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Libro PDF Ingeniería ambiental: Fundamentos, sustentabilidad y diseño – James R. Mihelcic

Ingeniería ambiental: Fundamentos, sustentabilidad y diseño – James R. Mihelcic

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sobre dichos problemas requerirán que los ingenieros tengan nuevos conocimientos,
capacidades y perspectivas sobro cómo enfocar el trabajo. No es que los conocimientos
previamente adquiridos sean anticuados y se necesiten reemplazar. Es que los conocimientos
tradicionales se necesitan aumentar, complementar y reforzar con nuevos
conocimientos, nuevas perspectivas y nuevas conciencias. La fusión de viejos y nuevos
fundamentos y habilidades de diseño es el propósito de este texto. Los autores
esperan que este texto proporcione a los ingenieros el conocimiento y confianza para
lidiar con los retos del siglo xxi así como lidiaron con los retos de enormes proporciones
del siglo xx.
Características distintivas
UN ENFOQUE EN EL DISEÑO SUSTENTABLE
Tal vez uno de los más importantes aspectos de este libro de texto es que enfocará
al estudiante en los elementos de diseño. El diseño de productos, procesos y sistemas
será esencial no sólo para responder a las cuestiones ambientales en las vías que nuestra
profesión lo ha hecho históricamente, sino también para informar el diseño de
nuevos productos, procesos y sistemas para reducir o eliminar los problemas que
sucedan en primer lugar.
Para utilizar las herramientas de diseño de ingeniería verde para en verdad diseñar
sustentabilidad, los estudiantes necesitan ordenar un marco para este diseño. El marco
probablemente se puede resumir en las cuatro Íes: 1) Inherencia, 2) Integración,
3) Interdisciplinario e 4) Internacional.
Inherencia A medida que el lector avance en el texto, será obvio que no se está mirando
meramente hacia cómo cambiar las condiciones o circunstancias que hacen de un producto,
proceso o sistema un problema. Los lectores entenderán la naturaleza inherente
del material y las entradas y salidas de energía para que sean capaces de entender la
base fundamental del peligro y las causas de raíz de la consecuencia adversa que pretenden
direccionar. Sólo mediante este enfoque de inherencia se puede comenzar a
diseñar sustentabilidad en lugar de generar vendajes tecnológicos elegantes para concepciones
defectuosas.
Integración Los enfoques históricos hacia muchas cuestiones ambientales han sido
fragmentados, con frecuencia por los medios, el ciclo de vida, la cultura o la región
geográfica. El entendimiento de que la energía está vinculada inextricablemente con el
agua, el agua con el cambio climático, el cambio climático con la producción de alimentos,
la producción de alimentos con el cuidado de la salud, el cuidado de la saludo
con el desarrollo social, y así en adelante, será esencial en el nuevo paradigma de
diseño sustentable. Es igualmente necesario el entendimiento de que no se puede pensar
en enfocar ningún problema ambiental sin mirar el problema a través de los elementos
de su ciclo de vida. Han habido un sinnúmero de intentos para mejorar las
circunstancias ambientales que han resultado en problemas que no se pretendían y
que con frecuencia han sido peores que el problema que intentaban mejorar. Los intentos
para mejorar la provisión de agua potable en Bangladesh resultaron en envenenamiento
extendido por arsénico. Los intentos para incrementar los rendimientos de los
cultivos mediante la producción de pesticidas en Bhopal, India, resultaron en una de
las tragedias químicas más grandes de nuestros tiempos. El entendimiento de las complejas
interconexiones y el asegurar la integración de múltiples factores en el desarrollo
de soluciones es algo que los ingenieros ambientales del siglo xxi requieren.
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INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC ALFAOMEGA
Interdisciplinario Para lograr las metas del diseño sustentable, los ingenieros am –
bientales trabajarán crecientemente con una amplia matriz de otras disciplinas. Las
disciplinas técnicas de la Química y la Biología y otras disciplinas de ingeniería serán
esenciales pero también lo serán las disciplinas de Economía, Análisis de sistemas,
Salud, Sociología y Antropología. Este texto pretende introducir las dimensiones interdisciplinarias
que serán importantes para el ingeniero ambiental en este siglo.
