Geoinformatics tool with an emergy accounting approach for evaluating the sustainability of water systems: Case study of the Lerma river, Mexico

Emergy theory provides a basis for assessing the added value of water resources as a function of their origin and quality. From this perspective, the sustainability of a water system and its supply to end users may be classified according to the products, services, and energy necessary for its operation, which are incorporated from the corresponding socioeconomic system and form an important aspect of its evaluation. In the present study, the development of a geoinformatics tool with an emergy accounting approach and its corresponding methodology are described, focusing on a spatial-temporal analysis of water resources and their allocation to domestic, industrial, and agricultural uses. In addition, different water provision scenarios that involve several levels of infrastructure in the basin of the Upper Course of the Lerma River (UCLR) are evaluated, and existing water deficits are considered in order to assess their economic impact and offer a perspective on regional environmental sustainability. To achieve this, the water supply processes with the greatest relevance for the UCLR basin are evaluated, which include the extraction of groundwater and the treatment of surface and wastewater for subsequent use. The evaluation of the proposed scenarios indicates that the water supply system where treated water is recycled for agricultural, industrial, and urban uses (with restrictions) has the highest value according to the environmental sustainability index. Beyond this, it is possible to establish a series of strategies to transition from the current scenario where the water supply largely comes from an overexploited aquifer, to one where wastewater treatment plants (WWTP) are capable of implementing additional units in their processes to achieve drinking water quality. Finally, the proposed methodology and the geoinformatics tool developed in this study showed their effectiveness as instruments for achieving an integrated management of water resources, which would facilitate a more objective decision making process based on current and projected scenarios.The authors gratefully aknowledge the support received from Consejo Nacional de Ciencia y Tecnologia (CONACyT) through project no. 24832

Chromium Species and 3D-Fluorescence Spectroscopy in a Soil Irrigated with Industrial Wastewater

Irrigation of agricultural land with wastewater is beneficial because it incorporates organic matter into the soil, as well as organic ions (such as nitrates, sulfates, and phosphates). However, long-term application causes negative effects such as the accumulation of heavy metals. The wastewater used in the agricultural soils, also incorporates organic refractory compounds, which affect the microbial population and fertility. This chapter aimed to identify the chromium species present in agricultural soil irrigated with wastewater (679.6 mg/L for total chromium and 559.5 mg/L for Cr VI), and characterize the dissolved organic matter in the saturated solution soil. In the soil-saturated solutions (pH 6), the most stable Cr (III) species was Cr2O3. These species precipitate and accumulate in the soil in combination with natural organic matter. The highest accumulation of chromium occurred in the first 10 cm of the soil column. The 3D fluorescence analysis exposes the presence of aromatic proteins, microbiological degradation products, and humic and fulvic acids in the soil profile. The excitation-emission matrix (EEM) showed that Cr (VI) species were complexed with humic acids. In the X-ray diffraction analysis, the species Cr2O5, Cr5O12, CrO2, and Cr7C3 were found at depth with the greatest amount of organic matter

