conceptos básicos y nuevos enfoques para evaluar el
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DOCTORADO EN CIENCIAS AMBIENTALES mención SISTEMAS ACUÁTICOS CONCEPTOS BÁSICOS Y NUEVOS ENFOQUES PARA EVALUAR EL DESEMPEÑO AMBIENTAL Y MITIGACIÓN DEL CAMBIO CLIMÁTICO EN LA INDUSTRIA SANITARIA INTERACCION ENTRE LOS ECOSISTEMAS Y LAS AGUAS SERVIDAS Dra. Gladys Vidal Centro de Ciencias Ambientales EULA-Chile Universidad de Concepción Concepción - Chile FUENTES DE CONTAMINACION LLUVIA LLUVIA Tierra Tierra Ríos y Lagos QUIMICOS Y PARTICULAS DEL SUELO Energía ESCORRENTIA SUPERFICIAL PEQUEÑOS RIOS QUE DESCARGAN A OTROS RIOS SISTEMA DE TRATAMIENTO Biosólidos USO EN AGRICULTURA Lodo USO DEL AGUA (Municipal e Industrial) TRANSPORTE INDUSTRIAS QUIMICAS CALOR Contaminantes PLANTACIONES DE PINOS REDUCEN ESCORRENTIA Y ALTERAN CONTENIDO RIO AFLUENTE TRACTORES Y FUMIGADORES, PESTICIDAS Y FERTILIZANTES SISTEMA DE TRATAMIENTO Energía OCEANO Energía FERTILIZANTES Y PESTICIDAS AGRICULTURA LAGO AGUA SUBTERRANEA Lodos DEPOSITO Agua tratada SALIDA EL CICLO DE AGUA INTERVENIDO Dra. G. Vidal LOS NUCLEOS URBANOS / RURALES Alimentación Salud Belleza Protección (PPCP: Pharmaceutical Personal Care Products) Límites de usos en función de la degradación de la calidad del agua Usos Producción Transporte CONTAMINANTES Agua Biodiversidad Ocio Riego de pesca Industriales energética de USOS bebida ¿Cúal es el objetivo? ACTIVIDAD DIARIA Patógenos zz - zz z zz na na Sólidos suspendidos zz zz zz z z z zz Materia orgánica zz z zz + zz z na z z zz + zz z z Nitratos zz z na + zz na na Sales zz zz na zz zz na na Elementos trazas zz zz z z z na na Microcontaminantes orgánicos zz zz z z ? na na z zz z ? z z na Algas ¿Qué se descarga? Acidificación zz Impacto importante, z Impacto menor, - sin impacto, na, no aplicable, +, a la degradación y la calidad del agua pueden ser beneficiosos Fuente: Environmental Protection Agency, EPA ?, efectos no valorados adecuadamente. ¿Qué tipo de tecnología usaría en estos casos de descarga? ¿Qué cuidaríamos? Suponga que debe descontaminar agua servida Lago Nivel de tratamiento requerido para las principales aplicaciones de gestió gestión del agua Humedal Océano Río en ritrón Rio (zona desértica) Río en potamón Sólidos, grasas y aceites, ajuste de pH CARGA ORGANICA (DQO, DBO, COT) AGUAS SERVIDAS - CARCATERISTICAS - NUTRIENTES COLIFORMES FECALES VIRUS, HELMINTOS MICROCONTAMINANTES Caudales Medios y Puntas Diarios COMPOSICION TIPICA DE AGUA RESIDUAL DOMESTICA (mg/L) 25 PLANTA CONTULMO CONCENTRACION 20 MEDIA DEBIL Sólidos, en total 1200 700 350 Disueltos, en total Fijos Volátiles 850 525 325 500 300 200 250 145 105 Suspendidos, total Fijos Volátiles 350 75 275 200 50 150 100 30 70 Sólidos sedimentables (ml/L) 20 10 5 DBO5 (20 °C) 300 200 100 COT 300 200 100 DQO 1000 500 250 85 40 20 Nitrógeno (total c/N) Orgánico 35 15 8 Amoníaco libre 50 25 12 