

1.3.1 Operacions unitàries basades en el transport de la quantitat de moviment

1.3.2 Operacions unitàries basades en el transport denergia

1.3.3 Operacions unitàries basades en el transport de matèria

1.4 Formes doperació

1.4.1. Règim estacionari i no estacionari

1.4.2. Inconvenients i avantatges dels dos tipus doperació considerades

1.5 Plantejament general de lanàlisi i el disseny de sistemes

2. Balanços de matèria

2.1 Principi de conservació de matèria

2.2 Balanç de propietat en un entorn

2.3 Magnituds, unitats i formes dexpressar la composició

2.4 Balanços de matèria en estat estacionari

2.4.1 Sense generació

2.4.2 Amb generació

2.4.3 Sistemes amb més duna unitat

2.5 Balanç de matèria en estat no estacionari

2.5.1 Operació discontínua

2.5.2 Operació contínua

Problemes addicionals

3.Balanços denergia

3.1 Importància dels balanços denergia

3.2 Balanç total denergia

3.2.1 Deducció de lexpressió general: anàlisi dels termes

3.3 Balanç entàlpic

3.3.1 Propietats de lentalpia: determinació i càlcul

3.3.2 Aplicació al règim estacionari

3.3.3 Balanç denergia en un reactor

3.3.4 Aplicació a lestat no estacionari

3.4 Balanç denergia mecànica

3.4.1 Energia mecànica

3.4.2 Expressió del balanç denergia mecànica

3.4.3 La pressió

Problemes addicionals

4.Introducció als reactors

4.1 Processos de transformació en enginyeria ambiental

4.2Exemples de transformació química/biològica en enginyeria ambiental

4.3 Classificació dels reactors

4.3.1 Per la forma doperar

4.3.2 Model de flux i contacte de la mescla de reacció

4.3.3 Per la forma dintercanviar calor

4.3.4 Per la naturalesa de les fases

4.4 Equacions de disseny

4.4.1 Grandària del reactor

4.4.2 Velocitat de reacció

4.4.3 Dependència respecte de la concentració

4.4.4 Dependència respecte de la temperatura

4.5 Els reactors ideals

4.5.1 Descripcció dels reactors ideals

4.5.2 Reactor discontinu de tanc agitat (RDTA)

4.5.3 Reactor continu de tanc agitat (RCTA)

4.5.4 Reactor tubular amb flux de pistó (RFP)

4.6 Aplicació a un sistema natural. Estudi de limpacte duna descàrrega daigua residual en un riu

4.7 Anàlisi comparativa dels dos sistemes continus (tanc agitat i flux de pistó). El cas particular del sistema de fangs activats

Problemes addicionals

5.Introducció als fenòmens de transport

5.1 Generalitats

5.2 Mecanismes de transport molecular i de transport turbulent

5.3 Transport molecular: equacions de velocitat

5.3.1 Llei de Fourier

5.3.2 Llei de Newton

5.3.3 Llei de Fick

5.4 Transport turbulent: coeficients de transport

5.4.1 Coeficients individuals de transport

5.5 Transport entre diverses fases. Coeficients globals de transport

5.5.1 Transport entre fases

5.5.2 Coeficient global

5.6 Plantejament i resolució de problemes

Problemes addicionals

6.Operacions i processos unitaris de depuració

6.1 Classificació

6.2 Operacions unitàries físiques

6.2.1 Sedimentació

6.2.2 Flotació

6.2.3 Filtració

6.2.4 Centrifugació

6.2.5 Absorció

6.2.6 Membranes

6.2.7 Bescanvi de calor

6.2.8 Floculació

6.3 Processos unitaris químics de depuració

6.3.1 Adsorció

6.3.2 Bescanvi iònic

6.3.3 Coagulació

6.3.4 Precipitació

6.3.5 Oxidació

6.3.6 Desinfecció

6.4 Processos unitaris biològics de depuració

6.4.1 Classificació del processos biològics

6.4.2 Processos biològics de cultiu en suspensió

6.4.3 Processos biològics de suport sòlid

7.Índexs de qualitat ambiental

7.1 Funció dels índexs de qualitat

7.2 Índex de qualitat de laire

7.3 Índex de qualitat de laigua

7.3.1 Indicadors fisicoquímics

7.3.2 Indicadors biològics

7.4 Índex de qualitat del sòl

Bibliografia

Apèndixs

Apèndix A

Nomenclatura

Apèndix B

Magnituds, unitats i dimensions

Sistema Internacional de Magnituds i Unitats (SI)

Factors de conversió

Canvis dunitats en concentracions: pes molecular, densitat i equació destat dels gasos

Exemples de conversió

Índex analític

Introducció

Lenginyeria ambiental es pot definir com la disciplina en què sapliquen els fonaments de matemàtiques, física, química i biologia amb el propòsit de protegir la salut humana i el medi ambient i proporcionar la resposta tècnica als requeriments mediambientals. Per tant, un llibre amb el títol de Bases denginyeria ambiental ha de proporcionar a lestudiant les eines per tal de començar a plantejar i resoldre qüestions com ara les següents:

En què consisteix, com funciona i com es dissenya i es construeix una planta de tractament daigües residuals?

