Tema 3. Recurso Agua

Generalidades

El agua es uno de los compuestos más abundantes en la naturaleza ya que cubre aproximadamente tres cuartas partes de la superficie total de la tierra. Sin embargo, a pesar de esta aparente abundancia, existen diferentes factores que limitan la cantidad de agua disponible para el consumo humano.

Como se puede observar en el cuadro 1, cerca de 97% del total de agua disponible se encuentra en los océanos y otros cuerpos de agua salina y no se puede utilizar para diversos propósitos. Del restante 3%, casi 2% se encuentra distribuida en los témpanos de hielo, glaciares, en la atmósfera o mezclada con el suelo, por lo que no es accesible. De tal forma que para el desarrollo y sostenimiento de la vida humana con sus diversas actividades industriales y agrícolas, se dispone aproximadamente de 0.62% del agua restante, que se encuentra en lagos de agua fresca, ríos y mantos freáticos.

La diferencia de precipitaciones medias anuales dividen a los países del mundo en habitantes ricos y pobres con respecto al agua, por ejemplo Canadá con el 0.5% de la población total mundial, dispone de un 205 de la provisión mundial de agua y china con un 21% de la población mundial cuenta solamente con un 7% del agua.

Al aumentar la población, la irrigación y la industrialización, la escases de agua en regiones ya de por si escasas se incrementará y pueden estallar guerras a causa de este recurso. El presunto calentamiento mundial podría cambiar cambios en las pautas de lluvia y alterar los suministros de agua de manera imprescindible.

El agua Superficial.El agua dulce proviene en primer lugar de la precipitación, las precipitaciones que no se infiltran en la tierra o no retornan a la atmosfera por evaporización, se transforman en escorrentía superficial que fluye hacia los ríos, lagos, humedales y embalses.

Una cuenca hidrográfica, es una región desde la que el agua desagua en un arroyo, un sistema fluvial, un lago, un embalse u otro elemento hidrológico; estas concavidades terrestres están limitadas por líneas divisorias de agua.

Aguas subterráneasParte de las precipitaciones se infiltran en la tierra y se filtran hacia dentro a través de huecos, poros fracturas hendiduras y otros espacios del suelo y de las rocas; a esta agua se le llama agua subterránea.

Los huecos retienen poca humedad cerca de la superficie. Sin embargo, por debajo de cierta profundidad, en lo que se llama zona de saturación, se llenan de agua salvo algunas burbujas ocasional. La capa superior de la zona de saturación, limítrofe con la zona insaturada, se denomina capa o nivel freático; esta se reduce en tiempo seco y aumenta en tiempo húmedo.

Las capas porosas, capas de arena saturadas de agua o rocas, a través de las cuales fluye el agua se llaman acuíferos. Las zonas de tierra a través de las cuales el agua pasa a un acuífero se denominan zonas de recarga.

Las agua subterráneas se mueven desde la zona de recarga a un acuífero y posteriormente a una zona de descarga (pozo, fuente, lago, arrollo, océano, etc.) como parte del ciclo hidrológico. Las aguas subterráneas se trasladan normalmente desde

puntos de alta elevación y presión a otros de menor altura y baja presión. Este movimiento es bastante lento, generalmente alrededor de 1 metro por año y rara vez 30 centímetros por día.

Propiedades del aguaAlgunas de las principales propiedades del agua son:

Las grandes fuerzas de atracción por enlaces de hidrogeno. En una molécula discreta de agua, el agua contiene dos átomos de hidrógeno y un átomo de oxígeno. Dos moléculas de agua pueden formar un enlace de hidrógeno entre ellas; en el caso más simple, cuando sólo dos moléculas están presentes, se llama dímero de agua y se usa frecuentemente como un sistema modelo. Cuando más moléculas están presentes, como en el caso del agua líquida, más enlaces son posibles, debido a que el oxígeno de una molécula de agua tiene dos pares libres de electrones, cada uno de los cuales puede formar un enlace de hidrógeno con átomos de hidrógeno de otras dos moléculas de agua. Esto puede repetirse, de tal forma que cada molécula de agua está unida mediante enlaces de hidrógeno a hasta cuatro otras moléculas de agua,El elevado punto de ebullición del agua se debe al alto número de enlaces de hidrógeno que cada molécula tiene, en relación a su baja masa molecular, y a la gran fuerza de estos enlaces de hidrógeno. En realidad, el agua tiene puntos de ebullición, fusión y viscosidad muy altos, comparados con otras sustancias no unidas entre sí por enlaces de hidrógeno.

El agua existe en forma líquida en una banda de temperatura muy ancha (de 0°c a 100°c) debido a las fuerzas de atracción entre sus moléculas; manteniéndose en estado líquido en la mayor parte de regiones de la tierra.

El agua líquida cambia de temperatura muy lentamente, porque es capaz de acumular una gran cantidad de calor sin sufrir un cambio notable de temperatura, esto se debe a su gran capacidad calórica; esta propiedad ayuda a proteger los organismos de choques por cambios bruscos de temperatura, también regula el clima de la tierra.

Se requiere mucho calor para evaporar el agua líquida, Este proceso se convierte por lo tanto en regulador y distribuidor de calor en el planeta.

El agua es muy buen disolvente, lo cual la convierte en un eficaz transporte de nutriente, pero a su vez de contaminantes.

El agua se expande cuando se congela volviéndose menos densa y este proceso de congelación se da del exterior al interior, lo que permite que los lagos y los arroyos congelados se descongelen con facilidad.

Las grandes fuerzas atractivas entre moléculas de agua líquida hace que su superficie se contraiga (alta tensión superficial) y también que se adhiera y cubra un solido (alta capacidad de humectación o adherencia). Lo que le permite moverse en un tubo estrecho en contra de la gravedad, esto se conoce como acción capilar y generalmente sucede en las plantas.

Problemática del agua (escases)

La necesidad de lograr un equilibrio hidrológico que permita el abastecimiento suficiente de la población sugiere el uso eficiente del recurso agua.

Las fuente, manantiales, cuencas o cañadas están en acelerada vía de extinción, los cambios de clima y suelo, las sequias y desertificación son algunos causantes, pero es la acción del hombre la más drástica, con prácticas de deforestación, captación de agua en represas, embalses y otras obras y actividades.