Nitritos 0 0 0 Nitratos 0 0 0 Fósforo (total c/P) 20 10 6 Orgánico 5 3 15 Caudales Medio Caudales Punta Caudal promedio de los caudales medios Caudal promedio de los caudales punta 10 5 0 05-sep05 14-dic05 24-mar- 02-jul-06 10-oct06 06 18-ene- 28-abr- 06-ago- 14-nov07 07 07 07 Mes 22-feb08 01-jun08 Nitrogeno 140,0 120,0 100,0 Diseño Planta 80,0 Ecosistema receptor NTK influente NTK efluente DS 90 mg/l FUERTE l/s CONSTITUYENTE 60,0 2 40,0 Inorgánico 15 7 4 Cloruros 100 50 30 Alcalinidad (como CaCO 3) 200 100 50 Grasa 150 100 50 20,0 0,0 01-ago-04 17-feb-05 05-sep-05 24-mar-06 10-oct-06 Mes + Coliformes fecales 28-abr-07 14-nov-07 01-jun-08 18-dic-08 ....... continuación .............. CARACTERISTICAS FISICAS, QUIMICAS Y BIOLOGICAS DE LAS AGUAS RESIDUALES CARACTERISTICAS FISICAS, QUIMICAS Y BIOLOGICAS DE LAS AGUAS RESIDUALES QUIMICAS FISICAS • Sólidos En suspensión/Totales Volátiles/No volátiles • Temperatura • Color • Olor • Conductividad • Radiactividad 2. Parámetros inorgánicos • Alcalinidad • pH • Cloruros • Nitrógeno Total Orgánico Amoniacal Nitritos Nitratos • Fósforo Total Orgánico Inorgánico Azufre Metales pesados 3. Gases • Oxígeno disuelto • Sulfídrico • Metano • Amoniaco • Anhídrido carbónico QUIMICAS 1. Carga orgánica 1.1 Parámetros globales • DQO • DBO5 • COT 1.2 Compuestos particulares • Proteínas • Hidratos de carbono • Grasas, aceites y grasas animales • Agentes tensoactivos • Fenoles • Pesticidas BIOLOGICAS 1. Microorganismos • Protistas • Virus • Animales y plantas 2. Organismos coliformes DISTRIBUCION DE SOLIDOS EN UN AGUA RESUAL URBANA Disuelta (450) SV = 75 + 75 + 40 + 160 = 350 SSV = 75 + 75 = 150 Cantidades expresadas en mg/L Mineral (10) Orgánica (160) Mineral (290) Total organic Carbon Nitrification BOD20 BOD5 Funtion of BOD rate Biochemical oxygen demand (5-day incubation) Filtrable (500) Orgánica (40) COD Biochemical oxygen demand (20 day incubation) Mineral (25) TOD Chemical oxygen demand (Standard methods) Orgánica (75) 100% Coloidal (50) ST = 700 SS = 200 Mineral (25) Total oxygen demand No sedimentable (100) Totales (700) ThOD 100 Percent of theoretical En suspensión (200) Oxygen demand Organic carbon concentration Theoretical oxygen demand Orgánica (75) Sedimentable (2h) (100) Comparison of various measures of the organic strength of a waste DQO DEMANDA QUIMICA DE OXIGENO (DQO) Cr+3+ CO2 + H2O Materia Orgánica + Cr2O7(CaHbOc) DBO5 / DQO DBO5 > DQO Catalizador calor > 0,4 BIODEGRADABLE 0,4 > DBO5 /DQO > 0,2 0,2 > DBO5 / DQO > 0,2 MODERADAMENTE BIODEGRADABLE NO ES BIODEGRADABLE NITROGENO FOSFORO Nitrógeno Amoniacal, orgánico, NO2-, No3- Fósforo Total Fósforo soluble + insoluble Medició Medición NT Amoniacal + orgánico + NO2- + NO3- PO4-2 Fósforo soluble + insoluble Digestió Digestión NTK Amoniacal + orgánico pH > 7 Orgánico pH < 7 Orgánico + amoniacal Fosfato Fósforo soluble PO4-2 Sin digestió digestión