Quina és la forma doperar duna planta de tractament de residus?

Quins són els processos de depuració i/o de combinació de residus més apropiats per al tractament dun determinat efluent o residu?

Quina és la grandària dun reactor químic o biològic i en quines condicions ha doperar per tal de portar a terme leliminació dun determinat contaminant?

Quina és lopció més aconsellable per al subministrament daigua en una determinada zona: la instal·lació duna dessaladora o el transvasament daigua?

Com es mesura i classifica la qualitat de laire? I la de laigua? I la del sòl?

Quin és lefecte dun abocament en la concentració doxigen dun riu?

Quina serà levolució de la concentració dun patogen a partir dun abocament puntual a lAlbufera?

El present treball pretén com a objectiu principal servir de text bàsic i iniciàtic en lenginyeria ambiental, cobrir les mancances bibliogràfiques existents al respecte i ser un llibre pioner en el seu gènere escrit en la nostra llengua. Malgrat que el text ha estat elaborat específicament pensant en les necessitats de formació de lassignatura Bases de lenginyeria ambiental, de la llicenciatura de Ciències Ambientals, el caràcter bàsic de lobra fa que també puga ser utilitzada per estudiants de qualsevol disciplina científica o enginyeria com a text introductori als fonaments i a les aplicacions pràctiques de lenginyeria ambiental.

Lobra sestructura en diferents capítols segons els continguts bàsics que configuren lenginyeria ambiental, que corresponen als descriptors de lesmentada assignatura del pla destudis de la llicenciatura de Ciències Ambientals. Els capítols en què sha organitzat el llibre són:

1.Conceptes generals.

2.Balanços de matèria.

3.Balanços denergia.

4.Introducció als reactors.

5.Introducció als fenòmens de transport.

6.Processos de depuració físics, químics i biològics.

7.Índexs de qualitat del medi.

La seqüència dels capítols no és arbitraria, ja que segueix un ordre de complexitat creixent i, generalment, ladequada comprensió dun determinat capítol requereix els coneixements fonamentals que es presenten en els capítols precedents.

En el primer capítol es presenten una sèrie de conceptes bàsics generals que apareixeran molt sovint al llarg del llibre. Així, termes com ara fenòmens de transport, règim estacionari i no estacionari, o com ara operació unitària, són definits en aquest capítol.

Els dos capítols següents es dediquen a lestudi dels balanços de les dues propietats de major importància en lestudi i disseny de processos, la matèria i lenergia. Shi estudiaran sistemes de diferent complexitat: règim estacionari i no estacionari, amb i sense reacció, etc. Lensenyament dels balanços ha de ser fonamentalment aplicat, això vol dir que saprenen resolent problemes. En aquests capítols, a la resolució dexemples il·lustratius dels diferents tipus de sistemes que sestudien sadjunta una sèrie denunciats de problemes que poden servir de material didàctic complementari per a lestudi.

El capítols quatre i cinc pretenen ser una introducció bàsica i senzilla a dues de les disciplines més importants en lenginyeria de processos: lenginyeria dels reactors i els fenòmens de transport, i saborda aquest estudi des duna perspectiva ambiental.

Lestudi dels reactors tracta els casos més senzills: els reactors ideals iso­terms. Partint de lexpressió cinètica i aplicant els balanços pertinents es desenvolupen les equacions necessàries per dissenyar i analitzar el funcionament dels reactors, i sil·lustren amb diferents exemples que es resolen. Des del punt de vista pràctic es descriuen alguns dels exemples característics daplicacions de reactors a lenginyeria ambiental i es planteja la resolució i lanàlisi de dos casos concrets: el reactor de fangs activats i una descàrrega daigua residual en un riu. Finalment, sadjunta una sèrie denunciats de problemes complementaris per resoldre.

Els fenòmens de transport es tracten referint-nos a la importància i la necessitat de conèixer la velocitat a què es produeixen les transformacions a lhora dabordar lestudi i el disseny de qualsevol sistema. Es mostren el dos mecanismes de transport, molecular i turbulent, i les equacions de velocitat per a les diferents propietats dinterès: matèria, energia i quantitat de moviment. Es presenta el concepte de coeficients de transport i el mètode per calcular-los. Laplicació pràctica dels diferents conceptes es fa palesa mitjançant la resolució dexemples senzills. Lanàlisi de problemes amb sistemes més complexos saborda mitjançant el plantejament i la resolució de diferents casos concrets representatius. Safegeix una col·lecció de problemes addicionals per al treball personal.