INGENIERÍA AMBIENTAL

¿Por qué Ingeniería ambiental?Aplicación de la ciencia y tecnología mejor estándar de vida: Mayor producción de alimentos de mejor calidad, suministro de agua saludable, eliminación de enfermedades infecciosas, protección contra desastres naturalesEfectos secundarios: Pérdida de tierras cultivables, desaparición de bosques, contaminación ambiental, cambio climático, pérdida de biodiversidad.

¿Cómo surge la ingeniería ambiental?La historia del DDT se considera el nacimiento del movimiento moderno de la ingeniería ambiental

Lixiviación: es un proceso en el que un disolvente líquido pasa a través de un sólido pulverizado para que se produzca la disolución de uno o más de los componentes solubles del sólido.

Desarrollo sostenido/sostenible: Es el desarrollo que satisface las necesidades del presente sin comprometer la capacidad de las futuras generaciones para satisfacer sus propias necesidades.

¿Por qué tener un curso de ingeniería ambiental?Interacción hombre-ambiente: Desarrollo urbano (Grandes volúmenes de residuos, contaminación del aire, consumo de energía, degradación de recursos), Agricultura (erosión del suelo, deforestación, uso excesivo de fertilizantes y plaguicidas), Turismo (Generación de desechos, contaminación de agua y aire), Minería (modifican el uso del suelo, emisión de contaminantes, impacto socioeconómico)

AMBIENTE: El hábitat físico y biótico que nos rodea, lo que podemos tocar, oler, ver, oír, saborear.

AMBIENTE GLOBAL: Atmósfera + Geósfera + Hidrósfera + Biósfera = Tierra- Atmósfera: Envoltura gaseosa de la Tierra- Geósfera: Parte sólida del planeta (incluida la litósfera)- Hidrósfera: La capa discontinua de agua que envuelva la superficie de la Tierra- Biósfera: Constituida por todos los seres vivos del planeta

¿Qué es la ingeniería ambiental?Es una rama de ingeniería que se ocupa con la aplicación de principios científicos y de ingeniería para: Proteger la población humana de los efectos adversos del medio ambiente, Proteger el ambiente a nivel local y global, de efectos potencialmente perjudiciales a causa de actividades naturales y antropogénicas, Mejorar la calidad ambientalTradicionalmente trata del estudio de abastecimiento de aguas, tratamiento de aguas residuales, contaminación atmosférica, manejo de residuos sólidos desde la perspectiva de proteger el ambiente y los seres humanos.La tendencia actual involucra también la planificación, gestión y uso sustentable de recursos y territorio

TAREAS DE UN INGENIERO AMBIENTAL: Evaluación de calidad ambiental, Prevenir la degradación ambiental o riesgos para la salud humana, Prevenir la contaminación y mejorar o proteger la calidad ambiental y espacios naturales.

Contaminación: Cambio indeseable en las características físicas, químicas o biológicas del aire, agua o suelo, que puede afectar de manera adversa a la salud, la supervivencia y las actividades humanas.

Desarrollo sustentable: Proceso por el cual se preservan y protege los recursos naturales en beneficio de las generaciones presentes y futuras

Recursos naturales: Los componentes del medio ambiente susceptibles de ser usados por el ser humano

Actividades antropogénicas: Cualquier actividad realizada por el hombre Impacto ambiental: Conjunto de posibles efectos negativos sobre el medio ambiente

de una modificación del entorno natural, como consecuencia de obras u otras actividades.Ej.: Calentamiento global (actividades de transporte, agricultura, tala de árboles)Tren eléctrico (Positivo: Mejora temporal de la calidad de vida de población, mejora de comercio local, mejora de proceso de integración distrital. Negativo: Alteración de la calidad paisajística, Afectación de la flora, fauna, suelo, aire, salud de los pobladores)Construcción de carretera (Positivo: Generación de empleo, aumento del valor de tierras, mejoras en la conexión de personas. Negativo: Pérdida de la capa vegetal y erosión, sedimentación, contaminación del aire y suelo, pérdida de tierras agrícolas)

TEORÍA DE SISTEMAS NATURALESSISTEMA: Es un conjunto o arreglo de cosas relacionadas o conectadas de tal manera que forman una unidad o un todo orgánico

- Características: Formados por elementos que interaccionan para desempeñar funciones, pueden interactuar con otros sistemas, producen materia, energía e información.

