Ingeniería Ambiental – Fundamentos, Sustentabilidad

Descripción

El propósito central de esta obra es el propiciar los cambios necesarios que aseguren la capacidad de la sociedad para cubrir sus necesidades, fusionando fundamentos y habilidades para el diseño. Los autores proporcionan el conocimiento para lidiar con los retos del siglo xxi así como lo hicieron con los de enormes proporciones del siglo XX.

Características

Uno de los aspectos más importantes de este libro es que enfocará al estudiante en el Diseño Sustentable en
el marco de las cuatro Íes: Inherencia, Integración, Interdisciplinario e Internacional.
Proporciona un desarrollo riguroso de conceptos de Balances de Materia y Energía así como el enfoque del
pensamiento del Ciclo de vida.
Incorpora los cambios en la Pedagogía y la Evaluación por medio de la Taxonomia de Fink del aprendizaje
significativo, los módulos web, las ecuaciones importantes, los ejercicios de aprendizaje así como con temas
de discusión y los recursos para el aprendizaje adicional.

Ventajas Competitivas

• El contenido y materiales interactivos hacen de este libro de texto una herramienta esencial para la formación básica de los alumnos en esta área.
• Módulos web para reforzar y expandir los conceptos presentados en el libro. Debido a que los módulos web son un producto en evolución constante, se añadirán módulos con el tiempo.
• Material exclusivo, disponible en Internet.

Destaca por

• Su introducción a las dimensiones interdisciplinarias que serán importantes en el éxito o el fracaso de una solución de Ingeniería ambiental.
• Su estructura pedagógica: elementos para el aprendizaje significativo; módulos Web; ecuaciones importantes y temas de discusión.

Aprenda

• La naturaleza inherente del material; sólo con este enfoque se puede diseñar sustentabilidad en lugar de
• generar vendajes tecnológicos elegantes.
• Sobre el manejo de aguas residuales para realizar un diagnóstico de las necesidades y posibles soluciones a
• esta problemática en una comunidad rural o urbana.

Conozca

• Las propuestas sobre el desarrollo sustentable de los tratados y acuerdos establecidos, desde una perspectiva internacional.

Desarrolle sus Habilidades para

• Utilizar las herramientas de ingeniería verde para diseñar sustentabilidad, por medio de un marco que se
• resumir en las cuatro Íes: inherencia, integración, interdisciplinario e internacional.

Contenido

Capítulo Uno Ingeniería y desarrollo sustentable 1

Capítulo Dos Mediciones ambientales 26

Capítulo Tres Química 52

Capítulo Cuatro Procesos físicos 105

Capítulo Cinco Biología 158

Capítulo Seis Riesgo ambiental 215

Chapter Siete Ingeniería Verde 259

Capítulo Ocho Calidad del agua 309

Capítulo Nueve Abastecimiento de agua, distribución y recolección de aguas residuales 354