Internacional Muchas soluciones de ingeniería bien intencionadas del siglo xx fallarían
al no considerar los diferentes contextos encontrados en la diversidad de las
naciones alrededor del mundo. Aunque la purificación del agua o el desperdicio
municipal puede parecer que es algo con lo que puedan lidiar mediante procesos
idénticos en cualquier parte del mundo, se ha demostrado repetidamen –
te que los factores locales (geográficos, climáticos, culturales, socioeconómicos, políticos,
étnicos e históricos) pueden jugar un papel en el éxito o en el fracaso de una
solución de ingeniería ambiental. La perspectiva internacional es una perspectiva
importante que este libro enfatiza e incorpora con los fundamentos del entrenamiento
de los ingenieros ambientales.
BALANCES DE MATERIALES Y ENERGÍA
Y PENSAMIENTO DEL CICLO DE VIDA
El libro proporciona un desarrollo riguroso de conceptos de masa y energía y balance
másico con numerosos ejemplos de problemas fáciles de seguir. Después aplica los conceptos
de balance másico y de energía a un amplio rango de sistemas naturales y de
ingeniería y diferentes medios ambientales. Este libro tiene una cobertura apropiada
de la evaluación del ciclo de vida con un problema de ejemplo a fondo y proporciona un
enfoque de pensamiento del ciclo de vida en discusión a través de otros capítulos.
PEDAGOGÍA Y EVALUACIÓN
Más allá de incluir los elementos mencionados previamente para preparar a los ingenieros
para el siglo xxi, este libro también incorpora los cambios en la pedagogía y la
evaluación que proporcionan la estructura para administrar esta nueva información
en una experiencia educacional significativa.
La taxonomía de Fink del aprendizaje significativo Un elemento es el uso de la taxonomía
de Fink del aprendizaje significativo al guiar el desarrollo de los objetivos de
aprendizaje para cada capítulo así como en problemas de ejemplo y de tarea. La taxonomía
de Fink reconoce seis dominios incluyendo el tradicionalmente considerado conocimientos
fundamentales, aplicación del conocimiento, integración del conocimiento,
dimensiones humanas de aprendizaje y preocupación e interés, y aprendiendo a aprender.
Sin mucho arraigo en la taxonomía, es claro que con sólo estos conocimientos de
cargas de dominio, estas áreas reconocidas por Fink son críticas para un ingeniero con
la tarea de diseñar soluciones para muchos de los retos sustentables de hoy en día.
Apoyos en la web Los iconos en el margen indican cuando el material de apoyo está
disponible en el sitio web del libro para reforzar y expandir los conceptos presentados
en el libro. Esta plataforma proporciona a los estudiantes un ambiente de aprendizaje
visual e interactivo en el que pueden explorar los fundamentos, el diseño y la sustentabilidad
al apreciar visualmente cómo los cambios en los ingresos numéricos afectan
la salida del diseño y la operación.
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ALFAOMEGA INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC
Ecuaciones importantes Los recuadros alrededor de las ecuaciones le indican a los
estudiantes cuáles son más críticas.
Ejercicios de aprendizaje Los ejercicios de aprendizaje en los problemas de final de
capítulo no sólo le piden a los estudiantes que resuelvan problemas numéricos tradicionales
de evaluación y diseño, sino que también retan a los estudiantes para investigar
problemas e innovar soluciones en diferentes niveles: campus, departamentos,
hogares, ciudades, regiones, estados o el mundo.
Temas de discusión Para enfatizar más en la importancia de los dominios de conocimiento
comentados en el párrafo anterior, el libro anima a las discusiones en clase y la
interacción entre estudiantes así como entre los estudiantes y el instructor. Estos temas
de discusión son denotados por un símbolo en el margen.