TIPOS DE SISTEMAS: SEGÚN EL INTERCAMBIO QUE REALIZAN CON SU ENTORNO

- SISTEMA ABIERTO: Son aquellos que intercambian materia y energía con el exteriorEjemplos: Agua caliente en una olla abierta, Cuerpo humano, Océano, todas las esferas de la tierra, todos los sistemas biológicos

- SISTEMA CERRADO: Son los que sólo intercambian energía con el exterior, no intercambian materia, sino que la reciclanEjemplo: Agua calienta en una caja cerrada de metal, computadora, globo aerostático, tierra, acuario, invernadero

- SISTEMA AISLADO: Son aquellos que no intercambian materia ni energía con su entorno.Ejemplo: Agua caliente en una botella de termo (aproxima a un sistema aislado), universo, protón y electrón en un átomo de hidrógeno

SEGÚN SU ORIGEN:- SISTEMAS NATURALES: Sistemas elaborados por la naturaleza. Ejemplos: átomos,

células, sistemas vivos, sistema solar, universo, etc.- SISTEMAS ARTIFICIALES: Sistemas elaborados por el hombre. Ejemplos: abstractos

(filosofía, religión, lenguaje), y concretos (casa, ciudad, auto)

SISTEMA AMBIENTE: El ambiente es un sistema constituidos por un conjunto de factores físicos, químicos, biológicos, sociales y culturales que se relacionan entre sí, de modo que un cambio de un factor repercute en los otros.

RELACIONES ENTRE ELEMENTOS DE UN SISTEMAElementos que pueden variar en función de otros = variablesHay dos tipos de relaciones entre variables: Relaciones causales simples y Relaciones causales complejas

RELACIONES CAUSALES SIMPLES: A más precipitaciones hay mayor caudal de ríos (Directa). A menor biomasa vegetal hay menor materia orgánica (Directa). A mayor contaminación hay menor número de peces (Inversa)

RELACIONES CAUSALES COMPLEJAS: A mayor vegetación hay menor erosión, y al haber menor erosión hay mayor cantidad de suelos (Retroalimentación: luego pasa a mayor vegetación y así sigue es una cadena)

BUCLES DE RETROALIMENTACIÓN POSITIVOS:

Tienen una acción de refuerzo sobre el proceso inicial = Sistemas inestables

BUCLES DE RETROALIMENTACIÓN NEGATIVOS

Variación de una variable en un sentido produce cambio de otra variable en el mismo sentido y esta influye sobre el primero en sentido opuesto = Sistemas estables

SISTEMA TIERRA: Es un sistema cerrado, flujo continuo de energía solar, emite calor al espacio, formada de subsistemas que interactúan

CONTAMINANTESUna sustancia que aparece en el ambiente, al menos en parte, como resultado de las actividades humanas, y que tiene efecto nocivo sobre el entornoAlgunos contaminantes aparentemente no producen efectos sobre los seres vivos pero alteran las propiedades físicas y químicas del ambiente y a los organismos que ahí viven.

CLASIFICACIÓN DE CONTAMINANTES: Según su naturaleza física o química, origen natural o antropógeno, propiedades, fuentes de contaminación, según su degrabilidad: biodegradables, degradables y no degradables.

CONTAMINANTES CON EFECTO INDIRECTO: Cambian el medio sin efecto directo evidente sobre los organismo vivos. Alteran la calidad del ambiente, generando unas condiciones menos favorables para el satisfactorio desarrollado de los seres vivos.

