1.3 Eutroficación - Universidad Alas Peruanas

DISEÑO DE PLANTAS
UNIVERSIDAD ALAS PERUANAS
FACULTAD DE ING ENIERIA AMB IENTAL
DISEÑ
DISE
ÑO DE PLANTAS DE TRATAMIENTO
DE AGUAS Y DESAGÜ
DESAGÜES
CAPITULO I:
INTRODUCCIÓN
INTRODUCCIÓ
1.3 Eutroficació
Eutroficaci ón
Profe sor:
Ing. Omar Eduardo Olivos Lara
Lima – Per
Perú
ú
2010
1
UNIVERSIDAD ALAS PERUANAS
FACULTAD DE ING ENIERIA AMB IENTAL
CAPITULO I:
DISEÑ
DISE
ÑO DE PLANTAS DE TRATAMIENTO DE AGUA Y
DESAGÜ
DESAG
ÜE
SESIÓN 1.3:
PROCESO DE EUTROFICACIÓN
Profesor: Ing. Omar Olivos Lara
2
DISEÑO DE PLANTAS
1.2 EUTROFICACIÓN
Introducción
La eutroficación produce un exceso de algas y macrofitas en cuerpos de agua y
esto puede ocasionar problemas en el suministro de agua potable por alteración de
sus propiedades organolépticas (olor, sabor), corrosión del equipo hidroeléctrico y
distintos trastornos en los procesos de tratamiento del agua por disminución del
contenido de oxígeno, acumulación de amoníaco en la columna de agua y
resuspensión de ciertos metales (Fe, Mn) en sedimentos bajo condiciones
anóxicas.
En los embalses eutroficados, los
altos niveles de sustancias orgánicas
combinados con la aplicación de
cloro para el suministro de agua
potable podrían generar sustancias
nocivas para la salud.
3
Concepto
En ecología el término eutrofización designa el enriquecimiento en nutrientes de un
ecosistema. El uso más extendido se refiere específicamente al aporte más o
menos masivo de nutrientes inorgánicos en un ecosistema acuático. Eutrofizado es
aquel ecosistema o ambiente caracterizado por una abundancia anormalmente alta
de nutrientes.
La explosión de algas que acompaña a la
primera fase de la eutrofiz ación provoca un
enturbiamiento que impide que la luz penetre
hasta el fondo del ecosistema. Como
consecuencia en el fondo se hace imposible la
fotosíntesis, productora de oxígeno libre, a la
vez que aumenta la actividad metabólica
consumidora
de
oxígeno
(respiración
aeróbica) de los descomponedores, que
empiezan a recibir los excedentes de materia
orgánica producidos cerca de la superficie. De
esta manera en el fondo se agota pronto el
oxígeno por la actividad aerobia y el ambiente
se vuelv e pronto anóxico. La radic al alteración
del ambiente que suponen estos cambios,
hace inviable la existencia de la mayoría de
las especies que previamente formaban el
ecosis tema
4
DISEÑO DE PLANTAS
Clasificación limnológica de cuerpos de agua
Limonológicamente, los cuerpos de
agua de manera simplificada se pueden
clasificar en tres grandes tipos:
Oligotróficos : sistemas acuáticos de
bajo contenido de nutrientes y
producción vegetal mínima.
Eutróficos: sistemas acuáticos de alto
contenido de nutrientes y producción
vegetal excesiva.
LA GO
OLI GOTR OFIC O
Mestróficos: sistemas acuáticos con
características
intermedias
entre
oligotróficos y eutróficos
LA GO
EU TR OFI CO
5
Eutroficación y descargas orgánicas
La eutroficación es un proceso natural que ocurre en todos los cuerpos de agua.
La acumulación gradual de nutrientes y biomasa orgánica acompañada por el
aumento en la fotosíntesis y un descenso en la profundidad promedio de la
columna de agua (causado por la acumulación de sedimento) constituye el
proceso de eutroficación natural.
La eutroficación cultural es la aceleración del proceso de eutroficación natural por
causas antropogénicas (generadas por el ser humano). Esta aceleración
antropogénica es usualmente causada por descargas de desperdicios orgánicos
y/o nutrientes.
