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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 tecnolog as de tratamiento

RECURSOS HIDRICOSY TECNOLOGÍAS DE TRATAMIENTO

CIENCIAS AMBIENTALES

Dra. M. Cristina Diez Jerez

Departamento de Ingeniería Química

Centro de Biotecnología Ambiental-BIOREN

2012


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.




Disponibilidad (m3) de Agua por Habitante /Año

Canadá 109.000

Rusia 15.000

Estados Unidos 10.000

México 5200

Arabia Saudita y Jordania 160


Acuíferos mas Importantes

* Anunciado en abril de 2010


Acuífero Guaraní

Tercera reserva de agua dulce del mundo.

Guaraní en honor a la población indígena “guaraní”

Temperatura: 50-65º C


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


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


El Ciclo Hidrológico

()

  • Precipitación

  • Infiltración

  • Transpiración

  • Salida Superficial

  • Evaporación

  • Condensación


CICLOS BIOGEOQUIMICOSInteracciones entre Componentes

Fuente: Illinois State Water Survey, 2007.


Propiedades del Agua

  • Densidad

  • Calor específico

  • Disolución

  • Solubilidad de gases

  • Tensión superficial

  • Viscosidad

  • Fusión y ebullición

  • Transparencia


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


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


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)


Doméstica

Industrial

Otras

Agrícola

Petróleo

FUENTES DE CONTAMINACIÓN DEL AGUA


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


FUENTES DE CONTAMINACIÓN DEL AGUA

PUNTUALESIndustriales

Domésticas

Comerciales e Industriales

DISPERSASAgricultura

Escorrentía (erosión, minas, etc)

ORIGENAntropogénico

Natural


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



Contaminante efecto principal
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


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.


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%


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



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.



Potabilización del agua

1. Captación

2. Desarenación

Tierra + sulfato de aluminio

3. Coagulación

5. Cloración final

4. Filtración


ETAPAS

Separación de sólidos gruesos ( Rejas)

Sedimentación y filtración de sólidos (Rejillas)

Adición de coagulantes y floculantes

Filtración

Desinfección


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


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.


Desalinización del Agua Proyecto Innovador mar, 4 de cada 5 L que se consumen provienen de plantas desalinizadoras.

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).


Recuperación de Aguas Contaminadas mar, 4 de cada 5 L que se consumen provienen de plantas desalinizadoras.

Procesos Físicos

Procesos Biológicos

Procesos Combinados


Floculante/coagulante mar, 4 de cada 5 L que se consumen provienen de plantas desalinizadoras.

Gases

Gases

INFLUENTE

EFLUENTE

PRIMARIO

SECUNDARIO

TERCIARIO

Sólidos terciarios

Lodo químico

Lodos biológicos

TIPOS DETRATAMIENTO

Aerobio

Anaerobio

Facultativo

Aerobio

anaerobio


Selección de un proceso de tratamiento mar, 4 de cada 5 L que se consumen provienen de plantas desalinizadoras.

  • 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


TRATAMIENTO PRIMARIO mar, 4 de cada 5 L que se consumen provienen de plantas desalinizadoras.

  • 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


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


Planta de lodos activados de laboratorio contaminadas

Planta de tratamiento aerobia a escala real


Eliminación de Materia Orgánica y Nitrogenada contaminadas (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


CONDICIONES AMBIENTALES EN LOS SISTEMAS BIOLÓGICOS contaminadas

  • 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


Requerimientos Nutricionales contaminadas

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


Microorganismos presentes en sistemas de tratamiento contaminadas

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)


MICROORGANISMOS DE LODOS ACTIVADOS contaminadas

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)


MICROORGANISMOS DE LODOS ACTIVADOS contaminadas

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


MICROORGANISMOS DE LODOS ACTIVADOS contaminadas

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


AEROBIOS contaminadas

Compuesto orgánico

CO2

Flujo de Carbono

Flujo de

electrones

ANAEROBIOS

O2

Compuesto orgánico

CO2

Flujo de Carbono

Flujo de electrones

NO3-

Compuesto orgánico

SO42-


BALANCE ENERGÉTICO DE LOS PROCESOS AEROBIOS Y ANAEROBIOS contaminadas

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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