EVALUACIÓN DE UN SISTEMA PROTOTIPO INTEGRAL DE CULTIVO DE TRUCHA CON TRATAMIENTO Y RECICLADO DEL EFLUENTE

La actividad trutícola en el Estado de México tiende a expandirse en cuanto a número de granjas, además, existe un crecimiento poblacional que ha obligado a disminuir el uso de agua para la actividad trutícola debido a la demanda para consumo humano; así, una de las soluciones al desabasto de agua para la producción de trucha son los sistemas de recirculación acuícola (SRA). No obstante, en la actualidad se tiene un alto rezago en cuanto a desarrollo de tecnología sustentable para lograr este propósito. Desafortunadamente muchos de los SRA tienen que recurrir a prácticas que demandan altos consumos de energía, principalmente construidos con base en la experiencia de campo y no con bases científicas y experimentales. El objetivo del presente trabajo fue conocer a fondo los fenómenos involucrados en los procesos de un SRA y encontrar expresiones matemáticas (modelos) que representen de manera más fiel el comportamiento de las unidades de tratamiento del agua residual acuícola y a su vez sentar bases teórico – prácticas que tiendan a hacer realidad el cultivo de especies acuícolas en sistemas cerrados para las condiciones que privan en el entorno. El trabajo se realizó en un prototipo diseñado y construido en las instalaciones del Centro Interamericano de Recursos del Agua (CIRA) que constó de dos estanques circulares y una planta de tratamiento. En este prototipo se sembraron 4,600 alevines de trucha arco iris (Oncorhynchus mykiss). El agua empleada fue la suficiente para llenar una vez el prototipo (21 m3 ) y después solamente se agregó cada día 2% del volumen de los estanques para reposición de pérdidas. Para la evaluación del SRA se realizó un seguimiento del desarrollo biológico de los peces así como de los procesos que se presentaron en el tren de tratamiento acoplado en el prototipo. El seguimiento biológico se llevó a cabo correlacionando el peso y la longitud, encontrándose el modelo exponencial Peso (g) = 0.026[Longitud (cm)] 2.784 con un R2 = 0.979 que describe el desarrollo de las truchas. Se relacionó la biomasa con la producción de especies contaminantes (DQO, Amonio y SST) en el estanque para obtener modelos matemáticos que dan base a un diseño del tren de tratamiento del SRA con condiciones particulares del Estado de México, estos modelos son: Amonio (mg/L) = 0.008[biomasa (kg)] – 0.36, con un R2 = 0.65; DQO total (mg/L) = 0.482[biomasa (kg)] + 10.72, con un R2 = 0.78 y SST (mg/L) = 0.088[biomasa (kg)] – 0.727, con un R2 = 0.79. La configuración del tren de tratamiento utilizada (mallas, percolador y filtro de arena) fue la adecuada para producir 12 kg/m3 de trucha arco iris a talla comercial (250 g), con un caudal de 1 L/s, lo que significó un ahorro de agua de hasta el 98% comparado con la tecnología vigente. Es decir, el prototipo permite producir un kilogramo de trucha con 500 litros de agua, lo que representa menos del 1% del consumo de agua de un sistema abierto.Los procesos del tren de tratamiento fueron evaluados mediante la determinación de la eficiencia de remoción de especies contaminantes en el tren de tratamiento. La eficiencia global en la remoción de amonio fue 86%, en el biofiltro 57% y en el filtro de arena 66%. La remoción de DQOT en el tren de tratamiento fue 66.31%, en el filtro biológico 61.55% y en el filtro de arena 12.40%. En cuanto a la remoción de SST, la eficiencia global fue 88%, en el filtro percolador 67% y en el filtro de arena 64%. La eficiencia lograda en el sistema permitió un cultivo adecuado, logrando que las concentraciones de contaminantes permanecieran por debajo de los límites máximos permitidos para el cultivo trutícola durante la totalidad del ciclo de producción. Finalmente, el procedimiento analítico-gráfico desarrollado en este proyecto para llevar a cabo el monitoreo y control del SRA con base en los indicadores de dos áreas críticas de monitoreo y control (ACMC), es decir, las áreas microbiológicas y fisicoquímicas permitió la gestión adecuada del estado del sistema

Remoción de nitrógeno amoniacal total en un biofiltro: percolador-columna de arena