Desde los años 70 la escases del agua junto con las sequias prolongadas han matado a 24000 personas al año y originado refugiados que se han visto obligados a abandonar sus tierras secas, en zonas secas se debe recorrer largos trayectos para conseguir agua, algunas veces contaminada. De acuerdo con el informe de 1995 del Banco mundial, 30 países que comprenden el 42% de la población mundial ( 2400 millones de personas) experimentan ahora escases crónica de agua, que amenaza la agricultura, la industria y la salud de la población. Para el año 2025 se espera que 3000 millones de personas de 90 países afrontaran severos problemas de abastecimiento de agua. En la mayoría de los países el problema no es tanto por los escases sino por el mal manejo, derroche y contaminación.

Contaminación del aguaLa contaminación del agua se define como la presencia de sustancias u organismos extraños en un cuerpo de agua en tal cantidad y con tales características que impiden su utilización. Es un cambio químico, físico o biológico en la calidad del agua, que tiene un efecto perjudicial sobre los organismos.

Fuentes de contaminación

La contaminación del agua puede proceder de dos fuentes:

Fuentes de contaminación Natura: Son aquellas que se dan por procesos naturales y existen sin intromisión del hombre un ejemplo es el mercurio que se encuentra naturalmente en la corteza de la Tierra y en los océanos contamina la biosfera mucho más que el procedente de la actividad humana. Algo similar pasa con los hidrocarburos y con muchos otros productos. Normalmente las fuentes de contaminación natural son muy dispersas y no provocan concentraciones altas de polución, excepto en algunos lugares muy concretos. La contaminación de origen humano, en cambio, se concentra en zonas concretas y, para la mayor parte de los contaminantes, es mucho más peligrosa que la natural

Fuentes de contaminación Antropológica: Son las que se dan por actividades humanas, Sus principales focos de emisión de contaminación son vertidos urbanos, industria, navegación, agricultura y ganadería.

Otra forma de clasificar las fuentes de contaminación, especialmente la causada por el hombre se da tomando en cuenta en que forma llega la contaminación a la fuente hídrica así:

Fuentes puntuales: descargan contaminantes en localizaciones específicas a través de tuberías, alcantarillas, acequias o desagües sobre la superficie del agua. Las fuentes puntuales se encuentran en lugares específicos, son fáciles de identificar, vigilar y regular.

Fuentes no Puntuales: Son fuentes que no se pueden asociar a ningún sitio de vertido concreto. Generalmente son grandes zonas o capas de área que

contaminan el agua por escorrentía, de forma subterránea o por sedimentación desde la atmosfera.

Focos de contaminación

Vertidos urbanos: la actividad doméstica produce principalmente residuos orgánicos, pero el alcantarillado arrastra además todo tipo de sustancias: emisiones de los automóviles (hidrocarburos, plomo, otros metales, etc.), sales, ácidos, etc. El volumen de estas aguas se ha incrementado en los últimos años debido a la demanda de agua en hábitos de consumo.

Agricultura y ganadería: los trabajos agrícolas producen vertidos de pesticidas, fertilizantes y restos orgánicos de animales y plantas que contaminan de una forma difusa pero muy notable las aguas. La agricultura también afecta la disponibilidad del agua debido al alto consumo en algunos países para la irrigación del agua en donde absorbe hasta un 90% de los recursos hídricos.

Navegación: produce diferentes tipos de contaminación, especialmente con hidrocarburos. Los vertidos de petróleo, accidentales o no, provocan importantes daños ecológicos.

Industria: Según el tipo de industria se producen distintos tipos de residuos. Normalmente en los países desarrollados muchas industrias poseen eficaces sistemas de depuración de las aguas, sobre todo las que producen contaminantes más peligrosos, como metales tóxicos. En algunos países en vías de desarrollo la contaminación del agua por residuos industriales es muy importante.

Tipos de contaminantes

Contaminantes LíquidosEl efecto de los residuos líquidos sobre los ecosistemas acuáticos depende, entre otros factores, de su composición química, de las características físicas y biológicas del efluente, además de las características del medio receptor acuático.Los contaminantes en fase líquida incluyen un amplísimo rango de compuestos disueltos y suspendidos, orgánicos e inorgánicos. A continuación se resumen los efectos de los principales residuos que se vierten comúnmente en las aguas superficiales.

Material orgánico biodegradable disuelto: los compuestos orgánicos solubles biodegradables permiten mantener la actividad de microorganismos unicelulares heterótrofos (bacterias, hongos), que requieren de fuentes de carbono orgánico y que se alimentan por transporte a través de la membrana celular. Estos organismos acuáticos reciben, además, los compuestos derivados de la actividad biológica terrestre en las zonas aledañas a los cuerpos de agua, que son transportados por la escorrentía superficial o subterránea. Aquí se incluyen los compuestos generados a partir de la descomposición de especies muertas y del material que se descarga desde las riberas (frutos, ramas, excrementos, etc).Cuando un nutriente entra al agua, los organismos aerobios consumen oxígeno disuelto como resultado de la actividad metabólica inducida. Así, el nutriente ejerce una demanda sobre la disponibilidad del oxígeno disuelto, denominada Demanda Biológica de Oxígeno. Si la cantidad de materia orgánica en el medio es muy alta, ello puede conducir a una disminución en la concentración de oxígeno disuelto. A niveles bajos de oxígeno disuelto (2-4 mg/l) los peces tienden a desaparecer y el ambiente acuático favorece a las especies anaeróbicas generando aguas anóxicas.

