Investigaciones USACH

Nombre del proyecto: Integrated technologies for the treatment and reuse of greywater. Investigador a cargo: Esteban Quijada. Departamento: Ingeniería Química. Tipo de proyecto: PIA (Programa de Investigación Asociativa). Resumen del proyecto: El presente proyecto plantea la reutilización completa de las aguas grises con diversos fines domésticos coordinando la incorporación de tecnologías de membranas y electroquímica para diseñar sistemas domésticos de tratamiento de aguas grises descentralizados y efectivos. Se conoce como aguas grises a las aguas residuales domésticas producidas en los hogares o edificios públicos en función de corrientes sin contaminación fecal, en otras palabras, todas las corrientes exceptuando las aguas residuales de inodoros. Se consideran como aguas grises las descargas de fregaderos, duchas, bañeras, lavadoras o lavavajillas, y los principales contaminantes que se pueden encontrar en este tipo de aguas residuales corresponden a los componentes de espumas de ducha, jabón, aceites y grasas, colorantes, microorganismos, sales y suciedad. La finalidad fundamental de este proyecto es la incorporación de tecnologías de membrana, procesos electroquímicos, y techos y muros verdes, los cuales posibiliten el tratamiento y reutilización íntegra de aguas grises en forma de operación continua. En ese marco, este proyecto se ha formulado considerando cuatro equipos de investigación multidisciplinarios, los cuales trabajarán sinérgicamente a fin de ejecutar el objetivo principal. Estos equipos serán: Materiales y Procesos de Membranas (MatPro), Tratamiento Electroquímico de Aguas Grises (EChem), Sistemas Domésticos de Tratamiento de Aguas Grises (HSys) y Análisis de Ciclo de Vida e Impacto Ambiental (LCA&EI). En tanto, la caracterización de aguas, el prototipado y las actividades de difusión y divulgación se desarrollarán por equipos de soporte los cuales serán parte de esta propuesta.Esta proposición aspira a fundar una red nacional e internacional focalizada en dos objetivos principales: 1) fomentar el trabajo multidisciplinar para examinar aspectos técnicos y ambientales de soluciones a fin de rescatar las aguas grises basada en tecnologías integradas; y 2) favorecer la participación internacional por medio de acciones de investigación simultáneo acerca del tratamiento y reutilización de aguas grises para efectuar la creación de recursos humanos con una perspectiva holística con respecto a las consecuencias del cambio climático desde los aspectos científicos hasta las políticas públicas. Asimismo, cabe resaltar que las actividades de difusión y divulgación serán esenciales en este proyecto. Estas ideas se realizarán en todo momento con la participación de todos los equipos científicos y de soporte de esta propuesta. Se espera impulsar, mediante el trabajo en conjunto entre grupos de diversas especialidades, establecimiento y países, la creación de una plataforma orientada en una perspectiva holística acerca del efecto del cambio climático en la escasez de agua y sus consecuencias

Nombre del proyecto: Incidence of biofiltration processes on the removal of pharmaceutical and personal care products from domestic wastewater. Investigadora a cargo: Dra. Cristina Villamar. Departamento: Ingeniería en Obras Civiles (Laboratorio de Investigación Interdisciplinaria en Ciencias y Tecnología del Agua Ko-Yaku). Tipo de proyecto: FONDECYT INICIACIÓN. Resumen del proyecto: Los productos farmacéuticos y de cuidado personal (PPCPs) provenientes de residuos líquidos domésticos están teniendo relevancia debido a su pseudo persistencia y potenciales problemas a la salud humana y riesgo al ambiente acuático. La biofiltración es el proceso más utilizado para tratar residuos líquidos domésticos rurales; sin embargo, su impacto en la eliminación de PPCP se ha evaluado solo en algunos procesos (p. ej., “humedales construidos”). Por tanto, no se han comparado tipologías de biofiltración ni se han estudiado nuevos procesos de biofiltración (biofiltración híbrida). Así, el objetivo de esta propuesta de investigación es evaluar la incidencia de los procesos de biofiltración en la remoción de PPCPs de residuos líquidos domésticos. La metodología se estructuraría en 4 objetivos específicos relacionados con a) establecer la composición típica de los PPCP de residuos líquidos domésticos locales, b) determinar las condiciones óptimas de los procesos de biofiltración e c) identificar la función, y d) los mecanismos involucrados a nivel espacio-temporal con respecto a la remoción de