Transcript EXPLORA-Recurso_Hidrico-2012-Diez

CIENCIAS AMBIENTALES
RECURSOS HIDRICOS
Y TECNOLOGÍAS DE TRATAMIENTO
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.
Almacenamiento de Agua
Depósito
Volumen (en
millones de km3)
Porcentaje
Océanos
Casquetes y glaciares
Agua subterránea
1370
29
9.5
97.25
2.05
0.68
Lagos
Humedad del suelo
0.125
0.065
0.01
0.005
Atmósfera
Arroyo y ríos
Biomasa
0.013
0.0017
0.0006
0.001
0.0001
0.00004
Tiempo de Residencia
Depósito
Tiempo medio de residencia
Glaciares
Nieve estacional
20 a 100 años
2 a 6 meses
Humedad del suelo
Agua subterránea: somera
Agua subterránea: profunda
Lagos
1 a 2 meses
100 a 200 años
10.000 años
50 a 100 años
Ríos
2 a 6 meses
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
ACUIFEROS
VOLUMEN
EXTENSION
UBICACIÓN
Areniscas de Nubia
75 mil millones m3
2 millones Km2
Egipto-Libia-SudanChad
Norte del Sahara
60 mil millones m3
135 mil Km2
África. Argelia-Libia
y Túnez
Guaraní
37 mil millones m3
1,2 millones de Km2
Profundidad 1.000 m
Paraguay-ArgentinaUruguay- Brasil
*Alter do Chao
Amazonas, Pará y
Amapá
437.500 Km2
Profundidad 300-350 m
Espesor 545 metros.
Brasil
Gran cuenca artesania
20 mil millones m3
Australia
Altas planicies
15 mil millones m3
USA
Norte de China
5 mil millones m3
China
* 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
Acuífero
Guaraní
Distribucióndel
Acuífero
Guaraní
6%
5%
Brasil
18%
Argentina
Paraguay
Uruguay
71%
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
 Usos consuntivos
67,8%
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 BIOGEOQUIMICOS
Interacciones 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
(ºC)
DENSIDAD
(kg/m3)
0
2
4
6
8
10
30
40
60
80
999,8
999,9
1.000,0
999,9
999,8
999,7
995,6
992,2
983,2
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
25
8,3
30
7,6
6,1
40
6,6
5,1
7,2
a: agua dulce, b: agua salada
Salinidad del agua
SALINIDAD DE LOS DIFERENTES
TIPOS DE AGUA
SALINIDAD MEDIA DE LOS MARES Y
OCÉANOS
TIPOS DE AGUA
SALINIDAD (PPM)
MAR/ OCÉANO
SALINIDAD
(ppm)
Ultrapura
0.03
Mar Báltico
28.000
Pura (calderas)
0.3
Mar del Norte
34.000
Océano Pacifico
33.600
Desionizadas
3
Dulce (potable)
< 1000
Salobre
Océano Atlántico Sur 35.000
Mar Mediterráneo
36.000
1000 – 10.000
Mar Rojo
44.000
Salina
10.000 – 30.000
Golfo Pérsico
43.000 – 50.000
Marina
30.000 – 50.000
Mar Muerto
50.000 – 80.000
Fuente: Fariñas (1999); Medina (2000)
Fuente: Abu Qdais (1999); Handbury, Hodgkiess
y Morris (1993); Medina (2000)
FUENTES DE CONTAMINACIÓN DEL AGUA
Doméstica
Otras
Industrial
Agrícola
Petróleo
Reutilización
Consumo
Agua servida
domiciliaria
Agua Potable
Usuario
Riles
(industrial / comercial)
Aguas servidas urbanas o municipales
Aguas negras
D.S. 609
Sistema de alcantarillado
Planta de tratamiento
Efluente tratado
D.S. 90
Residuos
sólidos (lodos)
Cuerpo hídrico receptor
FUENTES DE CONTAMINACIÓN DEL AGUA
PUNTUALES Industriales
Domésticas
Comerciales e Industriales
DISPERSAS
Agricultura
Escorrentía (erosión, minas, etc)
ORIGEN
Antropogénico
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
CLASIFICACIÓN DE LOS CONTAMINANTES
Biodegradables
Se descomponen con
facilidad por acción de las
bacterias.
Ej: Azúcar
No degradables