Problemas generados por aguas anóxicas: El metabolismo anaeróbico es mucho más lento que el proceso aeróbico y de menor eficiencia, generando varios compuestos orgánicos intermedios (ej.: ácidos orgánicos, alcoholes, metano). Como resultado de la menor velocidad de consumo del material orgánico disuelto, éste se acumulará en el medio acuático, a menos que su ingreso al sistema acuático disminuya drásticamente.Si los nutrientes disueltos entran al agua a una tasa tal, que el oxígeno disuelto se consume más rápidamente de lo que se puede reponer, el agua se desoxigena. Ningún aerobio obligado, desde los microbios hasta los peces, podrá sobrevivir en dichas aguas. Así, los contaminantes orgánicos se acumularán, produciéndose anaerobiosis, lo que genera substancias malolientes (ej.: sulfuros y aminas volátiles) y compuestos orgánicos parcialmente oxidados. Aparte del mal olor, la anaerobiosis puede presentar problemas para la salud humana, ya que muchas bacterias anaerobias son patógenas (por ejemplo, tétano, botulismo). Estas aguas pueden recuperarse si se detiene el ingreso de contaminantes.

Compuestos tóxicos: la población microbiana puede verse afectada debido a la presencia de contaminantes químicos tóxicos, por inhibición o muerte por envenenamiento. Diferentes organismos presentan distinta susceptibilidad a la presencia de tóxicos. Por ejemplo, el fenol es tóxico para casi todas las especies (razón por la cual se usa como desinfectante); sin embargo, ciertas bacterias (Pseudomonas) pueden usarlo como nutriente y descomponerlo, aún cuando su actividad es inhibida a altas concentraciones de fenol. Muchos componentes tóxicos pueden ser degradados por actividad química o bioquímica natural y, por lo tanto, su acción puede ser de relativa corta duración en el ecosistema.Existen otros tóxicos, tales como los metales pesados o ciertos compuestos orgánicos, cuya toxicidad persiste, debido a que no son afectados por desactivación natural. Estos últimos, son los más difíciles de controlar, ya que por ser no degradables, se acumulan en el medio receptor y, a pesar de ser desechados a muy baja concentración, persisten y afectan la vida del sistema. En muchos casos se produce un aumento de la concentración de dichos contaminantes, cuando entran a formar parte de la cadena alimenticia de las diferentes especies del ecosistema. Por ejemplo, la concentración de DDT en los tejidos de los organismos superiores puede llegar a ser 50.000 veces más alta que la concentración en el medio receptor. Por otra parte, los procesos naturales que ocurren en el medio receptor incrementan la toxicidad de algunos contaminantes primarios. Por ejemplo, el mercurio inorgánico es tóxico, pero los compuestos de organomercurio generados a partir de mercurio inorgánico en las aguas son 10 veces más venenosos.Muchos de los compuestos tóxicos, no biodegradables, que se encuentran a muy bajas concentraciones, pueden ser ingeridos por los organismos vivientes de los diferentes niveles tróficos, depositándose en sus tejidos y entrando en la cadena alimenticia. Esto resulta en un aumento de la concentración del material contaminante a medida que es transferido a las especies superiores, lo que puede tener consecuencias para la salud humana.

Nitrógeno y Fosforo: las algas y plantas acuáticas utilizan la energía de la luz para sintetizar material orgánico complejo, a partir de CO2, agua y otros materiales como nitrógeno (N) y fósforo (P). A su vez, el oxígeno generado por fotosíntesis es utilizado por los organismos heterótrofos y por algunos autótrofos oxidantes. Cuando este balance ecológico se altera debido a un aumento drástico de los nutrientes limitante, los resultados pueden ser desagradables o desastrosos. El aumento de la cantidad de nutrientes

necesarios para a vida en un cuerpo de agua se denomina eutrofización. La eutrofización puede genera serios problemas en los cuerpos de agua superficiales.

Problemas de la Eutrofización: La fotosíntesis genera materia orgánica a través de material inorgánico, al aumentar este ultimo por consiguiente aumenta la producción de materia orgánica (biomasa), cuando las plantas o algas mueren se convierten en nutrientes orgánicos que generan una Demanda Química de Oxigeno. El consumo de dióxido de carbono durante la fotosíntesis genera un aumento de pH que puede llegar a 10. Durante la noche, la reacción inversa ocurre, consumiendo oxígeno y generando Dióxido de carbono, con lo cual el pH tiende a bajarCuando las algas no reciben luz solar utilizan el oxigeno para obtener energía; cuando hay gran cantidad de algas que reciben luz se generan en el día una sobresaturación de oxigeno y en la noche una desoxigenación del agua, produciéndose fluctuaciones drásticas que afectan el ecosistema. Si las algas cubren la superficie del agua las luz no ingresa a las capas inferiores y las plantes que se localizan ahí comienzan a consumir oxigeno de noche y día. Finalmente las plantas mueren y se descomponen generando una DBO alta, consumiendo el oxigeno disuelto (OD) y generando anaerobiosis.

Otros Agentes Contaminantes

Temperatura: Los efluentes calientes pueden alterar negativamente el ecosistema, ya que la elevación de la temperatura reduce la solubilidad del oxígeno. Más aún, el metabolismo microbiano aumenta al elevarse la temperatura (hasta cierto límite).

pH: Es importante evitar descargar aguas con pH muy diferente de 7. Desgraciadamente, la eutrofización de un cuerpo de agua genera variaciones extremas de pH que tienen un efecto negativo sobre muchas especies acuáticas.

Sólidos Suspendidos (S.S.): Los sólidos en el agua interfieren directamente con la transferencia de oxígeno y con la transmisión de la luz. Además, cuando sedimentan afectan la vida en el fondo del cuerpo de agua. Si son orgánicos biodegradables, imponen una fuerte demanda de oxígeno que genera rápidamente un medio anóxico.

Caudal Mínimo Ecológico: La calidad del agua no solamente es afectada por los vertidos de residuos, sino que también por su consumo para diferentes actividades humanas. El consumo de agua fluvial en actividades industriales, agrícolas o domésticas, así como la instalación de embalses y otras intervenciones directas sobre el medio físico, pueden afectar las características hidrológicas del río. Si tales intervenciones resultan en una reducción significativa de su caudal, se pueden generar consecuencias adversas sobre el ecosistema acuático. Las variaciones de caudal producen cambios en la población de las diferentes comunidades. Algunas especies pueden ser sustituidas por otras que cumplen la misma función en el ecosistema, pero que presentan distintos requerimientos ambientales y poseen diferentes ciclos de vida. La disminución del caudal puede afectar seriamente el proceso de oxigenación del río, generando una reducción de su capacidad de autodepuración. Esta situación puede originarse debido a una reducción importante del área de contacto río-aire y/o del coeficiente de transferencia de masa (denominado coeficiente de re aireación).

