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RECURSOS HIDRICOS Y TECNOLOGÍAS DE TRATAMIENTO

RECURSOS HIDRICOS Y TECNOLOGÍAS DE TRATAMIENTO. CIENCIAS AMBIENTALES. Dra. M. Cristina Diez Jerez Departamento de Ingeniería Química Centro de Biotecnología Ambiental-BIOREN 2012. Distribución Global del Agua.

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RECURSOS HIDRICOS Y TECNOLOGÍAS DE TRATAMIENTO

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  1. RECURSOS HIDRICOSY TECNOLOGÍAS DE TRATAMIENTO CIENCIAS AMBIENTALES Dra. M. Cristina Diez Jerez Departamento de Ingeniería Química Centro de Biotecnología Ambiental-BIOREN 2012

  2. Distribución Global del Agua Gleick, P. H., 1996: Water resources. In Encyclopedia of Climate and Weather, ed. by S. H. Schneider, Oxford University Press, New York, vol. 2, pp.817-823.

  3. Almacenamiento de Agua

  4. Tiempo de Residencia

  5. Disponibilidad (m3) de Agua por Habitante /Año Canadá 109.000 Rusia 15.000 Estados Unidos 10.000 México 5200 Arabia Saudita y Jordania 160

  6. Acuíferos mas Importantes * Anunciado en abril de 2010

  7. Acuífero Guaraní Tercera reserva de agua dulce del mundo. Guaraní en honor a la población indígena “guaraní” Temperatura: 50-65º C

  8. Distribución del Acuífero Guaraní En total, alrededor de 24 millones de personas viven sobre el territorio del sistema acuífero Guaraní. Brasil : 840.000 km2 Argentina : 225.500 km2 Paraguay : 71.700 km2 Uruguay : 58.500 km2

  9. Uso del Agua – Chile. 2000 (m3/s) • Usos hidroeléctricos 67,8% • Usos consuntivos 32,2% Demanda Actual de Uso Consuntivo Riego 84,5% Minería 4,5% Industria 6,5% Potable 4,4% El 80% de los 150 a 200 L/hab.día generados de aguas residuales van a dar al alcantarillado Temuco 250.000 hab x 150 L/d = 37.500 m3/d

  10. El Ciclo Hidrológico () • Precipitación • Infiltración • Transpiración • Salida Superficial • Evaporación • Condensación

  11. CICLOS BIOGEOQUIMICOSInteracciones entre Componentes Fuente: Illinois State Water Survey, 2007.

  12. Propiedades del Agua • Densidad • Calor específico • Disolución • Solubilidad de gases • Tensión superficial • Viscosidad • Fusión y ebullición • Transparencia

  13. Densidad del Agua Su densidad máxima es a 4°C (estado líquido) y es menor a 0°C (estado sólido) TEMPERATURA DENSIDAD (ºC) (kg/m3) 0 999,8 2 999,9 4 1.000,0 6 999,9 8 999,8 10 999,7 30 995,6 40 992,2 60 983,2 80 971,8 100 958,3

  14. Solubilidad del Oxigeno en el Agua Temperatura (ºC) Solubilidad (mg/L) (a) (b) 0 14,7 11,2 10 11,3 8,7 • 15 10,08 • 20 9,2 7,2 • 25 8,3 • 30 7,6 6,1 • 40 6,6 5,1 a: agua dulce, b: agua salada

  15. Salinidad del agua SALINIDAD MEDIA DE LOS MARES Y OCÉANOS SALINIDAD DE LOS DIFERENTES TIPOS DE AGUA Fuente: Abu Qdais (1999); Handbury, Hodgkiess y Morris (1993); Medina (2000) Fuente: Fariñas (1999); Medina (2000)

  16. Doméstica Industrial Otras Agrícola Petróleo FUENTES DE CONTAMINACIÓN DEL AGUA

  17. Agua Potable Reutilización Consumo Usuario Agua servida domiciliaria Riles (industrial / comercial) Aguas servidas urbanas o municipales Aguas negras D.S. 609 Sistema de alcantarillado Planta de tratamiento Efluente tratado Residuos sólidos (lodos) D.S. 90 Cuerpo hídrico receptor

  18. FUENTES DE CONTAMINACIÓN DEL AGUA PUNTUALESIndustriales Domésticas Comerciales e Industriales DISPERSASAgricultura Escorrentía (erosión, minas, etc) ORIGENAntropogénico Natural

  19. CONTAMINACIÓN DEL AGUA: CLASIFICACIÓN • Por el proceso que la causa: celulosa, petroquímica, alimentos, metalurgia, etc • Por el tipo de contaminante: líquido, gaseoso, sólido • Por el origen de los contaminantes: industrial, doméstico, agrícola, explotación de recursos naturales, etc • Por la naturaleza química del contaminante: orgánicos, inorgánicos, alifáticos, aromáticos, metales, dioxinas, halogenados, etc • Por sus efectos: salud humana, animales, vegetales, medio ambiente en general • Por el medio afectado: ecosistema, recursos naturales, agua, suelo, etc