6
DISEÑO DE PLANTAS
Problemas causados por eutroficación antropogénica
• Presencia de especies no deseadas como las
cianobacterias o algas verde azules en el
agua. Las cianobacterias se asocian a una
pobre calidad de agua.
• Las Mareas rojas - florecimiento de algas
como los dinoflagelados que causan
decoloración en el agua. Algunos de éstos
pueden producir neurotoxinas o ser tóxicos
de por sí por la gran abundancia y la gran
demanda de oxígeno (DBO) que representan
para el sis tema. Al dismunir los niv eles de
oxígeno se incrementa la mortandad de los
organismos acuáticos que a su vez aumentan
la DBO.
7
Causas de la eutroficación
1. La contaminación agropecuaria:
• Uso de fertilizantes (contaminación de suelos y acuíferos).
• Excremento de animales (sobre producción de ganado).
Aportes
NO3PO4=
K+
Mg+
1. La contaminación forestal:
• Abandono en ríos de residuos forestales
1. La contaminación atmosférica:
• Uso de combustibles en transporte y actividades industriales
aportan NOx y SOx
4. La contaminación urbana:
• Inexistencia de sis temas de tratamiento o depuración parcial
de las aguas residuales
Aumento de
materia
orgánica
disuelta
Al r eaccion ar
forman con
agua forman
NO3- y SO42-
Residuos
orgánicos
Detergentes
8
DISEÑO DE PLANTAS
Situación actual de los lagos
Actualmente, (2008) la eutrofización golpea el 54% de los lagos asiáticos; el 53% de los
lagos europeos; el 48% de los de América del Norte; el 41% ciento de los sudamericanos y
el 28% de los lagos africanos 1
El intenso ver de del agua en el estuar io del r ío
Potomac es r esultado de una densa flor ac ión de
c yanobac ter ias
Una c ocha (laguna) en la amazonía. El pr oc eso de
eutr ofizac ión ha produc ido tanto s edimento que l a ha
c onver tido en tierr a fir me. Pronto cr ec er án árboles y
desapar ec er á totalmente
1 . Informe del proyecto: Survey of the State of the World's Lakes promov ido por el International Lake Environment Committee,
9
resultado publicado por: "Le Scienze, Edición Italiana"
Concepto de Nutriente limitante
El concepto de nutriente limitante se
basa en la premisa que, dada una
determinada estequiometría celular de
las plantas acuáticas, el nutriente que
controlará la máxima cantidad de
biomasa vegetal es aquél que primero
se consume o que alcanza un mínimo
antes que los otros nutrientes relativos
a tal estequiometría. La relación
nitrógeno total (Nl) a fósforo total (Pl)
propuesta por Vollenweider (1983) para
el fitoplancton y utilizada por el
Proyecto fue de 9:1. De esta forma, los
lagos/embalses con relaciones de
nitrógeno a fósforo superiores a un
valor de 9 fueron considerados
potencialmente limitados por fósforo,
mientras que aquéllos cuya razón era
inferior a 9 eran limitados por nitrógeno.
10
DISEÑO DE PLANTAS
Concepto de Nutriente limitante
Si
N
> 9 → Limtante es el fósforo
P
N
< 9 → Limtante es el Nitrógeno
P
N
< 4 → Permite el crecimient o de algas verde azules
P
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Índices Tróficos
El control y vigilancia de la calidad lagos y embalses requiere un programa que incluya:
1.
2.
Medidas de la tasa de eutroficación
Determinación del estado trófico del agua.
Para estimar el estado trófico de un embalse/lago se reccrre al uso de índices que
describan los síntomas de eutroficación. Estos índices deben caracterizar los procesos
naturales y ayudar a medir los cambios relativamente lentos en el ecosistema. Aunque a
veces sea suficiente analizar alteraciones visuales, es preferible el uso de índices
cuantitativos
Las principales variables para el análisis de eutroficación de acuerdo con Thomann y
Mueller (1987) son:
• Radiación solar en la superficie de y profundidad de la columna de agua
• Geometría del cuerpo de agua: área superficial, área del fondo, profundidad,
volumen.