CONTAMINANTES TÓXICOS: Compuestos que afectan directamente a la salud de los organismos. Ej.: Metales pesados, policlorobifenilos, dioxinas, iones radiactivos, solventes, hidrocarburos.Su toxicidad depende de un número de factores: concentraciones, formas químicas, persistencia en el ambiente Ingresan al organismo y pueden acumularse en algún tejido por largo tiempo, o pueden metabolizarse y ser eliminados.Ej.: Plomo, Mercurio (es un metal que se encuentra libre en la naturaleza), Monóxido de carbono, Arsénico (es un metal y es raro encontrarlo en el ambiente)

CLASIFICACIÓN DE CONTAMINANTES: Contaminantes conservativos (No son afectados por procesos naturales, en principio dichas concentraciones solo son reducidas por dilución)Contaminantes no conservativos (El contaminante forma parte de reacciones químicas, biológicas o nucleares)

EQUILIBRIO DE MASAPara justificar el flujo de materia dentro de un sistema ambiental, para rastrear cuantitativamente los contaminantes, para mostrar cómo se dispersan los contaminantes en el ambiente.

LEY DE LA CONSERVACIÓN DE LA MASA (Lavoisier): La masa no se crea ni se destruye

SISTEMA ESTABLE/ CONDICIÓN DE EQUILIBRIO: Tasa de acumulación = 0Tasa de entrada = Tasa de salida – Tasa de reacción

SISTEMA DE CONSERVACIÓN: Tasa de reacción = 0Tasa de acumulación = Tasa de entrada – Tasa de salida

SISTEMA ESTABLE DE CONSERVACIÓN: Tasa de entrada = Tasa de salida

REACTORES IDEALES: Muchos procesos naturales y sistema ingenieriles se pueden analizar usando reactores. Reactores ideales: El tipo de flujo es idealTIPOS DE REACTORES IDEALES:

SISTEMA BATCH (REACTOR): Los reactivos son introducidos al reactor en las condiciones deseadas y la reacción tiene lugar durante un cierto periodo de tiempo

REACTOR DE MEZCLA COMPLETA (CSTR): Flujos de entrada y salida permanentes, la materia entrante es mezclada instantáneamente y homogéneamente dentro del reactor.

Concentración en el interior del reactor = Concentración de salida

REACTOR DE FLUJO DE PISTÓN: Se alimenta en un extremo del reactor y los productos se descargan en el otro extremo después de pasar un mínimo de tiempo de detención en el sistema.

SISTEMA BATCH CON CONTAMINANTES NO CONSERVATIVAS: Tasa de acumulación = Tasa de reacción

Tasa de reacción = Tasa de descomposición + Tasa de generación

TIPOS DE REACCIONESREACCIÓN DE ORDEN CERO: r(C) = KK: Coeficiente de la tasa de reacción (masa x volumen-1 x tiempo-1)Usando el equilibrio de masa para una descomposición de orden cero de una sustancia en un reactor batch (Tasa de acumulación = Tasa de reacción)

C = CO – ktC: Concentración del contaminante

CO: Concentración inicialK: Coeficiente de la tasa de reacción (masa x volumen-1 x tiempo-1)

Una medida útil del rendimiento es conocer el tiempo preciso para que la reacción proceda hasta el 50 por 100 de extensión (tiempo de vida media) o la mitad de su concentración inicial

T1/2 = CO / 2k

REACCIÓN DE PRIMER ORDEN: r(C) = KcK: Coeficiente de la tasa de reacción (tiempo-1)C: Concentración del contaminante

C = CO e-kt

K: Coeficiente de la tasa de reacción (tiempo-1)C = Concentración del contaminante

CO = Concentración inicialTiempo de vida media: T1/2 = (ln2) / k

REACCIÓN DE SEGUNDO ORDEN: r(C) = KC2

K: Coeficiente de la tasa de reacción (volumen x masa-1 x tiempo-1)

C = CO / (1 + CO.k.t)K: Coeficiente de la tasa de reacción (volumen x masa-1 x tiempo-1)

Tiempo de vida media: T1/2 = 1 / kCO

SISTEMAS ESTABLESSISTEMAS EN ESTADO ESTABLE CON CONTAMINANTES NO CONSERVATIVOS:Tasa de entrada = Tasa de salida – Tasa de reacción

REACTOR DE MEZCLA COMPLETA:Tasa de decaimiento (orden cero) = -VKTasa de generación (orden cero) = VKTasa de decaimiento (primer orden) = -VKCTasa de generación (primer orden) = VKCTasa de decaimiento (segundo orden) = -VKC2

Tasa de generación (segundo orden) = -VKC2