  20. CLASIFICACIÓN DE LOS CONTAMINANTES

  21. CONTAMINANTEEFECTO PRINCIPAL Orgánicos Aceites y grasas Tóxico para la vida acuática Detergentes Espuma impide aireación del agua Hidrocarburos Tóxico para la vida acuática Fenoles Tóxico para la vida acuática Pesticidas Tóxico para el hombre Cloroformo Cancerígeno Metales Pesados Ag, B, Cr(VI), Cu, Fe, Mn, Tóxicos en general Mo, Ni, Pb, Sb, Se, Sn, Zn Otros Fosfatos y nitratos Producen eutrofización Sulfatos Corrosión Súlfuros Olores desagradables Cianuros Tóxico en general

  22. PRINCIPALES CONTAMINANTES EN TRATAMENTOS DE EFLUENTES. Sólidos suspendidos Material orgánico biodegradable Material orgánico recalcitrante Patógenos y parasitos Nutrientes (N y P) Material inorgánico disuelto Metales pesados Etc.

  23. RILesa Nivel Nacional (SISS) Industrias generadoras de Riles 3.025 Descargan a aguas superficiales 557 18,4% Descargan a aguas subterráneas 52 1,7% Para uso en riego 60 2,0% Descargan a redes de alcantarillado 2.356 77,9%

  24. PROYECCIONES Y COBERTURA (%)(SISS) Región 2002 2004 2005 2010 2015 I (411.586) 96,4 98,1 98,6 98,6 98,6 III (231.357) 72,5 89,4 91,0 99,9 100 VII (571.047) 24,0 34,8 88,7 100 100 IX (535.317) 12,5 11,5 13,5 (16,5*) 95,4 96,4 XI ( 66.719) 70,2 87,5 96,4 98,6 98,6 XII (127.615) 10,6 91,6 92,6 95,2 100 Cobertura nacional 2010 aprox. 83% de la población urbana PTAS operadas por Aguas Araucanía = 30 PTAS operadas por otros = 3 * Dato de Aguas Araucanía Significa una inversión > a US$ 100 millones

  25. Plantas de Tratamiento de Aguas Servidas (08-04-10)

  26. TRATAMIENTO DEL AGUA Depuración natural • Durante el ciclo hidrológico, el agua se evapora y sube en forma de vapor, dejando minerales y otras sustancias disueltas en ella. • Cuando llueve, el agua que se incorpora al suelo pasa por capas de tierra, arena y rocas; entonces se filtra y purifica. • En los ríos y mares viven bacterias que se alimentan de los residuos y los transforman en compuestos más sencillos que no causan daño.

  27. Tecnologías para Purificación de Agua

  28. Potabilización del agua 1. Captación 2. Desarenación Tierra + sulfato de aluminio 3. Coagulación 5. Cloración final 4. Filtración

  29. ETAPAS Separación de sólidos gruesos ( Rejas) Sedimentación y filtración de sólidos (Rejillas) Adición de coagulantes y floculantes Filtración Desinfección

  30. Tecnologías para Desalinización de Agua Planta piloto de Nanofiltración SeaPack bolsa desalinizante emplea un proceso osmótico pasivo, es la tecnología más fácil y simple de desalinización disponible Planta desalinizadora a escala real

  31. Arabia Saudí, país líder en desalinización de agua del mar, 4 de cada 5 L que se consumen provienen de plantas desalinizadoras. Le siguen Emiratos Árabes Unidos, Libia, Kuwait o Qatar, Estados Unidos, Japón y España. El costo actual de 1 m3 de agua desalinizada resulta cuatro veces más barato que en 1965.

  32. Desalinización del Agua Proyecto Innovador El Teatro del Agua forma parte del Plan Maestro para el borde costero de la ciudad de Las Palmas, en las Islas Canarias, España (Nicholas Grimshaw ) Producción sustentable de recursos naturales a través de la destilación pasiva de agua de mar. Utiliza energías renovables (paneles térmicos y fotovoltáicos).

  33. Recuperación de Aguas Contaminadas Procesos Físicos Procesos Biológicos Procesos Combinados

  34. Floculante/coagulante Gases Gases INFLUENTE EFLUENTE PRIMARIO SECUNDARIO TERCIARIO Sólidos terciarios Lodo químico Lodos biológicos TIPOS DETRATAMIENTO Aerobio Anaerobio Facultativo Aerobio anaerobio

  35. Selección de un proceso de tratamiento • Características del agua residual • Tipo de contaminante a eliminar • Calidad requerida del efluente (DS 609, DS 90, DS 46) • Costo y disponibilidad de terreno • Consideraciones futuras Primario Secundario Terciario Parámetro Remoción (%) DBO 35 90 99,9 DQO 30 80 99,8 SS 60 90 --- N 20 50 99,5 P 10 60 variable

  36. TRATAMIENTO PRIMARIO • Remoción de sólidos insolubles como arenas • Remoción de materiales como grasas y espumas Etapas • Separación de sólidos gruesos ( Rejas) • Sedimentación y filtración de sólidos (Rejillas) • Adición de coagulantes y floculantes • Filtración • Desinfección