• Flujo, velocidad y dispersión
• Fitoplancton – Clorofila a
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DISEÑO DE PLANTAS
Índices Tróficos para lagos/embalses
Indice númerico del estado trófico (TSI)
Uno de los índices conocidos es el propuesto por Carlson (1977) para lago templados
Las variables utilizadas en el índice son los valores medios anuales de la profundidad de
visión disco de Secchi y de las concentraciones superficiales de PT y Clorofila a:
TSI = 60 − 14 .41 × ln( DS)
TSI = 14. 42 × ln(Pλ ) + 4. 14
TSI = 9 .81 × ln(Clor .a ) + 30 .6
Este índice, reduce el estado trófico de un lago a un valor (en una escala de 0 a 100),
en un intento por evitar la subjetividad inherente a los términos oligotrófico,
mesotrófico y eutrófico. Un valor del TSI inferior a 20 representa condiciones de
ultraoligotrofia; entre 30 y 40, oligotróficas; entre 40 y 50, mesotróficas; en el
rango entre 50 y 60, de eutrofia y por encima de 70, condiciones de hipereutrofia.
13
Indices Tróficos para lagos/embalses
Clasificación del grado de eutrofia según OCDE.
Luego de un estudio de 5 años que abarcó 200 ambientes en 22 países de Europa
occidental, EEUU, Japón y Australia el Comité de Eutrofización de la Organización de
Cooperación Económica y Desarrollo (OCDE) propuso una clasificación del grado de
eutrofia de lagos y embalses, de acuerdo a los valores que alcanzan las variables
clorofila, Secchi y P.
Grados de eutrofia para valores de Clorofila, transparencia y fósforo
14
DISEÑO DE PLANTAS
Características limnológicas para evaluar tendencias
hacia la eutroficacion
15
Fuentes de Nutrientes
Fuentes Internas
El sedimento constituye la fuente interna de nutrientes. La liberación de fósofor
sedimentario depende del contenido de oxígeno en la interfase agua – sedimento y del
tipo de comunidad bacteriana.
Fuentes Externas: Pueden ser puntuales o difusas. La primera es de fácil control
Residuos municipales
Residuos industriales
Escorrentía agrícola
Escorrentía forestal
Escorrentía urbana y suburana
Precipitación atmosférica.
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DISEÑO DE PLANTAS
Fuentes de Nutrientes
• La cuantificación de las contribuciones de fuentes puntuales se debe hacer en
términos de carga.
• La contribución de nutrientes de cargas dispersas se puede medir a través de
coeficientes de exportación mediante los cuales se estima la carga de nutrientes
debida a escorrentía en zonas agrícolas y/o urbanas, las pérdidas de contribución
atmosférica y pérdidas de suelo.
• Los valores de los coeficientes dee exportación están expresados en g/m2/año
• En una cuenca hay que delimitar el área que aporta hacia el lago. Luego se identifica
las cargas contaminantes puntuales o dispersas.
Seres vivos
Aporte Fósforo
(seres vivos)
Aporte Fó
F ósforo
(g/hab/añ
(g/hab/a
ño)
Personas
1,000
Vacuno
7,000
Porcino y lanares
3,000
Caballo
4,500
Patos y pollos
17
300
Sistema de clasificación de estado trófico
Para la clasificación del estado trófico de los lagos, se aplicó la estrategia utilizada por
la Organización para Cooperación y Desarrollo Económico (OECD por sus siglas en
inglés), la misma que proporciona un esquema cuantitativo probabilístico para las
diferentes categorías de estado trófico. Los datos medidos de los parámetros básicos,
tales como fósforo, nitrógeno y clorofila "a", se relacionan con el estado trófico
asignado de acuerdo a las percepciones cualitativas, tal como lo reportaron Vollenweider
y Kerekes (1981) para lagos templados.
El uso de un sistema de clasificación de estado trófico para lagos/embalses no sólo
tiene un interés científico sino también una aplicación gerencial, ya que los usos
deseados del agua son dependientes del estado trófico y de la consiguiente calidad del
agua. Por lo tanto, con la concentración de fósforo total/clorofila "a" y las Figuras 3/4
se puede determinar la probabilidad porcentual del estado trófico de un lago/embalse
cálido.