Gallego-Alarcón, I., & García-Pulido, D. (enero-febrero, 2017). Remoción de nitrógeno amoniacal total en un biofiltro: percolador-columna de arena. Tecnología y Ciencias del Agua, 8(1), 81-93. Los sistemas de recirculación acuícola (SRA) tienen en la biofiltración un proceso clave para sostener la vida acuática y en la tasa volumétrica de conversión de nitrógeno amoniacal (TVCNAT) el parámetro para determinar la carga de nutrientes que puede soportar un biofiltro. El objeto de este estudio fue evaluar la eficiencia del proceso de remoción de nitrógeno a través de la TVCNAT en un biofiltro UFiPA. Este trabajo se llevó a cabo en un SRA. La biofiltración se realizó por la combinación de un medio de percolación y uno de arena. Se introdujeron 418 organismos, con una longitud promedio de 19 cm y peso promedio de 287 g. Para determinar la eficiencia y la TVCNAT se llevó a cabo un experimento de 62 días en un biofiltro percolador-columna de arena. Se utilizó un muestreo estratificado, con un nivel de confianza de 95%. La eficiencia de remoción del biofiltro fue de 77.22 ± 0.5% de NAT; 26.46 ± 0.58% de N-NO2; -1.20 ± 1.36% de N-NO3; 11.14 ± 0.67% de DQO, y 40.79 ± 0.78% de SST. Las TVCNAT obtenidas para el biofiltro fueron de 147.12 ± 59.26g de NAT/m3·d. Al analizar por separado la percolación se tuvo una tasa de 34.99 ± 41.20g de NAT/ m3·d; la columna de arena de 119.65 ± 42.71g de NAT/m3·d. La combinación de percolador-columna de arena tuvo un desarrollo especializado en la remoción de compuestos nitrogenados: una eficiencia de remoción de NAT mayor a 70%, con valores bajos de TVCNAT

Evaluación de un sistema de recirculación y acondicionamiento de agua en truticultura

La principal variable crítica del crecimiento de la acuicultura en México ha sido la disponibilidad de agua en cantidad suficiente, sobre todo con calidad adecuada. En este trabajo se presenta un desarrollo tecnológico para el tratamiento de agua residual acuícola en cultivos cerrados de trucha arcoíris, como una alternativa de producción sostenible que favorece la generación de alimento de alto rendimiento y calidad nutritiva para la población. El objetivo principal de la investigación fue evaluar el acondicionamiento hídrico de una granja compacta de trucha, con una eficiencia que permitió optimizar agua en cantidad y calidad. Este sistema de producción de trucha está acoplado a un tren de tratamiento formado por un filtro de malla, un biofiltro y un filtro de arena. La densidad alcanzada durante el ciclo de producción fue de 12 kg/m 3 , con una biomasa de 98.5 kg. Con la información generada fue posible construir modelos de tipo regresivo que permiten estimar la generación de contaminantes del cultivo en función de la biomasa. La remoción de contaminantes en el tren de tratamiento fue de 71.43, 33.44, 66.51 y 88.33% para amonio, nitritos, DQO T y SST, respectivamente. Para nitratos se tuvo una generación de 5.73%. El filtro percolador y de arena lograron remover una tasa volumétrica de nitrógeno amoniacal de 90.64 ± 52.23 y 25.05 ± 22.84 g N-NH 3 / m 3 d, respectivamente. Los resultados obtenidos en este desarrollo tecnológico demuestran su alta pertinencia para el cultivo de trucha arcoíris, con una producción similar en granjas comerciales, pero con menos del 1% del volumen del agua por ciclo

Evaluación de un sistema de recirculación y acondicionamiento de agua en truticultura

La principal variable crítica del crecimiento de la acuicultura en México ha sido la disponibilidad de agua en cantidad suficiente, sobre todo con calidad adecuada. En este trabajo se presenta un desarrollo tecnológico para el tratamiento de agua residual acuícola en cultivos cerrados de trucha arcoíris, como una alternativa de producción sostenible que favorece la generación de alimento de alto rendimiento y calidad nutritiva para la población. El objetivo principal de la investigación fue evaluar el acondicionamiento hídrico de una granja compacta de trucha, con una eficiencia que permitió optimizar agua en cantidad y calidad. Este sistema de producción de trucha está acoplado a un tren de tratamiento formado por un filtro de malla, un biofiltro y un filtro de arena. La densidad alcanzada durante el ciclo de producción fue de 12 kg/m3, con una biomasa de 98.5 kg. Con la información generada fue posible construir modelos de tipo regresivo que permiten estimar la generación de contaminantes del cultivo en función de la biomasa. La remoción de contaminantes en el tren de tratamiento fue de 71.43, 33.44, 66.51 y 88.33% para amonio, nitritos, DQOT y SST, respectivamente. Para nitratos se tuvo una generación de 5.73%. El filtro percolador y de arena lograron remover una tasa volumétrica de nitrógeno amoniacal de 90.64 ± 52.23 y 25.05 ± 22.84 g N-NH3/m3d, respectivamente. Los resultados obtenidos en este desarrollo tecnológico demuestran su alta pertinencia para el cultivo de trucha arcoíris, con una producción similar en granjas comerciales, pero con menos del 1% del volumen del agua por ciclo