Agentes patógenos: bacterias, virus, protozoos y parásitos, son introducidos al agua desde desagües domésticos y residuos humanos y animales no tratados. Estos generan grandes problemas en la salud de los seres vivos.

Contaminación de Fuentes Hídricas, Prevención y Limpieza

Contaminación de Ríos y Lagos: Las corrientes fluviales debido a que fluyen se recuperan rápidamente del exceso de calor y los desechos degradables. Esto funciona mientras no haya sobrecarga de los contaminantes, o su flujo no sea reducido por sequía, represado, etc. En los lagos, embalses, estuarios y mares, con frecuencia la dilución es menos efectiva que en las corrientes porque tienen escasa fluencia, lo cual hace a los lagos más vulnerables a la contaminación por nutrientes vegetales (nitratos y fosfatos) (eutrofización).

Métodos de prevención:- Usar un tratamiento avanzado de los desechos para remover los fosfatos

provenientes de las plantas industriales y de tratamiento antes de que lleguen a un lago.

- Prohibir o establecer límites bajos de fosfatos para los detergentes.- A los agricultores se les puede pedir que planten árboles entre sus campos

y aguas superficiales.

Métodos de limpieza:- Dragar los sedimentos para remover el exceso de nutrientes.- Retirar o eliminar el exceso de maleza.- Controlar el crecimiento de plantas nocivas con herbicidas y plaguicidas.- Bombear aire para oxigenar lagos y rebalses.

Como con otras formas de contaminación, los métodos de prevención son los más efectivos y los más baratos a largo plazo.

Contaminación Térmica de corrientes Fluviales o Lagos: El método más usado para enfriar las plantas de vapor termoeléctricas consiste en tirar agua fría desde un cuerpo cercano de agua superficial, hacerlo pasar a través de los condensadores de la planta y devolverla calentada al mismo cuerpo de agua. Las temperaturas elevadas disminuyen el oxígeno disuelto en el agua. Los peces adaptados a una temperatura particular pueden morir por choque térmico (cambio drástico de temperatura del agua).La contrapartida de la contaminación térmica es el enriquecimiento térmico, es decir, el uso de agua caliente para producir estaciones más larga de pesca comercial, y reducción de las cubiertas de hielo en las áreas frías, calentar edificios, etc.

Métodos de prevención:- Usar y desperdiciar menos electricidad.- Limitar el número de plantas de energía que descarguen agua caliente en

el mismo cuerpo de agua.- Entregar el agua caliente en un punto lejano de la zona de playa

ecológicamente vulnerable.- Utilizar torres de enfriamiento para transferir el calor del agua a la

atmósfera.- Descargar el agua caliente en estanques, para que se enfríe y sea

reutilizada

Contaminación Del Océano: el océano es actualmente el “basurero del mundo”, lo cual traerá efectos negativos en el futuro. La mayoría de las áreas costeras del mundo están contaminadas debido a las descargas de aguas negras, sustancias químicas, basura, desechos radiactivos, petróleo y sedimentos. Los mares más contaminados

son los de Bangladesh, India, Pakistán, Indonesia, Malasia, Tailandia y Filipinas. Delfines, leones marinos y tortugas de mar, mueren cuando ingieren o se quedan atrapados por tazas, bolsas, sogas y otras formas de basura plástica arrojadas al mar.En la mayoría de países costeros en vía de desarrollo y en algunos desarrollados las aguas residuales y los desechos industriales se arrojan directamente al mar sin ningún tratamiento.

Contaminación Con PetróleoLos accidentes de los buques-tanques, los escapes en el mar (petróleo que escapa desde un agujero perforado en el fondo marino), y petróleo de desecho arrojado en tierra firme que termina en corrientes fluviales que desembocan en el mar. Los efectos de la contaminación con petróleo depende de varios factores; tipos de petróleo (crudo o refinado), cantidad liberada, distancia del sitio de liberación desde la playa, época del año, temperatura del agua, clima y corrientes oceánicas. El petróleo que llega al mar se evapora o es degradado lentamente por bacterias. Los hidrocarburos orgánicos volátiles del petróleo matan inmediatamente varios animales, especialmente en sus formas larvales. Otras sustancias químicas permanecen en la superficie y forman burbujas flotantes que cubren las plumas de las aves que se zambullen, lo cual destruye el aislamiento térmico natural y hace que se hundan y mueran. Los componentes pesados del petróleo que se depositan al fondo del mar pueden matar a los animales que habitan en las profundidades como cangrejos, ostras, etc., o los hacen inadecuados para el consumo humano.

Métodos de prevención - Usar y desperdiciar menos petróleo.- Colectar aceites usados en automóviles y reprocesarlos para el reuso.- Prohibir la perforación y transporte de petróleo en áreas ecológicamente

sensibles y cerca de ellas.- Aumentar en alto grado la responsabilidad financiera de las compañías

petroleras para limpiar los derrames de petróleo.- Requerir que las compañías petroleras pongan a prueba rutinariamente a

sus empleados.- Reglamentar estrictamente los procedimientos de seguridad y operación de

las refinerías y plantas.

Métodos De Limpieza:- Tratar el petróleo derramado con sustancias químicas dispersantes

rociadas desde aviones.- Usar helicóptero con láser para quemar los componentes volátiles del

petróleo.- Usar barreras mecánicas para evitar que el petróleo llegue a la playa.- Bombear la mezcla petróleo - agua a botes pequeños llamados

“espumaderas”, donde máquinas especiales separan el petróleo del agua y bombean el primero a tanques de almacenamiento.

- Aumentar la investigación del gobierno en las compañías petroleras sobre los métodos para contener y limpiar derrames de petróleo.

Contaminación de Aguas Subterráneas: el agua freática o subterránea es una de las primeras fuentes de agua potable y de irrigación. Sin embargo es fácil de agotar porque se renueva muy lentamente. Cuando el agua freática llega a contaminarse no puede depurarse por sí misma, como el agua superficial tiende a hacerlo, debido a que los flujos de agua freática son lentos y sin turbulencia, evitando la disolución y dispersión de los contaminantes. También hay pocas bacterias degradadoras, porque no hay mucho oxígeno y las bajas temperaturas disminuye la velocidad de las

reacciones de degradación. Debido a que el agua freática no es visible hay poca conciencia de ella.

