PROCESO DE EUTROFICACIÓN

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1 UNIVERSIDAD ALAS PERUANAS FACULTAD DE INGENIERIA AMBIENTAL DISEÑO DE PLANTAS DE TRATAMIENTO DE AGUAS Y DESAGÜES CAPITULO I: INTRODUCCIÓN 1.3 Eutroficación Profe sor: Ing. Omar Eduardo Olivos Lara Lima Perú UNIVERSIDAD ALAS PERUANAS FACULTAD DE INGENIERIA AMBIENTAL CAPITULO I: DISEÑO DE PLANTAS DE TRATAMIENTO DE AGUA Y DESAGÜE SESIÓN 1.3: PROCESO DE EUTROFICACIÓN Profesor: Ing. Omar Olivos Lara 2

2 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 eutrofización 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 vuelve pronto anóxico. La radical alteración del ambiente que suponen estos cambios, hace inviable la existencia de la mayoría de las especies que previamente formaban el ecosistema 4

3 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

4 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 sistema. Al dismunir los niveles 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). 1. La contaminación forestal: Abandono en ríos de residuos forestales Aportes NO3- PO4= K+ Mg+ Aumento de materia orgánica disuelta 1. La contaminación atmosférica: Uso de combustibles en transporte y actividades industriales aportan NOx y SOx Al reaccion ar forman con agua forman NO 3 - y SO La contaminación urbana: Inexistencia de sistemas de tratamiento o depuración parcial de las aguas residuales Residuos orgánicos Detergentes 8

5 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 ación de cyanobacter ias Una cocha (laguna) en la amazonía. El pr oceso de eutr ofización ha producido tanto sedimento que la ha conver tido en tierr a fir me. Pronto cr ecer án árboles y desapar ecer 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

6 Concepto de Nutriente limitante Si N > 9 P N < 9 P N < 4 P Limtante es el fósforo Limtante es el Nitrógeno Permite el crecimiento de algas verde azules 11 Índices Tróficos El control y vigilancia de la calidad lagos y embalses requiere un programa que incluya: 1. Medidas de la tasa de eutroficación 2. 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

7 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 = ln(ds) TSI ln(p ) = λ TSI = 9.81 ln(clor.a) 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

8 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. 16

9 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 (g/hab/año) Aporte Fósforo (seres vivos) Personas Vacuno Porcino y lanares Caballo Patos y pollos 1,000 7,000 3,000 4, 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. 18

10 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 fósforo tota l al lago; Determinar la concentración promedio anual de fósforo total en el lago; Esti mar la concentración de fósforo total en el lago en la pri mavera, a partir de la concentración promedio anual; Calcular las concentraciones promedio de c lorofila "a" en el verano a partir de la s 20 concentraciones de fósforo total en la pri ma vera;

11 Modelos matemáticos simplificados Las suposiciones usadas para el análisis del modelo de balance de masa de fósforo total son: Lago completa mente mezc lado; Condiciones de estado de equilibrio, representa do por el va lor promedio estacional/anual; Limitado por fósforo; Fósforo total se usa como medida del esta do trófico. Esquema del balance de masa para fósforo - lago completamente mezclado 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 dpλ V = W v s A s Pλ Q P λ...(1) dt dpλ = W K V Pλ Q P...( 2) dt V s λ dpλ En estado permanente V = 0 dt K s = v s Z W Pλ = Q + v s A s Esta ecuación también puede expresarse usando una tasa aérea de carga: L (p) = W A s Q 1 = L(p) Pλ = q + v s L(p) ρ = λ V T w Z( ρ + K ) s P = 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 < mg-p/m3 > 2. Verificación del modelo de fósforo total 3. Modelo preliminar de Clorofila a 4. Modelo preliminar de Nitrógeno total 22

12 Ejemplo 1 En el lago Guadalupe se determinaron los siguientes datos: Area de drenaje = 1300x10 3 m 2 Area del lago= 248x10 3 m 2 Volumen del lago = 2270x10 3 m 2 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) Determinar la carga superficial de fósforo L(p) aplicada al lago b) 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. c) Determinar el nutriente limitante. d) 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) Carga P (g/año) Carga N (g/año) Urbano Agrícola , ,000 30,000 20, , ,000 Forestal ,000 6, ,000 Total 56, ,000 Total 56kg/año 530 kg/año Seres viv os Aporte P (kg/hab/año) Cantidad (hab) Carga P (kg/hab/año) Aporte Fósforo Seres Vivos Personas Vacuno Porcino , ,000 2,100 1,800 Caballo Patos y pollos 0.3 4,000 1,200 Total ,325 24

13 Solución a) Carga superficial de fósforo L(p) W fósforo = 10,325 kg/año + 56 kg/año = 10,381 kg/año L( p ) = W A s 3 10, 381x10 g / hab / año = = x10 m 2 g / m / año Profundidad lago: 3 3 V m Z = = = m 3 2 A m Concentración probable de fósforo que va llegar al lago: 3 / L( p ) Tw Pλ = Z = / 4 = 4. 71mg / l 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: 1000l Ptotal = 0. 20mg / l = 200mg / m 3 1m 3 3% probabilidad Mesotrófico 40% probabilidad Eutrófico 57% probabilidad Hipertrófico 57% Hipertrófico 40% Eutrófico 3% Mesotrófico 26

14 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