Recursos para aprendizaje adicional Los recursos en línea para aprendizaje adicional
y exploración se enlistan en el margen en donde sea apropiado. Estos recursos dan a
los estudiantes la oportunidad de explorar temas en mucho mayor detalle y aprender
de las cosas comunes y únicas de la geografía para cuestiones específicas de ingeniería
ambiental. Más importante, el uso de estos recursos en línea prepara mejor a los estudiantes
para la práctica profesional al expandir su conocimiento de información disponible
en los sitios web del gobierno y no gubernamentales.
SITIO WEB DEL LIBRO
Los siguientes recursos para los estudiantes e instructores están disponibles en el sitio web
ubicado en http://virtual.alfaomega.com.mx/
Materiales en la web Martín Auer tuvo la visión y el liderazgo para supervisar
el desarrollo de 60 módulos web interactivos que se integran a lo largo del texto. La
meta de los módulos web es la de reforzar y expandir los conceptos presentados en el
libro. Los módulos también le dan a los estudiantes la oportunidad de alcanzar la
práctica con el gobierno, las comunidades y el mundo a medida que exploran los conceptos
a mayor detalle. Debido a que los módulos web son un producto en evolución
constante, se añadirán módulos web con el tiempo. Estos módulos web están marcados
en el texto por un icono que alerta al estudiante sobre la disponibilidad de apoyo
web para un tema en particular. Los instructores son animados a utilizar los módulos
durante la clase como una herramienta adicional para la motivación, educación y compromiso
del estudiante.
Materiales de clases para los instructores A través de un curso de NSF, del premio
Curriculum and Laboratory Improvement que otorgaron a tres de los autores de este
libro (Qiong Zhang, Julie Zimmerman y James Mihelcic) y a Linda Vanasupa (California
Polytechnic State University) se desarrollaron materiales educacionales a fondo para
los siguientes seis temas:
1. Pensamiento sistémico
2. (Introducción a la) Sustentabilidad
3. Pensamiento sistémico: población
4. Pensamiento sistémico: energía
5. Pensamiento sistémico: material
6. Pensamiento sistémico: agua
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INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC ALFAOMEGA
Cada conjunto proporciona una matriz de materiales de clase cuyo diseño se alinea
con la investigación educacional sobre cómo fomentar un aprendizaje más significativo.
Cada conjunto incluye:
• Objetivos de aprendizaje dentro de cada una de las cinco áreas críticas de
aprendizaje (conocimientos fundamentales, aplicación del conocimiento,
integración del conocimiento, dimensiones humanas de aprendizaje,
preocupación e interés y aprendiendo a aprender).
• Un conjunto de diapositivas para presentar material de lectura.
• Ejercicios de aprendizaje activo que implican utilizar de dos minutos a tres
horas; guías simbolizadas para usar los ejercicios.
• Un conjunto de actividades de evaluación que incluye los objetivos de
aprendizaje, criterios para evaluación y estándares para evaluar los criterios.
RECURSOS ADICIONALES PARA PROFESORES
Los recursos adicionales para este texto incluyen:
• Manual de soluciones para todos los problemas de final de capítulo en el texto.
• Galería de imágenes con ilustraciones del texto apropiadas para su uso en las
diapositivas de clase.
Estos recursos están disponibles sólo para los profesores que adopten el texto. Por
favor visite el sitio web en http://virtual.alfaomega.com.mx/ para registrarse con una
contraseña.
Génesis del libro
En 1999 se publicó el libro Fundamentos de Ingeniería Ambiental. Este libro fue el fruto
de un esfuerzo de enseñanza en equipo requerido en ese momento para estudiantes
universitarios de Ingeniería Ambiental y Civil en la Universidad Tecnológica de
Michigan. Una fortaleza de Fundamentos de Ingeniería Ambiental es que proporciona
cobertura a fondo de los fundamentos básicos de la ingeniería ambiental requeridos
para el diseño, operación, análisis y modelaje de los sistemas naturales y de ingeniería.
