4. Dr. G Vidal
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4. Dr. G Vidal
Curso: Presencia de microcontaminantes orgánicos en agua: caracterización, efectos y alternativas de tratamiento TEMAS EVALUACION DE LOS EFECTOS DE MICROCONTAMINANTES PROVENIENTES DE LA INDUSTRIA FORESTAL INTERACCION ENTRE LOS ECOSISTEMAS Y LOS PROCESOS ANTROPOGENICOS POTENCIALIDAD DE LOS SISTEMAS BIOLOGICOS DE ELIMINACION DE MICROCONTAMINANTES Dra. Gladys Vidal Profesor Titular Centro EULA-Chile Universidad de Concepción Concepción - Chile DESCARGAS PUNTUALES LLUVIA Tierra Tierra Ríos y Lagos Energía SISTEMA DE TRATAMIENTO Biosólidos USO EN AGRICULTURA Lodo (Descargas a aguas superficiales) USO DEL AGUA (Municipal e Industrial) TRANSPORTE Contaminantes SISTEMA DE TRATAMIENTO Energía Energía Lodos OCEANO DEPOSITO Agua tratada EL CICLO DE AGUA INTERVENIDO (Descargas a mar) Dra. G. Vidal 1 DESCARGAS FUENTES DE CONTAMINACION DIFUSAS LLUVIA QUIMICOS Y PARTICULAS DEL SUELO ESCORRENTIA SUPERFICIAL PEQUEÑOS RIOS QUE DESCARGAN A OTROS RIOS INDUSTRIAS QUIMICAS CALOR PLANTACIONES DE PINOS REDUCEN ESCORRENTIA Y ALTERAN CONTENIDO RIO AFLUENTE TRACTORES Y FUMIGADORES, PESTICIDAS Y FERTILIZANTES FERTILIZANTES Y PESTICIDAS AGRICULTURA LAGO AGUA SUBTERRANEA SALIDA 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 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 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. Nivel de tratamiento requerido para las principales aplicaciones de gestió gestión del agua 2 DESAFIOS EN LA GESTION DEL AGUA COMPUESTOS EMERGENTES EDC: ENDOCRINE DISRUPTING COMPOUNDS Demanda del agua Requerimientos de calidad PPCP: PHARMACEUTICALS AND PERSONAL CARE PRODUCTS Protección de la salud pública y ambiental TENDENCIAS 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 3 Productos farmacéuticos Productos de cuidado personal Compuestos actualmente regulados en EU Compuestos emergentes 4 LA INDUSTRIA DE CELULOSA 5 ASPECTOS FUNDAMENTALES Wastewater treatment ? Raw material Process technology DBO5, DQO, solidos suspendidos, temperatura, nutrientes (N, P), Microcontaminantes, etc. Wastewater treatment (Primary consumers) (Primary and secondary consumers ) Zoobenthic Phytobenthic (Primary producers) Zoobenthic Ichtyofauna Ichthyofauna (Secondary and terciary Consumers ) EFECTO CAUSAS MATERIAS PRIMAS TECNOLOGIA DISPONIBLE BAT: BEST AVAILABLE TECHNIQUE (TECHNOLOGIES) T E C N O L O G I A D E T E C C I O N (Estudios desarrollados en 1988 en el mar del Norte, Europa) 6 WOOD COMPOSITION WOOD Hardwood 21% Softwood 25% NUEVAS HERRAMIENTAS A INVESTIGAR Y APLICAR 2-8 % LIGNIN EXTRACTIVES Terpenes Resin acids Fatty acids Phenols Unsaponifiable CARBOHYDRATES Hardwood 35% Softwood 25% 45% CELLULOSE HEMICELLULOSE Glucose Glucose Manose Galactose Xylose Arabiose Dra. G. Vidal, Centro EULA-CHILE COMPUESTOS ENCONTRADOS EN EFLUENTES DE LA INDUSTRIA DE CELULOSA Clorofenoles MODELO ESTRUCTURA DE LA LIGNINA Taninos Terpenos Apolaridad alcoholes Oligomeros con grupos hidróxilos Enlaces de hidrógeno TOXICIDAD fenoles BIODEGRADABILIDAD Lignina Dioxinas Peso molecular Cloro sustituído Clorofenoles Taninos polimerizados Cloroguaiacoles Dra. G. Vidal, Centro EULA-CHILE 7 Componentes de la madera Eucalipto Pino Celulosa 42-46%1 43-50%1 Hemicelulosa 35%1 25%1 Lignina 17-26%1 25-31%1 Compuestos extraíbles 0,2 a 3,5%2 0,5 a 