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DISEÑO DE PLANTAS
Sistema de clasificación de estado trófico
Distribución de probabilidad de nivel trófico de
lagos cálidos tropicales basado en fósforo total
Distribución de probabilidad de nivel trófico de
lagos cálidos tropicales basado en Clorofila “a”
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Modelos matemáticos simplificados
Debido a que muchos de los problemas de los lagos se han debido al fitoplancton, la
mayoría de los esfuerzos hasta la fecha se han centrado en la eutroficación del lago por
fitoplancton incorporando varias presuposiciones básicas en el análisis. Los modelos
simplificados de fitoplancton han probado ser útiles para una primera estimación de los
efectos potenciales de una reducción en la carga de nutrientes.
El acercamiento básico de varios de los modelos es el balance de masa del nutriente
limitante asumido, esto es, fósforo. Se usa el fósforo total como la variable indicadora
del estado trófico.
Estos últimos esfuerzos también han intentado, en forma semiempírica, estimar no sólo
el nivel de fósforo sino también de la variable más relevante que es la clorofila del
fitoplancton. Chapra y Tarapchak (1976) han resumido el esquema simplificado en los
siguientes pasos:
• Esti mar la carga de fó sforo tota l al lago;
• Determinar la concentración pro medio anual de fó sfo ro total en e l lago;
• Esti mar la concentración de fó sfo ro total en e l lago en la pri mavera , a partir de la concentración
pro medio anual;
• Calcular las concentraciones pro medio de c loro fila " a" en el verano a partir de la s
20
concentraciones de fósfo ro total en la pri ma vera;
DISEÑO DE PLANTAS
Modelos matemáticos simplificados
Las suposiciones usadas para el análisis del modelo de balance de masa de fósforo total
son:
•
•
•
•
Lago comple ta mente me zc lado;
Condiciones de estado de equilibrio, repre senta do por el va lor pro medio estacional/anual;
Limitado por fósfo ro;
Fósforo to tal se usa como me dida del e sta do tró fico.
Esquema del balance de masa para fósforo - lago completamente mezclado
V⋅
dPλ
= W − v s ⋅ A s ⋅ Pλ − Q ⋅ Pλ .....(1)
dt
V⋅
dPλ
= W − K s ⋅ V ⋅ Pλ − Q ⋅ Pλ .....( 2 )
dt
En estado permanente V ⋅
donde,
V = volumen del lago [L3]
Pʎ = fósforo (total) en el lago, [M/L3]; por ejemplo, mg/l
Q = flujo de salida [L3/T]
As = área superficial del lago [L2]
W = fuentes externas de fósforo, [M/T]; por ejemplo, g/s
Ks = tasa de pérdida global de fósforo total [l/T]
Z = profundidad promedio del lago [L]
L(p)= Tasa superficial de carga, [M/L 2*T], por ejemplo, g/m2*año
q = tasa de flujo hidráulico (Q/As), [L/T]
Tw = tiempo de retención del lago [T], por ejemplo años
Ks =
dPλ
=0
dt
Pλ =
vs
Z
W
Q + vs As
Esta ecuación también puede expresarse usando una
tasa aérea de carga:
L( p) =
ρ=
W
As
Q 1
=
V Tw
Pλ =
Pλ =
L( p )
q + vs
L (p )
Z(ρ + K s )
21
Modelos matemáticos simplificados
La dificultad para usar las ecuaciones que Vs, la velocidad neta de sedimentación, o Ks,
la tasa neta de pérdida, no se conocen aún ni pueden medirse en una forma experimental
directa. Sin embargo, si existe información sobre las entradas y salidas del lago, se
puede hacer un estimado para Ks. Normalmente, Ks ha sido calculado aplicando la
Ecuación 8, conociendo los otros parámetros.
Otros Modelos:
1.
Modelo de fósforo total
Rango mesotróf ico < 30-70 mg-P/m3 >
2.
3.
4.