Este nuevo libro que ahora está leyendo, Ingeniería ambiental: fundamentos, sustentabilidad,
diseño, no sólo incluye capítulos actualizados sobre los mismos fundamentos
con un continuo énfasis sobre los balances de materiales y energía y la inclusión de
cuestiones de energía y clima, también incluye la aplicación de dichos conocimientos
fundamentales para el diseño y la operación de sistemas de tratamiento y prevención.
Muy importante, este nuevo libro proporciona capítulos sobre el tratamiento y manejo
de problemas ambientales (por ejemplo, tratamiento y distribución de agua potable,
tratamiento y recolección de aguas residuales, manejo de desperdicios sólidos e ingeniería
de recursos del aire) al mismo tiempo que proporciona capítulos sobre sustentabilidad,
riesgo ambiental, ingeniería verde y el entorno urbanístico. Las cuestiones
importantes de energía y clima son incorporadas en cada capítulo y no son consideradas
como cuestiones aisladas. Los conceptos críticos de ética y justicia son incluidos
y a los lectores se les proporciona una perspectiva global. Las aplicaciones de ingeniería
también están actualizadas; por ejemplo, el capítulo de calidad del agua no sólo
incluye el manejo de lagos y ríos sino que también el diseño de infraestructura de
bajo impacto para el manejo de aguas pluviales. El capítulo de aguas residuales
incluye cuestiones de reutilización y reclamación, y el capítulo de recursos del aire
contiene material sobre la calidad del aire interior. Por último, el capítulo del entorno
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ALFAOMEGA INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC
urbanístico incluye temas como el diseño sensible al contexto, la certificación LEED de
edificios y las cuestiones relacionadas con las comunidades habitables por ingeniería
y sistemas de transportación más sustentables.
Agradecimientos
Así como nos maravillamos y apreciamos a todos aquellos que se han dedicado a dejar
el mundo como un lugar mejor del que encontraron –los ingenieros ambientales
y otros– agradecemos a toda la gente talentosa que ayudó a hacer este libro posible y
están listos para cambiar la naturaleza del campo de la ingeniería ambiental.
Además de todas las personas que contribuyeron con el contenido del libro, los
siguientes académicos proporcionaron revisiones profundas y de alta calidad a través
de diversas etapas del desarrollo del libro:
Zuhdi Aljobeh, Universidad de Valparaíso
Robert W. Fuessle, Universidad de Bradley
Keri Hornbuckle, Universidad de Iowa
Benjamin S. Magbanua Jr., Universidad Estatal de Mississippi
Taha F. Marhaba, Instituto de Tecnología de Nueva Jersey
William F. McTernan, Universidad Estatal de Oklahoma
Gbekeloluwa B. Oguntimein, Universidad Estatal de Morgan
Joseph Reichenberger, Universidad de Loyola Marymount
Sukalyan Sengupta, Universidad de Massachusetts
Thomas Soerens, Universidad de Arkansas
Linda Vanasupa (Universidad Politécnica Estatal de California) revisó los capítulos y
ayudó en el desarrollo de objetivos de aprendizaje en el contexto de la taxonomía de
Fink de aprendizaje significativo. Linda Phillips (Universidad del Sur de Florida)
proporcionó su perspectiva internacional, especialmente con respecto a la integración
del aprendizaje de servicio. El equipo editorial de Jennifer Welter, Mark Owens y
Heather Johnson que nos ayudaron en este proyecto también ha sido una clave para
el éxito. Su visión temprana del propósito del libro y la atención a las contribuciones
en detalles, estilo y pedagogía han hecho de esto una sociedad completa y equitativa.
Los siguientes estudiantes en la Universidad del Sur de Florida revisaron cada
capítulo del libro y proporcionaron comentarios valiosos durante el proceso editorial:
Jonathan Blanchard, Justin Meeks, Colleen Naughton, Kevin Orner, Duncan Peabody
y Steven Worrell. Ezequiel Fugate y Jennifer Ace (Universidad de Yale) y Helen E.
