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

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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

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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.

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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

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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

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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.

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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

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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.

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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 11

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 12

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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

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Características limnológicas para evaluar tendencias hacia la eutroficacion

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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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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

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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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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” 19

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;

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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 )

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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

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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

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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

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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

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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

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