Proposal of a Mask and Its Performance Analysis with CFD for an Enhanced Aerodynamic Geometry That Facilitates Filtering and Breathing against COVID-19

As a result of the recent events associated with the SARS-CoV-2 around the world, there has been a need for research to strengthen health care. The use of masks or respirators has been an effective measure, reducing the risk of contagion caused by the spread of the virus in public places. Currently, there are masks that retain up to 99% of particles >0.3 microns; however, they lack an airtight seal with the face, leading to discomfort and poor protection in conditions without social distancing and areas without ventilation. The device proposed in this study includes a geometric design of static valves with convergent spirals and interior baffles that promotes enhanced aerodynamics with bidirectional flow. According to the analysis and CFD simulation of the proposed reusable, washable, and economic mask and valve system for breathing, coughing, and sneezing events, enhanced air exchange could be maintained, facilitating a higher inhalation flow through the side of the mask (62%) and a higher exhalation through the front of the mask (74%), thereby avoiding the recirculation of the flow to the interior of the mask. The inclusion of filters with KN95 characteristics in the inlets and outlets maintains velocities below 10 cm/s, reducing the probability of infection

Design of a Bioretention System with Water Reuse for Urban Agriculture through a Daily Water Balance

The present work proposes the use of green infrastructure (GI) called sustainable urban agriculture drainage systems with water reuse (SUADS-WR) to manage percolated water sustainably in urban agricultural areas (f.i. golf courses). The substrate of the system is commonly used in golf courses and includes a subsurface reservoir for water that exceeds the edaphic zone. Data obtained from a lysimeter, installed in a golf course in Spain, are used to validate the methods employed in developing hydro-informatics tools based on daily water balance, which estimates the water requirement for crops, reservoir height, and capacity for unused water reuse. Reference evapotranspiration can be estimated using the Penman–Monteith or Hargreaves–Samani method. The results were compared with experimental data, revealing that the estimated irrigation depths were lower than the supplied ones and that the estimated percolation was consistent with the measured field drainage. The applicability of the proposed methods for determining the reservoir height and irrigation depth for any type of crop in urban agricultural areas is confirmed. With the implementation of SUADS-WR, the harvested water depth can cover more than 38% of the annual water demand for the crop and utilize leached fertilizers, thus preventing pollution of the receiving surface water body or groundwater

Reducción de color con cloruro de magnesio en soluciones con colorantes comerciales

The aim of this study was to experiment with different concentrations of magnesium chloride (MgCl2) as a coagulant to reduce the color in commercial dye solutions: black, blue and brown. The parameters analyzed according to the Mexican Standards were pH, color, chemical oxygen demand (COD) and total suspended solids (TSS). Additionally, an activated carbon was added to the samples to reduce residual color after the coagulation-flocculation test. The reduction of color and cod values was greater when more amount of MgCl2 (1.8 g/L) was added. The reduction percentages were ≥90% in the color and >50% for COD. The TSS increased with the addition of MgCl2. Activated carbon removed residual color.Se experimentó con diferentes concentraciones de cloruro de magnesio (MgCl2) como coagulante para reducir el color en soluciones con colorantes comerciales: negro, azul y café. Los parámetros analizados fueron pH, color, demanda química de oxígeno (DQO) y sólidos suspendidos totales (SST) de acuerdo con las Normas Mexicanas. Como prueba complementaria se agregó carbón activado a las muestras para reducir el color residual después de la coagulación-floculación. La reducción de los valores de color y DQO fue mayor cuando se adicionó más cantidad de MgCl2 (1.8 g/L). Los porcentajes de reducción fueron ≥90% para el color y >50% para la DQO. Los SST aumentaron con la adición de MgCl2. El carbón activado eliminó el color residual