PPCPs dentro de los procesos de biofiltración. El cumplimiento del objetivo 1 podría llevarse a cabo a través de la caracterización fisicoquímica de los PPCP dentro de Plantas de Tratamiento de Residuos Líquidos Domésticos (PT-RLD) rurales locales a escala espacial y temporal. El objetivo 2 se llevaría a cabo mediante 3 tipos de ensayos: adsorción, compatibilidad e hidráulico. El ensayo de adsorción podría evaluar el tamaño óptimo del material (capa activa), utilizando concentraciones promedio reales de al menos 3 PPCPs (el más polar, el más lipofílico y el de mayor riesgo ambiental). Se podrán realizar ensayos de compatibilidad sobre materiales no inertes (orgánicos), donde se podrá determinar su concentración óptima respecto a efectos no observados sobre plantas y lombrices. Finalmente, se realizarían ensayos hidráulicos para establecer las condiciones hidráulicas óptimas de los biofiltros, evaluando la conductividad hidráulica y el taponamiento a tasas hidráulicas de 0,5 a 3 m3/m2-día. Los objetivos 3 y 4 evaluarían la función y los mecanismos involucrados dentro del tratamiento de PPCP en biofiltros. Un modelo experimental basado en el seguimiento de 3 tipos de biofiltros híbridos (T0 = biofiltro, T1 = “vermifiltro”, T2 = “humedal artificial” y T3 = biofiltro híbrido) y cada uno con al menos 2 tipos de materiales (convencional/no convencional) podría ser estudiado. Cada biofiltro estaría compuesto por 3 capas (activa, de transición y de soporte), donde la capa activa podría ser de al menos un material convencional y no convencional de origen orgánico y/o inorgánico. Tanto la escala temporal como la espacial podrían ser consideradas dentro de este estudio. El monitoreo espacial de los biofiltros podría llevarse a cabo mediante la determinación del contenido de PPCP (medios filtrantes, efluentes de residuos líquidos domésticos) dentro de cada capa. El seguimiento temporal será anual. Finalmente, se medirá el contenido de PPCP en plantas, lombrices de tierra, medios filtrantes y residuos líquidos domésticos. En el objetivo 1, el proyecto extendió su marco de acción monitoreando además contaminantes emergentes microbiológicos, incluyendo la detección e identificación de SARS-CoV-2, Norovirus G1 y G2 y Hepatitis A, apoyados por el Dr. Aldo Gaggero de la Universidad de Chile. Los resultados esperados de la presente propuesta de investigación se describen de acuerdo con los objetivos mencionados. a) El objetivo 1 establecería preliminarmente la composición típica de los PPCPs residuos líquidos domésticos rurales locales, incluyendo carga viral incluyendo SARS-CoV-2. Además, el monitoreo dentro de las PT- RLDs locales determinaría si las PT-RLDs actuales tienen la función de eliminación de PPCPs, siendo también factible observar cómo se comportan en condiciones reales algunas tecnologías de biofiltración (por ejemplo, vermifiltros, humedales construidos) instaladas. El objetivo 2 delimitaría los criterios de desempeño óptimo de los procesos de biofiltración, lo que podría facilitar la comprensión del potencial de cada componente (biótico/abiótico) en la elimiación de PPCPs. Finalmente, los objetivos 3 y 4 identificarían la función de cada tipo de biofiltro respecto a la eliminación de PPCPs. Además, el estudio temporal y espacial de los mecanismos involucrados dentro de cada tipo de biofiltro, definiría el nivel de contribución de cada componente (biótico/abiótico) bajo sus diferentes variantes y esto abordaría un modelo cinético de completo respecto a la eliminación de PPCPs. Durante el desarrollo de la presente propuesta de investigación se han venido generado publicaciones WOS, y actualmente ya se han publicado 7 artículos y al menos 4 más en revisión. Respecto a difusión, el proyecto que termina este año, realizará 2 actividades de difusión científica en la Universidad, uno con los integrantes del proyecto y otra invitando al profesor Carlos Arias de la Universidad de Aarhus. Durante todo el proyecto, hemos asistido a 6 congresos nacionales e internacionales y a ferias científicas de Explora-ANID y la USACH. Hemos generado estrecha colaboración con el profesor Victor Guerrero de la Escuela Politécnica Nacional del Ecuador, Lisiane Santos de la Universidad Federal de Sergipe de Brasil y trabajado con otros investigadores de la USACH. Este proyecto ha sido desarrollado con el Laboratorio de Investigación Interdisciplinaria de Ciencias y Tecnología del Agua Ko-Yaku, del cual la investigadora responsable de este proyecto es integrante y que pertenece al Departamento de Ingeniería en Obras Civiles.