Muga (Universidad del Sur de Florida) nos ayudaron a obtener permisos y buscar
materiales. Estamos especialmente agradecidos con Ziad Katirji (Universidad
Tecnológica de Michigan) y Heather E. Wright Wendel (Universidad del Sur de
Florida), quienes ayudaron con esfuerzos para crear, ensamblar y probar el Manual de
soluciones.
Finalmente, gracias a Karen, Paul, Raven y Kennedy por comprender la visión de
este proyecto durante los varios años pasados.
James R. Mihelcic
Julie Beth Zimmerman
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INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC ALFAOMEGA
Acerca de los autores
James R. Mihelcic es profesor de Ingeniería Civil y Ambiental y becario de Clase
Mundial del Siglo XXI del estado de Florida en la Universidad del Sur de Florida. Es
fundador del Programa de maestros del cuerpo de paz en Ingeniería Civil y Ambiental.
Su enseñanza e intereses de investigación son sobre sustentabilidad, ingeniería del
agua y el agua residual, el diseño y operación de la tecnología apropiada y la ingeniería
verde. El Doctor Mihelcic fue presidente de la Asociación de Ingeniería Ambiental y
Profesores de la Ciencia y miembro certificado por la mesa de la Academia Americana
de Ingenieros Ambientales. Ha viajado extensivamente en el mundo en desarrollo
para servir y llevar a cabo investigaciones sobre cuestiones de desarrollo relacionadas
con el tratamiento y la provisión del agua, el saneamiento, resguardo y salud global.
Julie Beth Zimmerman es profesora asistente designada conjuntamente en la Escuela
de Ingeniería y Ciencias Aplicadas en el programa de Ingeniería Ambiental y la Escue –
la de Estudios de Sivicultura y Ambientales en la Universidad de Yale. También funge
como Directora Asociada de Investigación para el Centro de Química Verde e Ingeniería
Verde en Yale. Sus intereses de investigación incluyen la química e ingeniería verdes,
sistemas de modelaje dinámico de sistemas de agua naturales y de ingeniería, diseño
benigno ambientalmente y manufactura, el destino e impactos de compuestos antropogénicos
en el medio ambiente y tecnologías apropiadas de tratamiento de aguas
para el mundo en desarrollo. También lleva a cabo investigaciones sobre comportamiento
ambiental corporativo y las intervenciones del gobierno para reforzar la integración
de la sustentabilidad en la industria y academia.
Martin T. Auer es profesor de Ingeniería Civil y Ambiental en la Universidad
Tecnológica de Michigan. Imparte cursos introductorios en Ingeniería Ambiental y
curso práctico avanzado en Ingeniería de agua superficial de calidad y modelaje matemático
de lagos, reservas y ríos. Los intereses de investigación del doctor Auer involucran
estudios de campo y laboratorio y el modelaje matemático de la calidad del
agua en lagos y ríos.
David W. Hand es profesor de Ingeniería Civil y Ambiental en la Universidad
Tecnológica de Michigan. Imparte cursos de niveles superiores y de licenciatura sobre
el tratamiento de agua potable, el tratamiento de aguas residuales y procesos físicoquímicos
en ingeniería ambiental. Los intereses de investigación del Doctor Hand
incluyen procesos de tratamiento físico-químicos, transferencia másica, adsorción,
extracción de aire, procesos de oxidación avanzados homogéneos y heterogéneos,
modelaje de proceso de procesos de tratamiento de aguas y tratamiento de aguas residuales
y desarrollo software de ingeniería para diseño de herramientas para las prácticas
de prevención de contaminación.