NO2- + NO3- Espectrofotométrico, electrodo Alcances: N-NH4+ ≠ NH4+ Ej. Aguas servidas (NT), RIL matadero (NTK) Alcances: P-PO4-2 ≠ PO4-2 PATOGENOS EN AGUA SERVIDAS COMPUESTOS EMERGENTES EDC: ENDOCRINE DISRUPTING COMPOUNDS PPCP: PHARMACEUTICALS AND PERSONAL CARE PRODUCTS Fuente y concentraciones de nonylfenol y su ethoxylato Fuente Concentración Detergentes 0 – 28% Desodorantes 1 – 3% Maquillaje 0.1 – 10% Productos para el cabello 1 – 30% Pinturas 0.6 – 3 % Efluentes industrias papeleras NP (0.02-26.2 μg/L), NPEOs (0.1-35.6 μg/L) STW efluentes < 0.02 – 330 μg/L Pesticidas < 1 – 20% Alimentos 0.1 – 19.4 μg/kg Productos farmacéuticos Productos de cuidado personal Compuestos actualmente regulados en EU Compuestos emergentes LAS AGUAS Y SU TECNOLOGIA DE TRATAMIENTO EVOLUCIÓ EVOLUCIÓN DEL TRATAMIENTO DE AGUAS SERVIDAS Fuente: Tesis Ingeniería Ambiental, M. C. Diocaretz Región SISS, 2007 Población Urbana estimada Población abastecida (habitantes) Agua potable Cobertura Población saneada(habitantes) Alcantarillado Cobertura I 402.366 401.963 99,9 393.039 97,7 II 446.716 446.479 99,9 434.060 97,2 III 236.962 234.731 99,1 219.971 92,8 IV 510.890 510.158 99,9 481.269 94,2 V 1.405.411 1.391.066 99,5 1.257.506 89,4 RM 6.455.308 6.453.998 99,9 6.323.406 97,9 VI 522.022 517.687 99,2 418.462 80,2 VII 603.945 601.235 99,6 565.001 93,6 VIII 1.564.726 1.554.179 99,3 1.358.948 86,8 IX 568.263 567.821 99,9 511.742 90,1 X 646.093 646.089 100 567.405 87,8 XI 67.926 67.881 99,9 61.640 90,7 XII 145.742 145.685 99,9 144.113 98,9 Totales 13.576.370 13.538.945 99,7 12.736.562 93,8 Plantas de Tratamiento de Aguas Servidas Cuenca del rí río Biobí Biobío Distribución regional de plantas de tratamiento en Chile Número de plantas 35 30 Otros 25 Laguna de estabilización 20 Lodo activado 15 Laguna aireada 10 Emisario 5 0 I II III IV V VI VII VIII IX X XI XII RM Región TOTAL: 205 PLANTAS (Dic. 2005) Distribución porcentual de sistemas de tratamiento de aguas servidas, utilizados en Chile a diciembre 2005 Emisario 6% 11% 13% Laguna aireada Lodo activado 21% Laguna de estabilización Otros 49% PTAS: Planta de Tratamiento de Aguas Servidas Fuente: Tesis Ingeniería Ambiental, M. C. Diocaretz NEUTRALIZACION Sólidos, grasas y aceites, ajuste de pH CARGA ORGANICA (DQO, DBO, COT) C. sólidos PRIMARIO NUTRIENTES COLIFORMES FECALES VIRUS, HELMINTOS C. solubles C. específicos SECUNDARIO TERCIARIO Lodo químico Lodo biológico Posibles pp. Comp. adsorbidos MICROCONTAMINANTES Disposición Obtenció Obtención de energí energía Sedimetación Dra. G. Vidal, Centro EULA-CHILE Disposición Disposición Reutilizació Reutilización Sistema aeróbico, anaeróbicos Eliminación de color, compuetos específicos Limpio y seguro en estas situaciones de la planificación del territorio? Tratamiento convencional -6 10 Seguridad aceptable Tratamiento baja tecnología -5 10 Mejora calidad Higiene -4 Riesgo de cáncer