Fuentes De Contaminación Del Agua Subterránea- Escapes o fugas de sustancias químicas desde tanques de

almacenamiento subterráneo.- Infiltración de sustancias químicas orgánicas y compuestos tóxicos desde

rellenos sanitarios, tiraderos abandonados de desechos peligrosos y desde lagunas para almacenamiento de desechos industriales localizados por arriba o cerca de los acuíferos.

- Infiltración accidental en los acuíferos desde los pozos utilizados para inyección de gran parte de los desechos peligrosos profundamente bajo tierra.

Métodos De Prevención:- Prohibir la disposición de desechos peligrosos en rellenos sanitarios por

inyección en pozos profundos.- Monitorear los acuíferos.- Disponer controles más estrictos sobre la aplicación de plaguicidas y

fertilizantes.- Requerir que las personas que usan pozos privados para obtener agua de

beber hagan que se examine ese líquido una vez al año.

Características Fisicoquímicas y biológicas de la Calidad del Agua.

A continuación se realiza una comparación entre las características de un agua limpia y una contaminada.

Características físicas

Color: El agua no contaminada suele tener ligeros colores rojizos, pardos, amarillentos o verdosos debido, principalmente, a los compuestos húmicos, férricos o los pigmentos verdes de las algas que contienen. Las aguas contaminadas pueden tener muy diversos colores pero, en general, no se pueden establecer relaciones claras entre el color y el tipo de contaminación.

Olor y Sabor: El agua limpia por lo general es incolora y sin sabor. Compuestos químicos presentes en el agua como los fenoles, diversos hidrocarburos, cloro, materias orgánicas en descomposición o esencias liberadas por diferentes algas u hongos pueden dar olores y sabores muy fuertes al agua, aunque estén en muy pequeñas concentraciones. Las sales o los minerales dan sabores salados o metálicos, en ocasiones sin ningún olor.

Temperatura: La temperatura optima del agua es entre 10°c y 14°c. En las aguas contaminadas térmicamente se disminuye la solubilidad de gases (oxígeno) y aumenta, en general, la de las sales. La temperatura aumenta la velocidad de las reacciones del metabolismo, acelerando la putrefacción.Las centrales nucleares, térmicas y otras industrias contribuyen a la contaminación térmica de las aguas, a veces de forma importante.

Materiales en suspensión: Partículas como arcillas, limo y otras, aunque no lleguen a estar disueltas, son arrastradas por el agua de dos maneras: en suspensión estable (disoluciones coloidales); o en suspensión que sólo dura mientras el movimiento del agua las arrastra. En aguas contaminadas también se ven materiales en suspensión generalmente material organico.

Radiactividad: Las aguas naturales tienen unos valores de radiactividad, debidos sobre todo a isotopos del K. Algunas actividades humanas pueden contaminar el agua con isótopos radiactivos.

Espumas: esta característica pertenece a aguas contaminadas. Los detergentes producen espumas y añaden fosfato al agua (eutrofización). Disminuyen mucho el poder autodepurador de los ríos al dificultar la actividad bacteriana.

Conductividad: El agua pura tiene una conductividad eléctrica muy baja. El agua natural tiene iones en disolución y su conductividad es mayor y proporcional a la cantidad y características de esos electrolitos.

Características Químicas

pH: Las aguas naturales pueden tener pH ácidos por el CO2 disuelto desde la atmósfera o proveniente de los seres vivos; por ácido sulfúrico procedente de algunos minerales, por ácidos húmicos disueltos del mantillo del suelo. La principal substancia básica en el agua natural es el carbonato cálcico que puede reaccionar con el CO2 formando un sistema tampón carbonato/bicarbonato. Las aguas contaminadas con vertidos mineros o industriales pueden tener pH muy ácido. El pH tiene una gran influencia en los procesos químicos que tienen lugar en el agua, actuación de los floculantes, tratamientos de depuración, etc.

Oxigeno Disuelto (O.D.): Las aguas superficiales limpias suelen estar saturadas de oxígeno, lo que es fundamental para la vida. Si el nivel de oxígeno disuelto es bajo indica contaminación con materia orgánica, septicización, mala calidad del agua e incapacidad para mantener determinadas formas de vida.

Demanda Bioquímica de Oxigeno (DBO5) es la cantidad de oxígeno disuelto requerido por los microorganismos para la oxidación aerobia de la materia orgánica biodegradable presente en el agua. Se mide a los cinco días. Su valor da idea de la calidad del agua desde el punto de vista de la materia orgánica presente y permite prever cuanto oxígeno será necesario para la depuración de esas aguas e ir comprobando cual está siendo la eficacia del tratamiento depurador en una planta.

Demanda Química de Oxigeno (DQO): Es la cantidad de oxígeno que se necesita para oxidar los materiales contenidos en el agua con un oxidante químico (normalmente dicromato potásico en medio ácido). Se determina en tres horas y, en la mayoría de los casos, guarda una buena relación con la DBO por lo que es de gran utilidad al no necesitar los cinco días de la DBO. Sin embargo la DQO no diferencia entre materia biodegradable y el resto y no suministra información sobre la velocidad de degradación en condiciones naturales.

Nitrógeno: El nitrógeno se presenta en muy diferentes formas químicas en las aguas naturales y contaminadas. En los análisis habituales se suele determinar el NTK (nitrógeno total Kendahl) que incluye el nitrógeno orgánico y el amoniacal. El contenido en nitratos y nitritos se da por separado. El nitrógeno se encuentra en pequeñas cantidades en aguas naturales, necesarias para el

desarrollo de las plantas. En aguas contaminadas se pueden encontrar en altos niveles que causan eutrofización.

Fosforo: El fosforo al igual que el nitrógeno es un nutriente esencial y limitante. El fosforo en altas cantidades también genera eutrofización. El fósforo total incluye distintos compuestos como diversos ortofosfatos, polifosfatos y fósforo orgánico. La determinación se hace convirtiendo todos ellos en ortofosfatos que son los que se determinan por análisis químico.