Verificación del modelo de fósforo total
Modelo preliminar de Clorofila “a”
Modelo preliminar de Nitrógeno total
22
DISEÑO DE PLANTAS
Ejemplo 1
En el lago “Guadalupe” se determinaron los siguientes datos:
Area de drenaje = 1300x10 3m2
Area del lago= 248x103m2
Volumen del lago = 2270x103m2
Tw= 4.5 años
Concentración de nitrógeno en le lago = 2.2 mg/l
El uso del suelo en el área de drenaje es:
Uso urbano
30 hectáreas
Uso agrícola
40 hectáreas
Bosques
60 hectáreas
Además los censos arrojaron:
5000 habitantes
300 vacas 600 cerdos 50 caballos 4000 patos y pollos
a)
b)
c)
d)
Determinar la carga superficial de fósforo L(p) aplicada al lago
Si la concentración de fósofor medido en la columna de agua del lago es de 0.20
mg/l, utilizando el gráfico de probabilidad condicional, determinar el estado
trófico del lago en términos de probabilidades.
Determinar el nutriente limitante.
De acuerdo al estado trófico determinado este lago puede ser utilizado como
fuente de abastecimiento de agua? Sustente su respuesta.
23
Solución
a) Carga superficial de fósforo L(p)
Uso
Aporte P
(g/m2/año)
Aporte N
(g/m2/año)
Área
(m2)
Urbano
0.10
0.50
300,000
30,000
150,000
Agrícola
0.05
0.50
400,000
20,000
200,000
Forestal
0.01
0.30
600,000
6,000
180,000
56,000
530,000
56kg/año
530 kg/año
Total
Total
Seres viv os
Aporte Fósforo
Seres Vivos
Aporte P
(kg/hab/año)
Carga P
(g/año)
Cantidad
(hab)
Carga N
(g/año)
Carga P
(kg/hab/año)
Personas
1.0
5,000
5,000
Vacuno
7.0
300
2,100
Porcino
3.0
600
1,800
Caballo
4.5
50
225
Patos y pollos
0.3
4,000
1,200
Total
---
10,325
24
DISEÑO DE PLANTAS
Solución
a) Carga superficial de fósforo L(p)
W fósforo = 10,325 kg/año + 56 kg/año = 10,381 kg/año
L( p ) =
W 10 ,381 x10 3 g / hab / año
=
= 41 .859 g / m 2 / año
As
248 x10 3 m2
Profundidad lago: Z =
V 2270 ×10 3 m 3
=
= 9 .153 m
A 248 × 10 3 m 2
Concentración probable de fósforo que va llegar al lago:
Pλ =
L( p ) Tw 3 / 4 41.859 4. 53 / 4
⋅
=
⋅
= 4.71mg / l
Z
3
9.153
3
25
b) Estado trófico del lago (probabilidad)
Para encontrar el estado trófico del lago se utiliza la distribución de probabilidades, dado
una concentración de fósforo:
Ptotal = 0.20mg / l ×
1000l
= 200mg / m3
1m 3
57% Hipertrófico
3% probabilidad Mesotrófico
40% probabilidad Eutrófic o
40% Eutrófico
57% probabilidad Hipertrófico
3% Mesotrófico
26
DISEÑO DE PLANTAS
c) Nutriente limitante
Para encontrar el nutriente limitante se debe encontrar la relación de concentración de
fósforo a nitrógeno:
N 2.2mg / l
=
= 11 > 9 ⇒ limitante es el P
P 0.2mg / l
d) ¿Lago puede ser usada como fuente de abastecimiento
de agua?
Se concluye que el estado trófico del lago es de 575 probabilidad de ser hipertrófico,
por lo que no puede ser usado como fuente de abastecimiento de agua debido a que
existe un riesgo potencial para la salud pública
• Posibles presencia de sustancias tóxicas (Cinanuro)
• Posible presencia de Trihalometanos – (consumo constante puede producir cáncer).
Así también produce efectos en la economía por la elevación de los costos de
tra tamiento del agua
• Obstrucción de filtros
• Carreras de filtración muy cortas
• Uso de mayores dosis de coagulante y desinfectante.
• Riesgo a la formación de Trihalomentanos
27
• Elevación de tarifas.
Gracias
28