Nombre del proyecto: Impact of oat husk-derived biochar in the anaerobic mono-digestion of swine manure and slaughterhouse wastewater: Microbial community and techno-economic analysis. Investigadora a cargo: Dra. Jhosané Pagés Díaz. Departamento: Ingeniería Química. Tipo de proyecto: FONDECYT INICIACIÓN. Resumen del proyecto: En Chile, solo el 0,3% de la matriz energética primaria proviene del biogás. Sin embargo, existe una gran cantidad de residuos biodegradables generados por las actividades agroindustriales que actualmente no se aprovechan y que pueden usarse para la producción de biogás, especialmente los derivados de la industria cárnica. El estiércol porcino es principalmente una mezcla de heces, orina y agua con una alta concentración de materia orgánica, nitrógeno, fósforo, potasio y algunos metales pesados, lo que provoca desequilibrio ecológico, eutrofización y desoxigenación en cuerpos de agua con una cantidad considerable de gases de efecto invernadero. Otro de los residuos típicos generados por la industria cárnica son las aguas residuales de los mataderos. Los efluentes de mataderos se caracterizan por su composición compleja debido a los altos niveles de materia orgánica, grasas, sangre, fibras, rumen, proteínas, nutrientes, patógenos y detergentes utilizados para las actividades de limpieza, siendo hoy en día una gran preocupación por la gran cantidad de efluentes generado. Para hacer frente a estos residuos, la digestión anaeróbica (DA) se ha propuesto como una solución adecuada para reducir la contaminación ambiental y, al mismo tiempo, proporcionar energía en forma de biogás. Sin embargo, debido al alto contenido de proteínas y lípidos en estos materiales, su utilización a escala industrial a menudo se ve limitada por largos períodos de adaptación, largos tiempos de retención, actividad microbiana reducida e inhibición debida al nitrógeno y a los ácidos grasos volátiles de cadena larga (LCFA), lo que con lleva a varios problemas operativos con un impacto significativo en el costo, la economía y la eficiencia del proceso. El biochar es un material que se puede producir a partir de una amplia variedad de materias primas de bajo costo a través del proceso de pirólisis y ha demostrado tener un gran potencial para mejorar el proceso de DA debido a su capacidad de intercambio catiónico y su alta porosidad que se puede utilizar como vehículo para el enriquecimiento microbiano promoviendo la transferencia de electrones entre especies. Sin embargo, la mayoría de los estudios se han centrado en lodos de depuradora o sustratos fáciles de degradar en comparación con las proteínas y los lípidos. La adición de biochar a la DA de materiales ricos en proteínas y lípidos ha recibido poca atención y, de hecho, puede ser una opción prometedora para superar los problemas planteados por el amoníaco y los LCFA. Este proyecto propone evaluar el impacto de biochar de cáscara de avena en la mono-digestión anaeróbica de estiércol porcino y aguas residuales de mataderos en términos de producción de metano, biodegradación, estabilidad a largo plazo, comunidad microbiana, así como la viabilidad económica de la propuesta. Con base en los antecedentes anteriores y en los problemas no resueltos relacionados con la digestión anaeróbica, las principales hipótesis de trabajo propuestas son: Hipótesis 1: si se establecen las dosis y el tamaño de partícula adecuados de biochar de cáscara de avena, entonces será posible aumentar la producción de metano y la eficiencia de eliminación de DQO de la mono-digestión anaerobia de purines porcinos y aguas residuales de matadero en al menos un 30% y un 60%, respectivamente. Hipótesis 2: El uso de biochar de cáscara de avena en la operación a largo plazo de los reactores UASB que tratan el estiércol porcino y las aguas residuales de los mataderos puede mejorar la estabilidad y el rendimiento del proceso con una comunidad microbiana más robusta en comparación con un sistema sin adición de biochar. Hipótesis 3: El uso de biochar de cáscara de avena en la DA de estiércol porcino y aguas residuales de mataderos puede ser económicamente factible a escala industrial. El tema propuesto es de gran relevancia en el campo de la gestión de residuos, valorización energética y protección del medio ambiente. Estos tres sectores son vitales para el desarrollo sostenible de Chile, contribuyendo a que el país avance hacia una economía baja en carbono, más limpia y circular. Por lo tanto, se debe fomentar la investigación en estos campos.