  37. Procesos biológicos para el tratamiento de aguas contaminadas • Fosas sépticas • Lagunas (aireadas, facultativas, anaerobias) • Filtros biológicos • Lodos activados • Digestión anaerobia (filtros, UASB, EGSB) • Combinaciones aerobias y anaerobias • Otros para componentes específicos • Otros

  38. Planta de lodos activados de laboratorio Planta de tratamiento aerobia a escala real

  39. Eliminación de Materia Orgánica y Nitrogenada (PTAS) Oxidación de materia orgánica : m.o. CxHyOz + O2 CO2 + H2O + m.o. Oxidación de nitrógeno (nitrificación)  m.o. 1 NH4+ + 3/2 O2 NO2- + H2O + 2 H+(Nitrosomonas) m.o. 2 NO2- + ½ O2 NO3-(Nitrobacter) Reducción del nitrato (desnitrificación) : m.o. 2 NO3- + 2 H+ + 10 [H]  N2 + 6 H2O materia orgánica

  40. CONDICIONES AMBIENTALES EN LOS SISTEMAS BIOLÓGICOS • pH: nivel óptimo dado entre 6,5 - 7,5 por ser las bacterias la población predominante en sistemas de tratamiento. • O2: En sistemas AEROBIOS es de gran importancia mantener una concentración mínima sobre 2 mgO2/L en el interior del reactor. • Temperatura: Varía de acuerdo a condiciones ambientales. Afecta la solubilidad del oxígeno en el agua. • Nutrientes: La masa celular contiene carbono y otros elementos como N y P que serán requeridos para la eficiente utilización de sustrato. • Relación DBO:N:P = 100:5:1 Aerobios, 100:0,5:0,1 Anaerobios

  41. Requerimientos Nutricionales Elemento Función Fisiológica Carbono Constituyente del material orgánico celular Eventualmente es fuente de energía Nitrógeno Constituyente de proteínas, AN y CoE Hidrógeno Material orgánico celular y agua Oxígeno Material orgánico celular y agua Requerimiento para respiración celular Sulfuro Constituyente de proteínas y CoE Fósforo Constituyente de AN, fosfolípidos, nucleótidos y CoE Potasio Principal catión inorgánico, cofactor de ciertas enzimas Magnesio Cofactor de enzimas, clorofilas y pared y membrana celular

  42. Microorganismos presentes en sistemas de tratamiento aerobias • Bacterias:Pseudomonas, Zoogloea, Nocardia, Nitrosomonas y las Nitrobacter. Adicionalmente se presentan algunas formas filamentosas como Sphaerotilus. • Protozoos y Rotíferos: Son igualmente importantes debido a que ejercen una acción beneficiosa consumiendo las bacterias dispersas (acción de limpieza). • Algas: Son organismos fotosintetizadores. Suministran oxígeno para el tratamiento económico de aguas residuales (lagunas facultativas) • Hongos: Son útiles en el tratamiento de ciertos tipos de residuos industriales ( celulósicos, lignínicos, etc)

  43. MICROORGANISMOS DE LODOS ACTIVADOS Bacterias: • Se mueven ágilmente en medio rico en energía y son generalmente flageladas • En medio degradado disminuye el movimiento, favoreciendo la formación de flocs Visión microscópica de flóculos sin m-o filamentosos Visión microscópica de flóculos con m-o filamentosos (Microthrix parvicella)

  44. MICROORGANISMOS DE LODOS ACTIVADOS Protozoarios: • Surgen cuando aún hay energía disponible en el medio • Se alimentan de bacterias reduciendo la turbidez en el medio • Indican de que el sistema camina hacia el equilibrio • Los protozoarios pedunculados suceden a los libres a medida que el medio es degradado • En condiciones de medio reducido en energía ganan la competencia

  45. MICROORGANISMOS DE LODOS ACTIVADOS Rotíferos: • Se encuentran generalmente en sistemas con aireación extendida • Se alimentan de bacterias • Son excelentes indicadores de sistemas en equilibrio Nemátodos: • No se sabe claramente su función, parece ser similar a la de los rotíferos

  46. AEROBIOS Compuesto orgánico CO2 Flujo de Carbono Flujo de electrones ANAEROBIOS O2 Compuesto orgánico CO2 Flujo de Carbono Flujo de electrones NO3- Compuesto orgánico SO42-

  47. BALANCE ENERGÉTICO DE LOS PROCESOS AEROBIOS Y ANAEROBIOS Lodos en exceso Lodos estabilizados DQO = 10 kg DQO = 60 kg Efluente Efluente Influente 20ºC Influente 20ºC Reactor aerobio 20ºC Reactor anaerobio 35ºC DQO 100 kg DQO 10 kg DQO 100 kg DQO 10 kg Metano 31m3 Energía de aireación 50 kW E. Calórica 260 kW-h Electricidad 78 kW-h (máximo) (máximo)

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