Richard E. Honrath fue profesor de Ingeniería y Ciencias Geológicas y de Minería y
de Ingeniería Civil y Ambiental en la Universidad Tecnológica de Michigan, en donde
también dirigió el programa de licenciatura de Ciencias Atmosféricas. Impartió cursos
en Ingeniería Ambiental introductoria, Ingeniería y Ciencias avanzadas de la calidad
del aire y química atmosférica. Sus actividades de investigación involucraron estudios
de impactos de gran escala de emisiones contaminantes del aire de fuentes hidropogénicas
y de incendios forestales, con un enfoque en la interacción entre procesos de
transportación y procesamiento químico. También estudió la fotoquímica en el hielo y
la nieve, incluyendo estudios de campo de las interacciones con la nieve, el aire y la
luz del sol.
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x Acerca de los autores
ALFAOMEGA INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC
Alex S. Mayer es profesor de Ingeniería Ambiental y Geológica y Director del Centro
para el Agua y la Sociedad en la Universidad Tecnológica de Michigan. Sus enseñanzas
e intereses de investigación se enfocan en las interacciones humanas-biofísicas en
los sistemas de agua, el manejo y modelaje de los humedales y el flujo, transportación
y remediación del agua subterránea. El Doctor Mayer ha fungido en posiciones editoriales
para diversas revistas profesionales: Water Resources Research, Journal of
Contaminant Hydrology y Advances in Water Resources. Ha sido consultor de compañías
de ingeniería, firmas legales y grupos no gubernamentales y es Ingeniero profesional
registrado.
Mark W. Milke es profesor asociado/profesor adjunto en el Departamento de
Ingeniería de Recursos Civiles y Naturales de la Universidad de Canterbury, Nueva
Zelanda, en donde ha trabajado desde 1991. Sus intereses de investigación y enseñanzas
son en el manejo de desperdicio sólido, agua subterránea y análisis incierto. Es
ingeniero profesional colegiado en Nueva Zelanda y funge como director asociado
para la revista Waste Management.
Kurtis G. Paterson es profesor asistente de Ingeniería Civil y Ambiental en la Universidad
Tecnológica de Michigan. Sus intereses de investigación y enseñanza están en el diseño
apropiado de tecnología, aprendizaje de servicio internacional con base en el proyecto y
la reforma educacional de ingeniería. El doctor Paterson actualmente funge como
Director del Michigan Tech’s D80 Center, un consorcio de investigaciones, educación y
programas de servicio dedicados a crear soluciones de desarrollo sustentables para el
80% más pobre de la humanidad. Actualmente está involucrado en diversas iniciativas
internacionales en la Sociedad Americana para la Educación en Ingeniería y numerosas
actividades educacionales en Ingenieros sin Fronteras de Estados Unidos.
Michael R. Penn es profesor de Ingeniería Civil y Ambiental en la Universidad de
Wisconsin-Platteville. Imparte cursos a estudiantes universitarios en ingeniería
ambiental introductoria, mecánica de fluidos, hidrología, agua subterránea, tratamiento
de aguas residuales y potables, y manejo de desperdicios sólidos y peligrosos.
Los intereses en investigación del Doctor Penn se enfocan en involucrar a los
estudiantes universitarios en estudios de escorrentía de agricultura, ciclo de nutrientes
en los lagos y manejo de infraestructura urbana. El doctor Penn actualmente
escribe un nuevo libro, Introduction to Infrastructure: Civil Engineering, Environmental
Engineering, and the Built Environment, que está dirigido a estudiantes universitarios
de primer y segundo años.
Judith Perlinger es profesora asociada de Ingeniería Civil y Ambiental en la
Universidad Tecnológica de Michigan. Sus intereses están en la calidad del aire y el
agua, y su pericia está en la transportación y transformación ambiental de químicos
orgánicos y los efectos de los mismos en la salud humana, la salud del ecosistema y el
clima. La Doctora Perlinger imparte cursos en los programas de Ciencias atmosféricas
e Ingeniería ambiental, incluyendo los fundamentos de Ingeniería Ambiental, aplicaciones
de principios de sustentabilidad y reglamentos ambientales para la práctica de
Ingeniería, transportación y transformación de contaminantes orgánicos, y meteorología
de capas fronterizas. Su investigación está orientada hacia el desarrollo y la verificación
de modelos predictivos para evaluar el riesgo.