Nombre del proyecto: Environmental persistence and impact of antibiotics and antibiotic-resistant microorganisms from rural domestic wastewater in Chile. Investigadora a cargo: Dra. Ángela Plaza. Departamento: Ingeniería en Obras Civiles. Tipo de proyecto: FONDECYT POSTDOCTORADO. Resumen del proyecto: En los últimos años ha aumentado el uso de antibióticos, lo que ha provocado la preocupación por la generación de bacterias resistentes a los antibióticos, hasta el punto de ser consideradas una de las 10 principales amenazas para la salud mundial, a nivel de salud publica y ambiental. El uso de aguas residuales como fuente de riego e incluso el uso de lodos como abono, contribuyen a la propagación de contaminantes como antibióticos y bacterias resistentes al ambiente. Investigaciones indican que las plantas absorben antibióticos del ambiente generando un riesgo para los seres humano y animales que pueden consumir plantas o vegetales con antibióticos. En el suelo, los antibióticos pueden cambiar la abundancia de microorganismo en la tierra, alterando los procesos biológicos del suelo como la disponibilidad de materia orgánica. El problema de estos contaminantes en las aguas residuales se suma a las capacidades de los diferentes tratamientos que se llevan a cabo en las plantas de tratamiento de aguas residuales (PTAS). El problema de los antibióticos y las bacterias resistentes a los antibióticos influirá en los lodos y en los posibles riesgos para el ambiente. Por lo tanto, esta propuesta estudiará la presencia y permanencia en el ambiente de antibióticos y bacterias resistente a los antibióticos procedentes de aguas residuales domésticas en zonas rurales de Chile. La metodología para llevar a cabo este trabajo se centrará en el monitoreo y muestreo de los antibióticos más consumidos en Chile (amoxicilina, azitromicina, ciprofloxacina, doxiciclina y cefadroxilo) y bacterias resistentes a antibiótico en las PTAS rurales de la Región Metropolitana y Región de Valparaíso. Esta información permitirá evaluar la presencia de antibióticos y bacterias resistentes a los antibióticos en las aguas residuales, lo que también permitirá establecer la efectividad de las tecnologías en la eliminación de antibióticos y bacterias resistentes a los antibióticos. Además, este trabajo nos permitirá determinar la permanencia de los antibióticos y las bacterias resistentes a los antibióticos en el ambiente (ríos, suelo, vegetación) donde se vierten las aguas residuales tratadas. Por último, esperamos evaluar el impacto de los antibióticos en los microorganismos del suelo. Los resultados esperados de esta propuesta se centran en endeterminar la presencia y permanencia de antibióticos y bacterias resistentes a los antibióticos en el medio ambiente (ríos, suelo, vegetación), determinar la eficacia de diferentes tipos de tecnologías (lodos activados, vermifiltros, sistema STAM). El conjunto de estos resultados permitirá la identificación de posibles riesgos para el medio ambiente y la salud pública.