Agua descargada ¿Qué influencia tiene la tecnología de tratamientos de aguas ser Tratamiento avanzado 10 Incrementa cantidad Inseguro Standard Medioambiental AA Limpio Cantidad limitada Grandes espacios y menos energía A Espacios Rurales Ciudad Suponga que debe Eliminar DBO5 B C/D Contaminada Cantidad no limitada Menos espacios y más energía Agua cruda ¿Qué sistemas utilizaría en uno y otro caso y porqué? ¿Qué tipo de tecnología usaría en estos casos de descarga? ¿Qué cuidaríamos? Suponga que debe descontaminar agua servida Sólidos, grasas y aceites, ajuste de pH CARGA ORGANICA (DQO, DBO, COT) NUTRIENTES Lago Océano Rio (zona desértica) COLIFORMES FECALES VIRUS, HELMINTOS MICROCONTAMINANTES Humedal Río en ritrón Río en potamón COMPUESTOS INSOLUBLES EN AGUA PARTÍCULA PESADA PARTÍCULAS PESADAS - PARTÍCULAS LIVIANAS PARTÍCULAS GRANDES - PARTÍCULAS PEQUEÑAS ρS < ρ ρS > ρ PARTÍCULA LIVIANA ZAROR, 2002 FILTRO ZAROR, 2002 FILTRO ZAROR, 2002 ZAROR, 2002 COAGULACION SÓLIDOS SUSPENDIDOS: PARTÍCULAS DE TAMAÑO MAYOR DE 1 μm Bacterias, hongos, protozoos, algas, fibras orgánicas, COLOIDES: PARTÍCULAS DE PEQUEÑO TAMAÑO 0,001 – 1 μm Fragmentos de células, virus, proteinas, enzimas, ADN, polisacáridos, bacterias. ZAROR, 2002 < 1 μm 10-100 μm LOS COLOIDES NO SEDIMENTAN. LOS COLOIDES PODRÍAN COAGULAR Para lograr la agregación de las partículas coloidales, es necesario neutralizar o superar las cargas superficiales: · 1000-5000 μm LOS COÁGULOS PODRÍAN FORMAR FLÓCULOS Adición de cargas iónicas para neutralizar las cargas : Al2(SO4)3 , FeCl3 , Fe2(SO4)3 · Adición de polielectrolitos (polímeros cargados) que se quemisorben y actúan como puentes entre partículas: derivados de celulosa, poliacrilamida, almidones, alginatos. ZAROR, 2002 FLOCULACION Sólidos, grasas y aceites, ajuste de pH CARGA ORGANICA (DQO, DBO, COT) NUTRIENTES ADSORCION Y COLIFORMES FECALES VIRUS, HELMINTOS COAGULACION/FLOCULACION MICROCONTAMINANTES Plantas de Tratamiento de Aguas Servidas Lodo a tratar 60 kg DQO DQO AEROBICO + O2 H2O + CO2 + lodo aer aeróbico Entrada Materia orgánica disuelta Materia orgánica suspendida Salida REACTOR AEROBIO 10 kg DQO (20 ºC) 100 kg DQO Influente Efluente primario Tratamiento Primario Tratamiento Secundario Efluente secundario 100 kwh Desinfección Efluente final Lodo estabilizado 10 Kg DQO Electricidad para aireación Lodo primario ANAEROBICO Lodo secundario Entrada Tratamiento de lodos REACTOR Salida ANAEROBIO (35 ºC) 10 kg DQO 100 kg DQO Disposición final Calor Electricidad Máximo 195 kwh Máximo 78 kwh Metano 31 m 3 Fuente: Tesis Ingeniería Ambiental, M. C. Diocaretz Barañao y Tapia, 2004; Valverde et al, 2001 DQO CH4 + CO2 + lodo anaeró anaeróbico MECANISMOS TRANSFORMACION LA MATERIA MECANISMOS DE DE TRANSFORMACION BIOLOGICA DEDE MATERIA ORGANICA ORGANICA Materia orgánica nutrientes (N, P) O2 (100%) microorganismos Síntesis celular Oxidación / respiración (60%) CO2 + H2O Oxidación / respiración CO DBO5:N:P = 100:5:1 2+ H2O + NH3 Dra. G. Vidal, Centro EULA-CHILE TRATAMIENTO SECUNDARIO POR LODOS ACTIVADOS Sólidos, grasas y aceites, ajuste de pH CARGA ORGANICA (DQO, DBO, COT) NUTRIENTES COLIFORMES FECALES VIRUS, HELMINTOS MICROCONTAMINANTES TRATAMIENTO SECUNDARIO POR LODOS ACTIVADOS BIOSOLIDOS GENERADOS TRATAMIENTO TERCIARIO, SISTEMA DE CLORACION Plantas de Tratamiento de Aguas Servidas Cuenca del rí río Biobí Biobío PLANTAS DE TRATAMIENTO DE AGUAS SERVIDAS Planta Tecnología de tratamiento Población estimada (habitantes) Producción de lodos (toneladas/mes) Distancia a recorrer (km) Referencias Cabrero Lodos activados 12.609 53,9 20,0 1–2 Concepción Lodos activados 433.459 1.600,0 102,1 1 Hualqui Lodos activados 13.594 58,4 107,0 1–3 Laja - San Rosendo Lodos activados 16.546 84,1 60,3 1 Los Ángeles Lodos activados 113.865 560,0 60,0 1–4 Monteáguila Lodos activados 3.182 26,9 30,0 1 Mulchén Lodos activados 20.736 59,62 88,6 1–5 Negrete Lagunas estabilización 5.500 54,2 74,0 Quilaco Lodos activados 1.469 42,0 98,0 7 Quilleco Lodos activados 1.897 8,4 90,0 1–8 Santa Bárbara Lodos activados 10.331 42,1 94,0 1–9 Santa Juana Lodos activados 5.719 30,9 145,8 1 – 10 Yumbel Lodos activados 9.881 44,3 42,0 1 – 11 6 1) ESSBIO, 2008; 2) DIA PTAS Cabrero 2005; 3) DIA PTAS Hualqui, 2005; 4) DIA PTAS Los Ángeles, 2001; 5) DIA PTAS Mulchén, 2004; 6) DIA PTAS Negrete, 2005; 7) DIA PTAS Quilaco, 2002; 8) DIA PTAS Quilleco, ; 9) DIA PTAS Santa Bárbara, 2006; 10) DIA PTAS Santa Juana, 1999; 11) DIA PTAS Yumbel, 2004. PTAS: Planta de Tratamiento de Aguas Servidas; DIA: Declaración de Impacto Ambiental. PTAS: Planta de Tratamiento de Aguas Servidas Costo transporte: 0,7 UF/ton Fuente: Tesis Ingeniería Ambiental, M. C. Diocaretz $23,5 millones/mes Fuente: Tesis Ingeniería Ambiental, M. C. Diocaretz ESSBIO, 2009 Caracterí Características de los lodos Proceso convencional de lodos activados Físicas DBO5:N:P = 100:5:1 Nutrientes • Humedad • Densidad • Contenido orgánico: poder calorífico y potencial olor • Textura • Fluidez Influente Efluente Sedimentador secundario Sedimentador primario DBO5: • Metales: B, Cr, Pb, Ni, Hg, Ag, Zn • Plasticidad DBO5: Reactor 200 – 400 mg/L Químicas • Nutrientes: crecimiento vegetal (NPK) 20 - 30 mg/L Aire Lodo primario Lodo secundario o biológico Lodo en exceso Recirculación de lodo Lodo: 0,7 - 0,8 kg/kg DBO5 removida Tratamiento de Lodos 61 Metcalf & Eddy, 1995; Ronzano, 1995; Alarcón y Román, 2003; Coronado, 2008 Helmintos Humano (Gusanos adultos en el intestino) Ingesta Heces (Huevos) Maduración de huevos en el suelo Migración vía sanguínea hasta la tráquea Ingesta e incubación de huevos Penetración de larvas al intestino 63 CDC, 1999; Montoya, 2008; Shore, 1999 Salmonella typhi Eschericha coli Shigella Parásito intestinal Helmintos 62 Alcota, 2002; Cortez, 2003; Toro, 2005;