Capítulo Diez Tratamiento de aguas 396

Capítulo Once Tratamiento de aguas residuales 460

Capítulo Doce Ingeniería de recursos del aire 518

Capítulo Trece Manejo de desperdicios sólidos 576

Capítulo Catorce Entorno urbanístico 626

Capítulo 1

Contenido Capítulo Uno Ingeniería y desarrollo sustentable 1

1.1 Antecedentes 2

1.2 Definición de sustentabilidad 4

1.3 Problemas que afectarán la práctica de la ingeniería en el futuro 9

1.3.1 Población y urbanización 9

1.3.2 Salud 10

1.3.3 Escasez de agua, conflicto y resolución 12 1.3.4 Energía y clima 14

1.3.5 Químicos tóxicos y recursos finitos 18

1.3.6 Flujo de materiales y la construcción del medio ambiente 18

1.4 La revolución sustentable 21

Términos clave 22

Capítulo Uno Problemas 23

Referencias 25

Capítulo 2

Capítulo Dos Mediciones ambientales 26

2.1 Unidades de concentración de masa 27

2.1.1 Unidades de masa/masa 27

2.1.2 Unidades de masa/volumen: mg/L y g/m3 29

2.2 Unidades de volumen/volumen y de mol/mol 30

2.2.1 Uso de la ley de los gases ideales para convertir ppmv a g/m3 30

2.3 Unidades de presión parcial 33

2.4 Unidades de mol/volumen 37

2.5 Otro tipo de unidades 38

2.5.1 Normalidad 38

2.5.2 Concentración como un constituyente común 41

2.5.3 Reportar concentraciones de partículas en aire y agua 44

2.5.4 Representación por efecto 46

Términos clave 48

Problemas 49

Referencias 51

Capítulo 3

Química 52

3.1 Aproximaciones a la química medioambiental 53

3.2 Actividad y concentración 53

3.3 Reacción estequiométrica 56

3.4 Leyes de la termodinámica 57

3.5 Volatilización 60

3.6 Equilibrio aire-agua 65

3.6.1 Ley de Henry con unidades para un gas que se disuelve en un líquido 65

3.6.2 Ley de Henry adimensional para especies que transfieren de la fase líquida a la fase gaseosa 66

3.7 Química ácido-base 68 3.7.1 pH 68

3.7.2 Definición de ácidos y bases y sus constantes de equilibrio 69

3.7.3 Sistema de carbono, alcalinidad y capacidad amortiguadora 71

3.8 Óxido-reducción 73 3.9 Precipitación-disolución 75

3.10 Adsorción, absorción y sorción 76 3.11 Química cinética 89

3.11.1 Velocidad de reacción 90

3.11.2 Reacciones de seudoprimer orden 91

3.11.3 Reacciones de seudoprimer orden 93

3.11.4 Vida media y su relación con la constante de velocidad 95

3.11.5 Efecto de la temperatura en las constantes de velocidad de reacción 97

3.11.6 Cinética de reacción fotoquímica 98

Términos clave 100

Capítulo 4

Problemas 102

Referencias 104

Capítulo Cuatro Procesos físicos 105

4.1 Balances de masa 106

4.1.1 Control de volumen 107

4.1.2 Términos de la ecuación de balance de masa para un RMP 108

4.1.3 Análisis de reactores: El RCMP 113 4.1.4 Reactor batch 120

4.1.5 Reactor tubular 121

4.1.6 Tiempo de retención y otras expresiones para V/Q 127

4.2 Balances de energía 129

4.2.1 Formas de energía 130

4.2.2 Conducción de un balance de energía 132

4.3 Procesos de transportación de masa 138

4.3.1 Advección y dispersión 139

4.3.2 Movimiento de una partícula en un fluido: la Ley de Stokes 148

4.3.3 Flujo de aguas subterráneas 150

Términos clave 153

Problemas 154

Referencias 157

Capítulo 5

Biología 158

5.1 Estructura y función del ecosistema 159

5.1.1 Grupos principales de organismos 161

5.2 Dinámica de población 164

5.2.1 Unidades de expresión del tamaño de una población 164

5.2.2 Modelos de crecimiento de población 164

5.3 Flujo de energía en los ecosistemas 182

5.3.1 Capturar y usar energía: fotosíntesis y respiración 182

5.3.2 Estructura trófica de los ecosistemas 186

5.3.3 Termodinámica y transferencia de energía 187

5.4 Demanda de oxígeno: bioquímica, química y teórica 190

5.4.1 Definición de DBO, DBOC y DBON 191

