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
ƒMATERIAS PRIMAS
ƒTECNOLOGIA 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