Aniones: se utiliza esta caracterización como indicación del tipo de contaminación en el cuerpo hídrico. Los cloruros indican salinidad, los nitratos indican contaminación agrícola, los nitritos indican actividad bacteriológica, los fosfatos indican detergentes y fertilizantes, los sulfuros indican acción bacteriológica anaerobia (aguas negras, etc.), los cianuros indican contaminación de origen industrial, los fluoruros en algunos casos se añaden al agua para la prevención de las caries, aunque es una práctica muy discutida.

Cationes: esta caracterización también se utiliza como indicación del tipo de contaminación en el cuerpo hídrico. El sodio indica salinidad, el calcio y el magnesio están relacionados con la dureza del agua, el amonio indica contaminación con fertilizantes y heces, metales pesados son de efectos muy nocivos; se bioacumulan en la cadena trófica; (se estudian con detalle en el capítulo correspondiente).

Compuestos Orgánicos: Los aceites y grasas procedentes de restos de alimentos o de procesos industriales (automóviles, lubricantes, etc.) son difíciles de metabolizar por las bacterias y flotan formando películas en el agua que dañan a los seres vivos. Los fenoles pueden estar en el agua como resultado de contaminación industrial y cuando reaccionan con el cloro que se añade como desinfectante forman clorofenoles que son un serio problema porque dan al agua muy mal olor y sabor. La contaminación con pesticidas, petróleo y otros hidrocarburos se estudia con detalle en los capítulos correspondientes.

Características Biológicas: de determina la presencia de microorganismos y organismos que determinan las clases de contaminación; las bacterias coliformes indican la presencia de desechos fecales, los virus indican desechos fecales y restos orgánicos y las plantas, animales y microorganismos en gran cantidad indican eutrofización.

Control De La Contaminación Del Agua Superficial por fuentes no puntuales.La principal fuente no puntual de la contaminación del agua en la agricultura. Los agricultores pueden reducir drásticamente el vertimiento de fertilizantes en las aguas superficiales y la filtración a los acuíferos, usando cantidades prudentes de fertilizantes y no usar ninguno en zonas de pendientes, además pueden plantar zonas amortiguadoras de vegetaciones o cercas vivas. Además deben reducir el uso de plaguicidas. En el caso de la ganadería se puede reducir la escorrentía y filtración de estiércol de los corrales y las cuadras, manejando la densidad animal, plantando zonas amortiguadoras y ubicándose en zonas lejanas a fuentes superficiales. Otra forma de disminuir la contaminación no puntual en suelos erosionados es reforestando las cuencas hídricas.

Control De La Contaminación Del Agua Superficial por Fuentes Puntuales

Tratamiento PrimarioLa primera etapa de un sistema de tratamiento de residuos líquidos incluye normalmente, la separación de sólidos y material no disuelto (ej.: grasas, coloides), neutralización de pH, regulación de caudal y estabilización térmica.

La variedad de sistemas disponibles comercialmente es muy amplia para una completa revisión aquí. Los sólidos más gruesos se eliminan a través de cribaje, mientras que aquellos de menor tamaño se eliminan usando mecanismos de sedimentación o flotación. Los principios básicos se revisan a continuación. Primeramente, será necesario neutralizar y estabilizar el flujo y composición del efluente.

Neutralización y Regulación de Caudal

- Neutralización de pH: se aplica cuando el efluente tiene un pH fuera de los límites aceptables. Normalmente, se usan ácidos (o bases) para llevar el pH a un rango cercano a 7. En aquellos casos donde existan líneas ácidas y básicas de concentraciones similares, será posible neutralizarlas mezclándolas con anterioridad al tratamiento primario.En la actualidad, se usa sistemas automáticos de control de pH, los que permiten una buena regulación del pH frente a cambios de carga y flujo.

- Estabilización de Flujo: normalmente, el flujo y composición de los residuos líquidos presenta enormes variaciones durante la operación rutinaria de la planta, reflejando diferentes operaciones que tienen lugar durante el proceso (ej.: lavado de los reactores). Ello puede presentar serios problemas, particularmente para las operaciones de tratamiento secundario, que se caracterizan por ser procesos muy lentos, cuya eficiencia es muy sensible a las variaciones de flujo y concentración. Para garantizar un flujo y carga lo más constante posibles se puede usar un tanque de almacenamiento (homogeneizador), con un tiempo de residencia lo suficientemente largo como para amortiguar las variaciones. Un tiempo de residencia muy largo, implicará un tanque de mayor volumen (es decir, mayor costo), y puede dar lugar a crecimiento microbiano, malos olores, etc..

- Eliminación de Sólidos Gruesos Los sólidos gruesos flotantes (ej.: astillas, corteza), pueden ser eliminados a través de cribas o tamices. Se debe especificar la anchura del canal y de las barras de la criba, sobre la base de la velocidad requerida para evitar la sedimentación de los sólidos. Dicha velocidad de flujo a través de la criba debe exceder 0,5 m/s, lo cual requiere de una adecuada selección de la anchura del canal. Los sólidos son removidos mecánicamente (dragas), en forma continua.

Las arenas y gravas se deben eliminar para evitar la abrasión. Un desarenador bien diseñado debe remover al menos 95% de las partículas con diámetro mayor de 0,2 mm

Sedimentación Primaria Se debe retirar los sólidos suspendidos (0,05-10 mm en diámetro), cuando estos están presentes en gran cantidad. No es esencial removerlos antes del tratamiento biológico, pero su separación física (primaria), puede conducir a la eliminación de un 30-40% de DBO (dependiendo de la biodegradabilidad de los sólidos). Así, se puede reducir la carga orgánica para el tratamiento biológico, y reducir la cantidad de lodos biológicos generados. La sedimentación es, por lo tanto, el proceso de tratamiento de aguas más usado.

Un tanque ideal debe tener 4 características:

- La zona de entrada debe facilitar la reducción y uniformización de la velocidad del efluente.

- Un canal de salida, para captar el líquido clarificado, con trampas para el material flotante (ej.: aceites).