5.4.2 Fuentes de BOD 191

5.4.3 Demanda teórica de oxígeno 192

5.4.4 Cinética DBO 194

5.4.5 Coeficiente CBOD 196

5.4.6 DBO: Mediciones, aplicación y limitantes 197

5.4.7 Prueba DBO: Limitantes y alternativas 200

5.5 Flujo de material en los ecosistemas 201

5.5.1 Ciclos de oxígeno y de carbono 201

5.5.2 Ciclo del nitrógeno 201

5.5.3 Ciclo del fósforo 203

5.5.4 Ciclo del azufre 203

5.6 Salud del ecosistema y bienestar público 204

5.6.1 Sustancias tóxicas y ecosistemas y salud humana 204

5.6.2 Biodiversidad y salud del ecosistema 208

Términos clave 211

Problemas 212

Referencias 214

Capitulo 6

Capítulo Seis Riesgo ambiental 215

6.1 Riesgo y la ingeniería 216

6.2 Percepción de riesgo 219

6.3 Residuos peligrosos y químicos tóxicos 220

6.3.1 Residuos peligrosos 221

6.3.2 Toxicidad 221

6.4 Ética y riesgo de la ingeniería 227

6.5 Evaluación de riesgo 229

6.5.1 Evaluación del peligro 230

6.5.2 Evaluación de la dosisrespuesta 231

6.5.3 Evaluación de la exposición 236

6.5.4 Caracterización del riesgo 240

6.6 Problemas más complicados con por lo menos dos rutas de exposición 248

6.6.1 Establecer estándares de calidad de agua con base en la exposición al tomar agua y comer pescado 249

6.6.2 Cómo determinar los estándares de limpieza de tierra admisibles que protegen las aguas subterráneas 250

Términos clave 255

Problemas 256

Referencias 258

Capítulo 7

Ingeniería Verde 259

7.1 ¿Qué es la “ingeniería verde”? 260

7.2 Diseño 261

7.3 Prevención de la contaminación, diseño para el ambiente, ecología industrial, sustentabilidad 264

7.4 Conceptos fundamentales 269

7.4.1 Inherencia 269

7.4.2 Ciclo de vida 270

7.4.3 Pensamiento sistémico 290

7.4.4 Resiliencia 292

7.4.5 Criterios de diseño 294

7.4.6 Productos contra servicios 294

7.4.7 Materiales y energía inherentemente benignos mediante la química verde 295

7.4.8 Eficiencia 297 7.4.9 Integración de flujos de energía y materiales locales 299

7.4.10 Diseño para el manejo del término de vida 299

7.5 Medición de la sustentabilidad 300

7.6 Políticas que regulan la ingeniería verde y la sustentabilidad 301

7.6.1 Reglamentos 301

7.6.2 Programas voluntarios 303

7.7 Diseño de un futuro sustentable 305

Términos clave 305

Problemas 306

Referencias 308

Capítulo Ocho Calidad del agua 309

Capitulo 8

8.1 Introducción 310

8.2 Calidad del agua de río 311

8.2.1 Oxígeno disuelto y BOD 311

8.2.2 Saturación de oxígeno 314

8.2.3 Déficit de oxígeno 315

8.2.4 Balance de masa del oxígeno 316

8.2.5 Curva de hundimiento y distancia crítica del oxígeno disuelto 317

8.3 Calidad del agua de lagos y reservas 319

8.3.1 Estratificación térmica de lagos y reservas 319

8.3.2 Materia orgánica, estratificación térmica y agotamiento del oxígeno 321

8.3.3 Limitación de nutrientes y estado trófico 322

8.3.4 Gestión de ingeniería de lagos 324

8.4 Humedales 326

8.4.1 Tipos de humedales 327

8.4.2 Funciones de los humedales 328

8.4.3 Construcción de humedales 330

8.4.4 Humedales creados: una opción para la mitigación 331

8.5 Desarrollo de bajo impacto 332

8.5.1 Azoteas verdes 333

8.5.2 Pavimentos permeables (o porosos) 337

8.5.3 Celdas de bioretención 338

8.5.4 Bioswales (riachuelos urbanos) y otras técnicas de uso de suelo 342

8.5.5 Selección de vegetación 342

8.6 Calidad de las aguas subterráneas 343

8.6.1 Fuentes y características de los contaminantes de las aguas subterráneas 343

8.6.2 Destino y transporte de los contaminantes en el agua subterránea 344

8.6.3 Estrategias de remediación de aguas subterráneas 348

Términos clave 348

Problemas 350

Referencias 353

Capitulo 9 

Capítulo Nueve Abastecimiento de agua, distribución y recolección de aguas residuales 354