Sustancias químicas que no
se descomponen con
facilidad y se mantienen en
el agua durante mucho
tiempo.
Ej: Lignina
CONTAMINANTE
EFECTO PRINCIPAL
Orgánicos
Aceites y grasas
Detergentes
Hidrocarburos
Fenoles
Pesticidas
Cloroformo
Tóxico para la vida acuática
Espuma impide aireación del agua
Tóxico para la vida acuática
Tóxico para la vida acuática
Tóxico para el hombre
Cancerígeno
Metales Pesados
Ag, B, Cr(VI), Cu, Fe, Mn,
Mo, Ni, Pb, Sb, Se, Sn, Zn
Tóxicos en general
Otros
Fosfatos y nitratos
Sulfatos
Súlfuros
Cianuros
Producen eutrofización
Corrosión
Olores desagradables
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.
RILes a 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
I (411.586)
III (231.357)
VII (571.047)
IX (535.317)
XI ( 66.719)
XII (127.615)
2002
96,4
72,5
24,0
12,5
70,2
10,6
2004
98,1
89,4
34,8
11,5
87,5
91,6
2005
98,6
91,0
88,7
13,5 (16,5*)
96,4
92,6
2010
98,6
99,9
100
95,4
98,6
95,2
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
2015
98,6
100
100
96,4
98,6
100
Plantas de Tratamiento de Aguas Servidas (08-04-10)
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.
Tecnologías para Purificación de Agua
Potabilización del agua
1. Captación
3. Coagulación
2. Desarenación
Tierra + sulfato de
aluminio
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
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
Procesos Físicos
Procesos Biológicos
Procesos Combinados
TIPOS DE TRATAMIENTO
Floculante/coagulante
Gases
Gases
INFLUENTE
EFLUENTE
PRIMARIO
Lodo químico
SECUNDARIO
TERCIARIO
Lodos biológicos
Sólidos terciarios
Aerobio
Aerobio
Anaerobio
anaerobio
Facultativo
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
Parámetro
DBO
DQO
SS
N
P
Primario Secundario Terciario
Remoción (%)
35
30
60
20
10
90
80
90
50
60
99,9
99,8
--99,5
variable
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
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
Planta de tratamiento
aerobia a escala real
Eliminación de Materia Orgánica y Nitrogenada
(PTAS)
Oxidación de materia orgánica :
m.o.
CxHyOz + O2 
CO2 + H2O + m.o.
Oxidación de nitrógeno (nitrificación)
+
NH4 +
3/
2
O2
NO2- + ½ O2
m.o. 1

NO2- + H2O + 2 H+
(Nitrosomonas)
m.o. 2

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

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
100:0,5:0,1
Aerobios,
Anaerobios
Requerimientos Nutricionales
Elemento
Carbono
Función Fisiológica
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
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
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
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
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
Compuesto
orgánico
CO2
Flujo de Carbono
Flujo de
electrones
ANAEROBIOS
O2
Compuesto
orgánico
CO2
Flujo de Carbono
Flujo de electrones
NO3-
SO4
2-
Compuesto
orgánico
BALANCE ENERGÉTICO DE LOS PROCESOS
AEROBIOS Y ANAEROBIOS
Lodos en exceso
DQO = 60
kg
Efluente
Influente
20ºC
DQO
100 kg
Lodos estabilizados
Reactor
aerobio
20ºC
Energía de aireación
50 kW
DQO
10 kg
DQO = 10
kg
Influente
20ºC
Efluente
Reactor
anaerobio
35ºC
DQO
100 kg
DQO
10 kg
Metano
31m3
E. Calórica 260 kW-h
kW-h
(máximo)
Electricidad 78
(máximo)