Elaboración de un modelo matemático que permita el análisis de la eficacia de la ósmosis Inversa en el proceso de eliminación de plomo, hierro y manganeso en fuentes de abastecimiento de agua para consumo humano en la cuenca alta del río Guadalquivir en Bolivia y su aporte al crecimiento de la oferta de agua y la disponibilidad sostenible de agua potable a largo plazo

Abstract

[ES] La alta cuenca del río Guadalquivir ubicada en el departamento de Tarija, Bolivia, alberga al municipio de la ciudad capital de Tarija; siendo la zona urbana más poblada del departamento. Durante las últimas décadas el departamento ha tenido grandes ingresos económicos, producto de la explotación hidrocarburífera, trayendo consigo un crecimiento poblacional e inmobiliario desproporcionado; originando un proceso de contaminación y degradación ambiental, producto de actividades antrópicas como la disposición de aguas residuales con poco o nulo proceso de tratamiento, desechos sólidos en las orillas del río, y sobreexplotación de áridos. En consecuencia, varias fuentes de abastecimiento de agua se encuentran paralizadas. Durante los últimos años, la problemática ambiental e hídrica ha sido objeto de un permanente debate, sin encontrar soluciones sostenibles en el corto plazo, ocasionando que la degradación ambiental permanezca activa con altos riesgos para la salud púbica. Siendo necesario conocer el estado actual de los recursos hídricos en la cuenca, se realizaron dos trabajos iniciales; se modeló el balance hídrico de la cuenca para establecer la disponibilidad de agua. Para este proceso se realizó una investigación de apoyo destinada a clasificar y determinar las propiedades de los suelos en la cuenca para lograr una menor incertidumbre en los resultados de la modelación hidrológica. Los resultados determinaron que existe un déficit de agua, principalmente en las épocas de estiaje. Un segundo estudio ha sido destinado a conocer la calidad del agua mediante un monitoreo de las principales fuentes de abastecimiento de agua potable. La investigación a las fuentes primarias de agua en la cuenca de estudio identificó la presencia de metales pesados tóxicos para la salud que exceden los límites permisibles para el agua potable. Se identificó plomo, manganeso y hierro presente en los embalses de San Jacinto y Huacata; mientras que el Pb excede en un 50% de lo establecido en la Normativa, el Mn y el Fe superan hasta 800% la norma actual. El trabajo estudia la ósmosis inversa (OI) para eliminar el Pb, Mn y Fe en distintas concentraciones. La principal contribución de esta investigación es el desarrollo y construcción de un modelo matemático novedoso basado en el modelo de concentración de polarización de Spiegler-Kedem. El modelo ha sido desarrollado utilizando diferentes concentraciones de Pb, Mn y Fe. La selección de las concentraciones se basa en construir un modelo que permita el diseño de instalaciones con alta conversión (>80%). Con ello será posible optimizar el proceso desde el punto de vista de eficiencia energética en futuros trabajos. El modelo incluye, además, un factor de ajuste de temperatura tipo Arrhenius que permite una predicción precisa del rendimiento del proceso. La experimentación se llevó a cabo en una planta piloto de OI utilizando una membrana compuesta de poliamida de configuración en espiral tipo ULP 2540 Marca Keensen de procedencia China. La validación del modelo se ajusta correctamente con un error relativo máximo entre los flujos experimental y teórico de 5,4%, 18% y 7.6% para el Pb, Mn y Fe respectivamente. Entre los principales beneficios del estudio, permite garantizar el rechazo de metales superior al 99%, incluso a bajas presiones, garantizando agua segura a la población de Tarija. Como un aporte final se propone un análisis de las partes interesadas en la cuenca, logrando identificar, clasificar y relacionar los diferentes actores con poder e interés en el proyecto.