9.1 Introducción 355

9.2 Disponibilidad del agua 358

9.3 Utilización del agua 358

9.3.1 Uso de agua en Estados Unidos de América 361

9.3.2 Suministro de agua pública 364

9.3.3 Reclamación y reutilización del agua 365

9.3.4 Escasez de agua 367

9.4 Demanda municipal de agua 368

9.4.1 Creación de modelos para estimar la demanda 368

9.4.2 Estimación del flujo de agua y de las aguas residuales 370

9.4.3 Flujos de tiempo variable y ciclos estacionales 372

9.4.4 Demanda de flujo de incendios y no contabilizada para el agua 377

9.4.5 Flujos de clima húmedo para aguas residuales 379

9.4.6 Previsión de demanda 380

9.5 Distribución de agua y sistemas de recolección de aguas residuales 385

9.5.1 Disposición del sistema 386

9.5.2 Velocidades de flujo de diseño y tamaño de las tuberías 387

9.5.3 Estaciones de bombeo y almacenamiento

389 Términos clave 391

Problemas 392

Referencias 395

Capítulo 10

Capítulo Diez Tratamiento de aguas 396

10.1 Introducción 397

10.2 Características del agua no tratada 397

10.2.1 Características físicas 398

10.2.2 Constituyentes inorgánicos principales y menores 401

10.2.3 Principales constituyentes orgánicos 404

10.2.4 Constituyentes microbianos 405

10.3 Estándares de calidad del agua 407

10.4 Visión general de los procesos de tratamiento de aguas 408

10.5 Coagulación y floculación 408

10.5.1 Eliminación y estabilidad de partículas 410

10.5.2 Coagulantes químicos 410

10.5.3 Otras consideraciones 414

10.6 Eliminación de la dureza del agua 418

10.7 Sedimentación 422

10.7.1 Asentamiento discreto de partículas 422

10.7.2 Eliminación de partículas durante la sedimentación 426

10.7.3 Otros tipos de asentamientos 428

10.8 Filtración 429

10.8.1 Tipos de filtración granular 429

10.8.2 Características del material 431

10.9 Desinfección 434

10.9.1 Métodos actuales de desinfección 434

10.9.2 Cinética de la desinfección 434

10.10 Procesos de membrana 443

10.10.1 Clasificación de los procesos de membrana 443

10.10.2 Materiales de membrana 444

10.10.3 Tipos y configuraciones de procesos de membrana 445

10.10.4 Selección y operación de membranas 446

10.10.5 Desempeño de la membrana 448

10.11 Adsorción 450

10.11.1 Tipos de procesos de adsorción 450

10.11.2 Tipos de adsorbentes 451

10.12 Uso de energía 453

Términos clave 454

Problemas 456

Referencias 459

Capitulo 11

Capítulo Once Tratamiento de aguas residuales 460

11.1 Introducción 461

11.2 Características de las aguas residuales domésticas 463

11.3 Visión general de los procesos de tratamientos 464

11.4 Tratamiento preliminar 466

11.4.1 Filtración 466

11.4.2 Tanques desarenadores 467

11.4.3 Flotación 469

11.4.4 Ecualización 469

11.5 Tratamiento primario 473

11.6 Tratamiento secundario 475

11.6.1 Reactores de crecimiento suspendido: lodo activado 475

11.7 Modificaciones al proceso de lodo activado 489

11.7.1 Biorreactores de membrana (BM) 489

11.8 Reactores de crecimiento adjunto 492

11.9 Eliminación de nutrientes: nitrógeno y fósforo 493

11.9.1 Nitrógeno 494 11.9.2 Fósforo 497

11.10 Desinfección y aireación 498

11.11 Tratamiento y desecho del lodo 500

11.11.1 Estabilización del lodo 501

11.11.2 Digestores 502

11.11.3 Deshidratación 503