7,0%2 • Fitoesteroles 0,49% 0,2% • Ácidos resínicos 0,26% 8,9% NEUTRALIZACION C. sólidos C. solubles C. específicos SECUNDARIO TERCIARIO Colesterol OH OH O PRIMARIO O HO Escualeno Fucosterol Citrostadienol Genistein HO Posibles pp. Comp. adsorbidos Lodo biológico Lodo químico Estigmasterol HO Cicloartenol α-Tocoferol O Estigmastanol Campesterol 32 μg/L β-Sitosterol Disposición Disposición Obtenció Obtención de energí energía Reutilizació Reutilización Disposición COOH 24-Metilenecicloartanol Ácido Abiético Estigmastan-3-ona 75-1200 μg/L Ácido Palmítico 1 Oñate, 2006; 2 LaFleur, 1996 MECANISMOS TRANSFORMACION LA MATERIA MECANISMOS DE DE TRANSFORMACION BIOLOGICA DEDE MATERIA ORGANICA ORGANICA Materia orgánica nutrientes (N, P) O2 Sedimetación Sistema aeróbico, anaeróbicos Eliminación de color, compuetos específicos Dra. G. Vidal, Centro EULA-CHILE BALANCE DE MATERIA 1. PARAMETROS CINETICOS CORRESPONDIENTES A LA PRODUCCION NETA DE MLVSS Y A LA DEMANDA DE OXIGENO (100%) microorganismos PRODUCTOS FINALES Síntesis celular Oxidación / respiración Parámetros de diseño a CO2, H2O, N2, P (60%) CO2 + H2O EFLUENTE (DBO5) Oxidación / respiración Fase de síntesis DBO5:N:P = 100:5:1 Dra. G. Vidal, Centro EULA-CHILE CO2 + H2O + NH3 Parámetros de diseño Y, Y NUEVAS CELULAS Fase de respiración endógena Parámetros de diseño Kd , b PRODUCTOS FINALES CO2, H2O, NH3, P (no biodegradables) Dra. G. Vidal, Centro EULA-CHILE 8 REACCIONES FUNDAMENTALES a) Reacciones de síntesis (proceso asimilatorio) COHNS + O2 + Bacterias + Energía ⇒ C5H7NO2 (nuevas células bacterianas) (MLVSS) b) Reacciones de oxidación (proceso disimilatorio) COHNS + O2 + Bacterias ⇒ CO2 + NH3 + otros productos finales + Energía c) Respiración endógena (autooxidación) C5H7NO2 + 5O2 ⇒ 5CO2 + NH3 + 2H2O + Energía Dra. G. Vidal, Centro EULA-CHILE SISTEMAS AEROBICOS LAGUNA AIREADA LODOS ACTIVADO P R O C E S O OBJETIVO CONTROL DE LA OPERACION ¿CÓMO? ¿PROBLEMAS? Dra. G. Vidal, Centro EULA-CHILE Dra. G. Vidal, Centro EULA-CHILE D.S. 90 /2000 RCA (Resolución de Calidad Ambiental) Norma Secundaria de Calidad de Aguas 9 Extractives WOOD Cellulose 50% Hemicellulose 20% Lignin 25% Resin 5% Long-chain Fat Acids Terpenes β-sitosterol Resin acids Phenols compounds Phytosterols Campesterol Stigmasterol β-sitostanol Phytosterols Campestanol Stigmastanol HO HO HO Campesterol Sitosterol Stigmasterol Endocrine active compounds HO HO HO Sitostanol Campestanol Stigmastanol (Belmonte et al.,2006) TRATAMIENTO DE EFLUENTES KRAFT Lodos activados Tesis Doctoral Claudia Xavier MBBR (movil bed bioreactor) Laguna aireada “Influencia de la tecnología de tratamiento en la eliminación de fitoesteroles contenidos en efluente de celulosa kraft y en la toxicidad de estos compuestos en organismos acuáticos” Actualmente: Prof. Universidad Técnológica do Paraná Prof. Guía: G. Vidal Remoción de Toxicidad Aguda (CL50 48 h) en sistemas de AS y AL Organismo D. magna Tanque de aireación Ecualizador Neutralización Clarificador primario D. obtusa Efluente crudo de ICKB Sistema de flotación VCO (gDQO/L·d) Influente (%) Efluente AS (%) Efluente AL (%) 0,6 85,93 ± 19,62 >100 4,0 78,89 ± 12,08 >100 >100 >100 9,0 61,56 ± 7,97 >100 >100 0,6 72,97 ± 4,53 >100 9,0 53,22 ± 8,34 >100 >100 88,22 ± 7,34 Clarificador secundario Efluente tratado de ICKB Filtro de disco Disposición de los lodos Secado del lodo (Chamorro et al., 2005) 10 CHRONIC STUDY OF PULP AND PAPER EFFLUENTS BY DAPHNIDS Objective: to detect endocrine effects on Daphnia magna growth exposed to effluents and endocrine active chemicals. 