[CA] L'alta conca del riu Guadalquivir ubicada en el departament de Tarija, Bolívia, alberga al municipi de la ciutat capital de Tarija; sent la zona urbana més poblada del departament. Durant les últimes dècades el departament ha tingut grans ingressos econòmics, producte de l'explotació hidrocarburífera, comportant un creixement poblacional i immobiliari desproporcionat; originant un procés de contaminació i degradació ambiental, producte d'activitats antròpiques com la disposició d'aigües residuals amb poc o nul procés de tractament, rebutjos sòlids a la vora del riu, i sobreexplotació d'àrids. En conseqüència, unes quantes fonts d'abastiment d'aigua es troben paralitzades. Durant els últims anys, la problemàtica ambiental i hídrica ha sigut objecte d'un permanent debat, sense trobar solucions sostenibles en el curt termini, ocasionant que la degradació ambiental romanga activa amb alts riscos per a la salut púbica. Sent necessari conéixer l'estat actual dels recursos hídrics en la conca, es van realitzar dos treballs inicials; es va modelar el balanç hídric de la conca per a establir la disponibilitat d'aigua. Per a este procés es va realitzar una investigació de suport destinada a classificar i determinar les propietats dels sòls en la conca per a aconseguir una menor incertesa en els resultats de la modelació hidrològica. Els resultats van determinar que hi ha un dèficit d'aigua, principalment en les èpoques d'estiatge. Un segon estudi ha sigut destinat a conéixer la qualitat de l'aigua per mitjà d'un monitoreo de les principals fonts d'abastiment d'aigua potable. La investigació a les fonts primàries d'aigua en la conca d'estudi va identificar la presència de metalls pesants tòxics per a la salut que excedixen els límits permissibles per a l'aigua potable. Es va identificar plom, manganés i ferro present en els embassaments de Sant Jacinto i Huacata; mentres que el Pb excedix en un 50% del que establix la Normativa, el Mn i el Fe superen fins a 800% la norma actual. El treball estudia l'osmosi inversa (OI) per a eliminar el Pb, Mn i Fe en distintes concentracions. La principal contribució d'esta investigació és el desenrotllament i construcció d'un model matemàtic nou basat en el model de concentració de polarització de Spiegler-Kedem. El model ha sigut desenrotllat utilitzant diferents concentracions de Pb, Mn i Fe. La selecció de les concentracions es basa a construir un model que permeta el disseny d'instal·lacions amb alta conversió (>80%). Amb això serà possible optimitzar el procés des del punt de vista d'eficiència energètica en futurs treballs. El model inclou, a més, un factor d'ajust de temperatura tipus Arrhenius que permet una predicció precisa del rendiment del procés. L'experimentació es va dur a terme en una planta pilot de OI utilitzant una membrana composta de poliamida de configuració en espiral tipus ULP 2540 Marca Keensen de procedència Xina. La validació del model s'ajusta correctament amb un error relatiu màxim entre els fluxos experimental i teòric de 5,4%, 18% i 7.6% per al Pb, Mn i Fe respectivament. Entre els principals beneficis de l'estudi, permet garantir el rebuig de metalls superior al 99%, inclús a baixes pressions, garantint aigua segura a la població de Tarija. Com una aportació final es proposa una anàlisi de les parts interessades en la conca, aconseguint identificar, classificar i relacionar els diferents actors de poder i interés en el projecte.

[EN] The upper basin of the Guadalquivir River located in the department of Tarija, Bolivia, houses the municipality of the capital city of Tarija; being the most populated urban area of the department. During the last decades the department has had great economic income, as a result of hydrocarbon exploitation, bringing with it a disproportionate population and real estate growth, originating a process of contamination and environmental degradation, product of anthropic activities such as the disposal of wastewater with little or no treatment process, solid waste on the banks of the river, and overexploitation of aggregates. Consequently, various sources of water supply are paralyzed. In recent years, environmental and water problems have been the subject of permanent debate, without finding sustainable solutions in the short term, causing environmental degradation to remain active with high risks to public health. Being necessary to know the current state of the water resources in the basin, two initial works were carried out; the water balance of the basin was modeled to establish the availability of water. For this process, a support investigation was carried out to classify and determine the properties of the soils in the basin to achieve less uncertainty in the results of the hydrological modeling. The results determined that there is a water deficit, mainly in the dry season. A second study has been designed to determine the quality of the water by monitoring the main sources of drinking water supply. The investigation of the primary water sources in the study basin identified the presence of toxic heavy metals for health that exceed the permissible limits for drinking water. Lead, manganese, and iron present in the San Jacinto and Huacata reservoirs were identified; while Pb exceeds by 50% what is established in the Regulation, Mn and Fe exceed up to 800% the current standard. The work studies reverse osmosis (RO) to eliminate Pb, Mn and Fe in different concentrations. The main contribution of this research is the development and construction of a novel mathematical model based on the Spiegler-Kedem concentration polarization model. The model has been developed using different concentrations of Pb, Mn and Fe. The selection of the concentrations is based on building a model that allows the design of installations with high conversion (>80%). With this it will be possible to optimize the process from the point of view of energy efficiency in future works. The model also includes an Arrhenius-type temperature adjustment factor that allows accurate prediction of process performance. The experimentation was carried out in a RO pilot plant using a ULP 2540 Keensen brand spiral configuration polyamide composite membrane from China. The model validation fits correctly with a maximum relative error between the experimental and theoretical fluxes of 5.4%, 18% and 7.6% for Pb, Mn and Fe respectively. Among the main benefits of the study, it allows to guarantee the rejection of metals higher than 99%, even at low pressures, guaranteeing safe water to the population of Tarija. As a final contribution, an analysis of the interested parties in the basin is proposed, managing to identify, classify and relate the different actors with power and interest in the project.