11.11.4 Desecho 503

11.12 Sistemas naturales de tratamiento 506

11.12.1 Estanques de estabilización 506

11.12.2 Humedales 508

11.13 Uso de energía durante el tratamiento de aguas residuales 511

Términos clave 513

Problemas 515

Referencias 517

Capitulo 12

Capítulo Doce Ingeniería de recursos del aire 518

12.1 Introducción 519

12.2 Impactos y defensas en la salud humana 519

12.3 Transporte del aire 521

12.3.1 Transporte global 521

12.3.2 Transporte regional 522

12.3.3 Transporte local 522

12.3.4 Estabilidad del aire 524

12.3.5 Aire de interiores 526

12.4 Contaminantes del aire 530

12.4.1 Indicadores de contaminación 530

12.4.2 Contaminantes peligrosos del aire 537

12.4.3 Contaminantes del aire interior 539

12.5 Emisiones 541

12.5.1 Clasificación de emisiones 541

12.5.2 Cálculo de emisiones 545

12.6 Control de emisiones del aire 550

12.7 Tecnologías de control de emisiones gaseosas 556

12.7.1 Oxidantes térmicos 556

12.7.2 Absorción 558

12.7.3 Biofiltros 559

12.8 Tecnologías de control de emisiones de partículas 562

12.8.1 Ciclón 563

12.8.2 Lavadores 564

12.8.3 Baghouses 565

12.8.4 Precipitador electroestático 568

Términos clave 572

Problemas 573

Referencias 575

Capitulo 13

Capítulo Trece Manejo de desperdicios sólidos 576

13.1 Introducción 577

13.2 Caracterización del desperdicio sólido 578

13.2.1 Fuentes de desperdicio sólido 579

13.2.2 Cantidades de desperdicio sólido municipal 580

13.2.3 Materiales en el desperdicio sólido municipal 581

13.2.4 Recolección de datos de caracterización de desperdicios sólidos 582

13.2.5 Caracterización física/química del desperdicio 585

13.2.6 Caracterización de residuos peligrosos 588

13.3 Componentes de los sistemas de desperdicios sólidos 592

13.3.1 Almacenamiento, recolección y transportación 592

13.3.2 Reciclaje y recuperación de materiales 594

13.3.3 Compostaje 597

13.3.4 Incineración 601

13.3.5 Relleno sanitario 604

13.3.6 Tecnologías de energía de desperdicios sólidos 617

13.4 Conceptos del manejo 618

13.4.1 Consulta 619

13.4.2 Opciones de políticas 620

13.4.3 Estimación de costos 620

Términos clave 622

Problemas 623

Referencias 625

Capítulo 14

Capítulo Catorce Entorno urbanístico 626

14.1 Introducción 627

14.2 Diseño sensible al contexto 629

14.3 Edificios 632

14.3.1 Diseño 633

14.3.2 Construcción 636

14.3.3 Operación y mantenimiento 637

14.4 Materiales 639

14.4.1 Agregados, liberaciones tóxicas, cemento, acero y vidriado 639

14.4.2 Análisis del flujo de materiales 641

14.4.3 Materiales de construcción tradicionales 643

14.5 Término de vida: de construcción, demolición, disposición 644

14.6 Dar el tamaño correcto a las construcciones 647

14.6.1 Uso de materiales en una casa 647

14.6.2 Eficiencia de energía y dar el tamaño correcto 647

14.7 Eficiencia de energía: aislamiento, infiltración y paredes térmicas 649

14.7.1 Pérdida de calor en un edificio 650

14.8 Movilidad 656

14.9 Isla de calor urbano 663

14.10 Planificación urbana, crecimiento inteligente y comunidades planificadas 667

Términos clave 671

Problemas 672

Referencias 674

Respuestas a los problemas seleccionados 675

Créditos fotográficos de inicio de capítulo 681

Índice 683