Noel R. Urban es profesor de Ingeniería Civil y Ambiental en la Universidad
Tecnológica de Michigan. Sus intereses de enseñanza se enfocan en la química ambiental
y el modelaje de la calidad del agua superficial. Sus intereses de investigación
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INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC ALFAOMEGA
Acerca de los autores xi
incluyen ciclos ambientales de elementos principales y trazas, diagénesis y estratigrafía
de sedimentos, química de materia orgánica natural, biogeoquímica de humedales,
impacto ambiental y destino de contaminantes, influencia de organismos sobre el
ambiente químico y el papel del ambiente químico en las poblaciones controladoras.
Brian E. Whitman es profesor asociado de Ingeniería Ambiental en la Universidad de
Wilkes. Imparte cursos sobre el diseño de sistemas de distribución del agua y de recolección
de aguas residuales, hidrología, ingeniería de recursos del agua y diseño de
procesos de tratamiento del agua y aguas residuales. Los intereses de investigación del
Doctor Whitman incluyen el modelaje hidraúlico de sistemas de distribución de agua
y de recolección de aguas residuales, microbiología ambiental y el desarrollo de sistemas
de lubricación para los motores a combustión. Ha recibido dos premios como
académico destacado de la Universidad de Wilkes y es coautor de tres libros en las
áreas de diseño y modelaje de sistemas de distribución de aguas y recolección de
aguas residuales.
Qiong Zhang es profesora asistente de Ingeniería Civil y Ambiental en la Universidad
del Sur de Florida. Fue Gerente de Operaciones del Instituto de Futuros Sustentables
en la Universidad Tecnológica de Michigan. Sus intereses de enseñanza son sobre
ingeniería verde, tratamiento de aguas y evaluación ambiental para la sustentabilidad.
Los intereses de la Doctora Zhang incluyen el desarrollo de modelos de energía
incluida para los sistemas de agua, modelaje de costos de tratamiento de aguas y las
herramientas de software asociadas para optimizar el diseño de sistemas de tratamiento
de agua-aire, incorporando los principios de ingeniería verde en el diseño de
ingeniería y el currículo de ingeniería, y la integración de evaluación ambiental y destino
de químicos con la evaluación de ciclo de vida.
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Detailed Table of Contents xiii
INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC ALFAOMEGA
Contenido breve
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
Capítulo 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
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Detailed Table of Contents xv
INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC ALFAOMEGA
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 11
1.3.3 Escasez de agua, conflicto
y resolución 13
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 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
Capítulo Dos Problemas 49
Referencias 51
Capítulo Tres 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 Constante de la Ley de Henry
con unidades para un gas que
se disuelve en un líquido 65
3.6.2 Constante de la 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
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xvi Contenido
ALFAOMEGA INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC
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 transporte 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
Capítulo Cuatro Problemas 154
Referencias 157
Capítulo Cinco 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
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 orden cero y de
primer 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 Tres 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
CMFR 108
4.1.3 Análisis de reactores: El
CMFR 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
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Contenido xvii
INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC ALFAOMEGA
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
Capítulo Seis Problemas 256
Referencias 258
Capítulo Siete 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
5.4.1 Definición de BOD, CBOD y
NBOD 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 BOD: Mediciones, aplicación y
limitantes 197
5.4.7 Prueba BOD: 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
Capítulo Cinco Problemas 212
Referencias 214
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
ftoc.indd xvii 8/30/11 2:15:14 PM
xviii Contenido
ALFAOMEGA INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC
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
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
Capítulo Siete Problemas 306
Referencias 308
Capítulo Ocho Calidad del agua 309
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
ftoc.indd xviii 8/30/11 2:15:14 PM
Contenido xix
INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC ALFAOMEGA
8.6.3 Estrategias de remediación de
aguas subterráneas 348
Términos clave 348
Capítulo Ocho Problemas 350
Referencias 353
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
Capítulo Nueve Problemas 392
Referencias 395
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

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