- Una zona de sedimentación que representa la capacidad del tanque. En esta zona tiene lugar la sedimentación, y no debe presentar cortocircuitos o áreas estancadas.

- Una zona de almacenamiento y eliminación de los sedimentos.

Flotación

La flotación se usa para eliminar sólidos y material no disuelto agregando burbujas de aire para lograr una densidad aparente menor que la del líquido. También se utiliza para concentrar los lodos. Existen dos tipos de flotación que son:

- Flotación de aire disuelto (FDA): se agrega aire a alta presión, esto forma microburbujas que atrapan los sólidos suspendidos o quedan atrapadas entre los flóculos en formación. Los parámetros de diseño deben ser obtenidos en el laboratorio porque la flotación depende del tipo de superficie y de partícula. Se utiliza para la separación y recuperación de fibra celulósica, grasas, carbohidratos y proteínas.

- Electroflotación. Consiste en un tanque y varios ánodos. Se aplica directamente corriente usando un voltaje de 10 a 15 voltios. Los cationes formados en el cátodo neutralizan las cargas negativas de las partículas, las que coagulan y luego son flotadas por las microburbujas formadas electrolíticamente. Permite tratar aguas con concentraciones de sólidos flotantes de 9-12%, comparados con 3-5% en el caso de la FAD.

Tratamiento Secundario

El material orgánico solubilizado o en estado coloidal, puede ser utilizado como fuente de carbono por parte de microorganismos existentes en el medio (aeróbico o anaeróbico), transformándolos en subproductos volátiles y en componentes celulares. A su vez, las células microscópicas pueden ser separadas del efluente, utilizando técnicas de separación sólido/líquido. Los sistemas de tratamiento secundario son clasificados como película fija o crecimiento suspendido. En los sistemas fijos de película –como los filtros de roca- la biomasa crece en el medio y el agua residual pasa a través de él. En el sistema de crecimiento suspendido –como lodos activos- la biomasa está bien combinada con las aguas residuales. Típicamente, los sistemas fijos de película requieren superficies más pequeñas que para un sistema suspendido equivalente del crecimiento, sin embargo, los sistemas de crecimiento suspendido son más capaces ante choques en el cargamento biológico y provee cantidades más altas del retiro para el DBO y los sólidos suspendidos que sistemas fijados de película.

En estos sistemas, los contaminantes orgánicos son degradados por organismos que los transforman en compuestos más sencillos, de fácil eliminación (ej.: CO2, CH4) o incorporados al proceso de síntesis de material celular y, por lo tanto, concentrados en la biomasa. Esta última puede entonces ser eliminada con más facilidad por procesos de separación sólido-líquido.Los microorganismos juegan un papel fundamental en los sistemas de tratamiento de residuos líquidos. En términos generales, los microorganismos heterótrofos necesitan carbono, nitrógeno, fósforo y trazas de metales para llevar a cabo las reacciones metabólicas y reproducirse. Dichos microorganismos se clasifican en aeróbicos y anaeróbicos:

Organismos Aeróbicos: Son aquellos que requieren oxígeno para llevar a cabo sus reacciones metabólicas. Generan CO2 como subproducto.

Organismos Anaeróbicos: Son aquellos que crecen en ausencia de oxígeno. Generan CO2, CH4 y compuestos orgánicos de bajo peso molecular como subproductos.

Aquellos organismos aeróbicos y anaeróbicos que sólo pueden sobrevivir en su respectivo ambiente (es decir, en presencia y ausencia de oxígeno, respectivamente), se denominan organismos aeróbicos obligados y organismos anaeróbicos obligados, respectivamente.

Los organismos que pueden sobrevivir en ambos ambientes se denominan organismos facultativos.

Tratamientos Aerobios

En este tratamiento se degrada la materia por microorganismos aerobios, para aumentar su eficiencia es recomendable usar aireación.

Aireación Las moléculas de oxígeno son transferidas por difusión, a través de la película líquida que se forma en torno a la burbuja de aire.

Existen dos técnicas generales de aireación: mecánica y por difusores.- Aireación Mecánica: La agitación en la interface aire-líquido produce miles

de gotas que entran en contacto con la atmósfera. Existen diversos diseños (ej.: sistemas superficiales, chorros de líquido, y sistemas combinados (agitación y aspersión)). Los aireadores superficiales pueden ser montados verticalmente (en casi todos los casos, de turbina) u horizontalmente (sólo en el caso de zanjas de oxidación, de paletas). La tasa estándar de aireación es del orden de 1 - 3 (kg O2/kWh).

- Aireación por Difusores: Los difusores están montados en el fondo del reactor y el aire se alimenta en burbujas. La transferencia de oxígeno tiene lugar durante el ascenso de las burbujas. Las corrientes generadas debido al burbujeo ayudan a agitar la mezcla de líquido y microorganismos. Normalmente, no todo el O2 alimentado es transferido, y la eficiencia de utilización en los sistemas de difusores, es baja (1-15%). Se tiene una capacidad de aireación en el rango 0,5-2 (kg O2 /kWh).

Lagunas de Aireación Son relativamente baratas y, aparentemente, fáciles de operar. Normalmente tienen 2-6 m de profundidad, con una gran superficie. En el caso de las lagunas de maduración, donde se tienen largos tiempos de residencia, la principal fuente de O2 proviene de la actividad fotosintética de las algas, llegándose a niveles de oxígeno disuelto de 20-30 g/m3. En climas con menor disponibilidad de luz solar esto no es muy eficiente. Una buena aireación elimina la presencia de algas y provee una población bacteriana heterotrófica con buenas características de floculación.Los problemas típicos asociados a las lagunas de tratamiento son: mala distribución del líquido en la laguna, variaciones estacionales de temperatura, malos olores, generación de lodos en el efluente y baja eliminación de organismos patógenos.Las lagunas de aireación se justifican en aquellos casos donde existe una adecuada disponibilidad de terreno a bajo costo.