Nombre del proyecto: Composición Química de aguas de Rocíos y su evolución temporal en zona urbana de Santiago. Investigadora a cargo: Dra. María Angélica Rubio. Departamento: Ciencias del Ambiente. Tipo de proyecto: DICYT REGULAR. Resumen del proyecto: OBJETIVOS: Evaluar la importancia de la remoción de contaminantes atmosféricos mediante la deposición de rocío en una zona urbana de Santiago. Evaluar el rol del rocío como sumidero de contaminantes presente en material particulado o en aerosoles atmosféricos. Determinar la evolución temporal ( 10 a 15 años) de los principales contaminantes de interés removidos por los rocíos en una zona urbana de Santiago. METODOLOGÍA: Implementar campañas de medición de material particulado PM10 en zona de muesstro de Rocío usando muestreador HarvarImplementar campañas de recolección de rocíos, usando muestreadores pasivos durante la época de alta humedad. Realizar análisis físico químicos y químicos a las aguas de rocíos recolectadas y de la fracción soluble del PM10. Cuantificar marcadores de combustión como fenol, catecol, potasio, zinc, etc. en rocíos y en material particulado atmosférico. Interpretación de los datos e información obtenida. Realizar un catastro de datos de contaminantes removidos por el rocío. RESULTADOS ESPERADOS: Relacionar la presencia de algunos marcadores de combustión en las aguas de rocíos de una zona urbana de Santiago, con las fuentes de emisión ( calefacción y fuentes móviles). Determinar la evolución temporal (10 años) de los marcadores de combustión estudiados.

Nombre del proyecto: Nuevo modelo matemático para el proceso de digestión anaerobia de agua residual vitivinícola acondicionada con cenizas. Investigador a cargo: Gustavo Vargas Morales. Departamento: Ingeniería Química. Tipo de proyecto: FONDECYT POSTDOCTORADO. Resumen del proyecto: En la industria vitivinícola, uno de los principales residuos generados es el agua. Una forma muy interesante de recuperar parte del agua es su uso como sustrato para la digestión anaeróbica. Debido a su alto contenido orgánico, el agua residual vitivinícola requiere del uso de fuentes de elementos traza que permitan un desarrollo óptimo del proceso. Una fuente importante de elementos traza son las cenizas volantes. Éstas han mostrado efectos positivos tanto en residuos sólidos urbanos como en lodos residuales, pero no se han aplicado en aguas residuales vitivinícolas. Por otro lado, el uso de reactores secuenciales discontinuos (Sequential batch reactor, SBR) es uno de las mejoras formas de tratar estas aguas, cuya característica principal es su estacionalidad. Si bien el uso de SBR para el agua residual vitivinícola ha sido propuesto con anterioridad, el uso de cenizas volantes en el proceso y la inclusión de esta mejora en el modelo cinético no han sido propuestos. La inclusión del efecto de las cenizas en la cinética de digestión anaeróbica permitiría una mejor comprensión del proceso y la búsqueda de nuevos escenario de operación. Así, el objetivo del proyecto es el desarrollo y la evaluación de un modelo matemático de digestión anaerobia para reactor de lotes secuenciales que traten agua residual vitivinícola acondicionada con cenizas. Para cumplir el objetivo del proyecto, se desarrollará un modelo matemático de digestión anaerobia para reactor de lotes secuenciales que traten agua residual vitivinícola acondicionada con cenizas, el que debe ser calibrado y validado con datos experimentales de un SBR anaeróbico que trató agua residual vitivinícola acondicionada con cenizas. La programación matemática y simulaciones, se realizaran en el software Matlab. El principal desafío y novedad del proyecto es la incorporación del efecto de las cenizas volantes en la cinética de DA, por lo que se va a considerar incorporar una función que describa este efecto en las ecuaciones de reacciones bioquímicas (conversión de sustrato, de cinéticas de crecimiento y decaimiento microbiano). Los datos experimentales se obtendrán con experiencias de laboratorio. Se operaran dos reactores AnSBR de 2 Lt los que se alimentaran con agua residual de vitivinícola, con y sin dosificación de cenizas volantes, en condiciones mesofílicas. Las fases de operación (sedimentación, vaciado y llenado) serán programadas en base a las caracterizaciones del agua residual y de las cenizas. Se utilizará métodos estándares para el análisis de aguas residuales. Con este proyecto se espera obtener un nuevo modelo matemático que permita predecir el comportamiento de un reactor SBR de digestión anaerobia, en el que se acondicione el agua residual vitivinícola a tratar con cenizas. Además, se espera mejorar la operación de reactores que traten aguas residuales acondicionadas con cenizas.