9 Samples: pulp mill effluent & endocrine active chemicals Exposition time: 21 days Effects: chronic effects Remoción de toxicidad crónica en sistemas de AS y AL Medio Reproducción NOEC (%) Control 5% LOEC (%) Crecimiento NOEC (%) LOEC (%) Influente 20 30 20 Efluente AS 40 ND 40 ND Efluente AL 10 20 10 20 30 a) Aná Análisis de imagen b) Anatomical traits a) body length b) abdomen cavity ANOVA Olmstead and LeBlanc, LeBlanc, 2000. (Xavier et al., 2005) 10% 20% (Xavier et al., 2005) Proyecto de investigación FONDECYT en desarrollo Male eggs, observed as small black points inside the abdomen, were generate by organisms exposed to 10% of effluent. “Integrated biological treatment for the removal of estrogenic endocrine disrupters compounds containes in eucalipto and pino kraft mill effluents” y Tesis Doctoral Soledad Chamorro CONCLUSION El efluente tratado y diluido al 10%, tiene un efecto positivo sobre D. magna en cuanto a crecimiento y fertilidad “Aplicación de Saccharomyces cerevisiae y Daphnia obtusa para evaluar Actividad estrogénica y la eficiencia de eliminación de tecnologías aeróbicas Actualmente: Alumna Doctorado en Ciencias Ambientales Centro EULA-Chile Prof. Guías: G. Vidal / M. A. Mondaca y ¿Será esto debido a la actividad estrogénica? PROYECTO INTERNACIONAL Proyecto CONICYT-CSIC: “Evaluación de compuestos disruptores endocrinos estrogénicos presentes en efluentes de la industria de celulosa kraft”. Inv. Español Joseph M. Bayona, Instituto de Investigaciones Químicas y Ambientales de Barcelona (CSIC). Duración 2008-2009. 11 Saccharomyces cerevisiae ERE PGk Receptor activado CPRG Amarillo LacLac-Z Modelo simple de Eucarió Eucariótica Evaluar la actividad bioló biológica e identificar compuestos responsables Ensayo permite analizar múltiples muestras Medio de cultivo + agar A = 0,243 5 Propagación 17 α-etinil estradiol 4 2 Gemació Gemación 24 h, A = 0,7 - 1,1 Inducción de B galactosidasa 3 Unicelular PRIMERAS APROXIMACIONES Lac-Z 72 h X-Gal (5-bromo-4-cloro-3-indolilo-b-D- CPRG Rojo A = 0,759 galactopiranosido). Receptor Activado 1 hER Núcleo Altamente especí específico, reprodutivo y rá rápido Routledge and Sumpter, 1996. 1.6 a) 1.4 1.2 1.0 EVIDENCIA DEL EFECTO 0.8 0.6 0.4 0.2 0 ¿QUE COMPUESTO (S) LO PRODUCEN? DETECCION ANALITICA Concentration (ug L-1 ) 1.6 b) 1.4 1.2 Behavior of the different compounds at HRT of: - 2 d ( ), - 1d ( ), and - 0.5 d () in the a) influent, b) effluent and c) biomass. 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0 1.6 c) 1.4 1.2 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0 y ac Fatt ids rs Este rols Ste Phth alate s ons nol carb Phe dro Hy Compounds group Alc ls oho Aro tic ma p. nes rpe c om Trite e Oth rs (Chamorro et al., 2009 – Wat. Sci. Technol. En revisión) 12 HRT (d) 2 1 Estrogenic activity EEqs EE2 (ng L -1 ) 2.2 2.0 1.8 1.6 1.4 1.2 1.0 0.8 0.6 0.4 Median 25% - 75% Non-Outlier Range 0.2 ss ss nt ma B io lu e Eff nt ma B io lu e Eff In f l uen t 0.0 En prensa, 2010 Samples (Chamorro et al., 2009 – Wat. Sci. Technol. En revisión) JULIO, 2009 GRUPO DE INGENIERIA Y BIOTECNOLOGIA AMBIENTAL. CENTRO EULA-CHILE UNIVERSIDAD DE CONCEPCION 13