Sistemas de Lodos Activados es un sistema de tratamiento biológico de mayor velocidad de degradación. El sistema consta de dos etapas básicas:- Biorreactor aireado: Donde la biomasa natural (lodos activados)

degrada/metaboliza los componentes orgánicos; se forman flóculos.- Sedimentador: Donde los flóculos (lodos) son separados del líquido

clarificado y parcialmente reciclados al biorreactor. Filtros Biológicos

Son sistemas de tratamiento biológico basado en microorganismos inmovilizados en lechos de roca u otro material inerte o sintético más liviano y de grande área específica; los de material sintético pueden tener profundidades hasta de 12 m y los de roca 3 m, la masa molecular

formada(microorganismos) es arrastrada por el efluente y separada en un sedimentador secundario. En ocasiones el efluente se recircula.

Clarificador secundario Todos los tratamientos biológicos generan biomasa a una taza alrededor de 0.5(kg biomasa removido); esta biomasa en forma de microorganismos debe separarse de la efluente antes de que sea emitida, esta separación debe ser realizada por un sedimentador, clarificador o cualquier otro mecanismo de separación solido - liquido.

Tratamiento Anaerobio

Aún cuando los procesos aeróbicos han monopolizado el tratamiento secundario de las descargas industriales, en la actualidad existe un enorme impulso para aprovechar los avances experimentados en el procesamiento anaeróbico. El proceso anaeróbico se usa masivamente en el tratamiento de los lodos producidos por los procesos aeróbicos; de esta manera se reduce el volumen final de los lodos, se estabilizan biológicamente (eliminación de patógenos) y se aprovecha parte del potencial energético.Entre las ventajas de los procesos anaeróbicos se puede citar:

Integración energética (produce CH4, 0,35 (m3 std/kg DBO removido)). Menor producción de biomasa (1/3-1/5 de lo que genera un proceso aeróbico). Menores requerimientos de nutrientes inorgánicos. No se requiere aeración; menores costos energéticos. Se pueden dejar sin uso por largos períodos (1-25 año) y se reactivan

rápidamente (1-3 días). Resistente a choques orgánicos.

Entre sus principales limitaciones, se pueden mencionar: Menor tasa de eliminación de DBO por unidad de biomasa. La puesta en marcha inicial puede demorar meses (1-6 meses). La retención de biosólidos es crítica, debido a la baja tasa de producción de

lodos (0,04-0,08 kg/kg DBO). Debido a las condiciones reductoras, se producen también muchos otros

compuestos (H2S, mercaptanos, ácidos orgánicos y aldehídos) produciendo corrosión y malos olores.

Sensible a ciertos inhibidores y compuestos tóxicos (ej.: O2, H2O2, Cl2, H2S, HCN, SO3)

La degradación anaeróbica es un proceso de biodegradación en múltiples etapas, que incluye un amplio rango de bacterias, las cuales se pueden agrupar en 3 categorías:

Los compuestos de alto peso molecular (ej.: proteínas) sufren primero hidrólisis y son transformados en moléculas simples (azúcares, glicerol, etc), las que luego son convertidas en ácidos orgánicos, H2 y CO2 por las bacterias acidificantes.

Los ácidos mayores son entonces convertidos a ácido acético y H2 por las bacterias acetogénicas.

La etapa final (metanogénesis) incluye a tres tipos de bacterias que metabolizan CO2, H2, metanol, ácido fórmico y ácido acético a metano.

Lagunas Anaeróbicas Son el sistema anaeróbico más antiguo en uso (desde los años 40). La laguna está cubierta con material plástico para mantener condiciones anóxicas, recolectar el CH4 y controlar los malos olores. Las bacterias anaeróbicas se desarrollan y permanecen suspendidas gracias a la convección producida por

los gases generados. Se puede mejorar la agitación con agitadores de baja velocidad y reciclo de sólidos. Las lagunas anaeróbicas permiten tratar los lodos residuales de tratamientos aeróbicos a muy bajo costo. Permite también estabilizar el flujo de los efluentes debido a su gran volumen.

• Proceso Anaeróbico de Contacto Es similar a un proceso de Lodos Activados pero en condiciones anaeróbicas. La reacción tiene lugar en un reactor agitado, donde se incluyen los nutrientes requeridos, con control de T y pH. El efluente pasa a un tanque desgasificador donde se permite flocular a la biomasa antes de entrar a un sedimentador, que permite reciclar parte de la biomasa para mantener una alta concentración de biomasa en el reactor. • Sistemas de Flujo Ascendente UASB (Upflow Anaerobic Sludge Branket):Desarrollado en la Universidad de Wageningen (Paises Bajos) en los años 70. Es uno de los avances más espectaculares en sistemas anaeróbicos de alta tasa. Las bacterias forman gránulos densos que tienden a sedimentar y se mantienen como un manto en el fondo del reactor. La alimentación entra por la parte inferior del reactor. Sobre el lecho existe una zona de manto más floculado (3-10 kg lodos/m3). En el tope del reactor hay un separador de fases, para separar el biogas de los sólidos atrapados en las burbujas ascendentes. Algunas variantes incluyen reciclo. Las principales ventajas del UASB son: tiene una puesta en marcha rápida, cuando se usa un inóculo obtenido de una planta existente; existe una alta retención de sólidos, lo que permite tratar aguas con contenido orgánico bajo 0,4 (kg DBO/m3); Se puede utilizar una carga orgánica de 3,5-5 (kg DBO removido m−3 día−1), a 35oC.

• Filtros Anaeróbicos Los filtros anaeróbicos no han encontrado gran acogida en la industria, debido al alto costo del empaque sintético, a pesar de que hay casos exitosos en el sector de bebidas alcohólicas. El concepto es similar al de un filtro aeróbico. Puede operar con cargas orgánicas en el rango 4-15 (kg DBO m−3 día−1).

• Lechos FluidizadosLas bacterias están adheridas a la superficie de partículas de arena, y son mantenidas en suspensión. Es el proceso anaeróbico de alta tasa con mayor carga volumétrica: 17-40 (kg DBO m−3 día−1) y 80-90% eliminación de DBO.

Tratamiento TerciarioEn este tratamiento se busca la eliminación de contaminantes que no son eliminados en las etapas anteriores por que no se degradan ni biológica, ni químicamente de forma natural, porque son tóxicos o remanentes como los metales, el nitrógeno, el fosforo, compuestos coloreados. Esto se logra mediante la aplicación de procesos especializados.