6. Calidad del agua en lagos y embalses
6.5. Estudio de la eutroficación en lagos
o Planctónicas: son aquellas que se mueven libremente en la corriente de agua, incluyen al fitoplancton microscópico, ciertos tipos de malezas acuáticas y algas verdeazuladas.
o Plantas enraizadas o fijadas en el lugar: incluyen plantas acuáticas enraizadas de varios tamaños y algas bénticas que son plantas fijas microscópicas.
• Definición y concepto de eutroficación
Es un desarrollo excesivo de las plantas acuáticas (o dicho de otra manera aumento de la producción primaria), tanto fijas como planctónicas, a un nivel tal que interfiere con los usos del agua.
La principal causa de este proceso es el enriquecimiento excesivo de las aguas con nutrientes vegetales inorgánicos, principalmente nitrógeno y fósforo.
• Descripción de los nutrientes
o Formas en la que se pueden encontrar los nutrientes
Los nutrientes se encuentran presentes en varias formas en los cuerpos de agua y no todos pueden ser empleados por el fitoplancton en su metabolismo:
fósforo (P) : se puede encontrar como:
• fósforo total disuelto: está compuesto por varias formas, una de las cuales es el fósforo disuelto reactivo que es el que emplea el fitoplancton.
• fósforo total particulado: estas formas incluyen partículas de fósforo inorgánico provenientes del suelo, transportadas por escurrimiento superficial y partículas de fósforo orgánico, como detritos y fósforo del fitoplancton.
Nitrógeno (N): el nitrógeno total está integrado por 4 componentes principales: nitrógeno orgánico; amonio; nitrito y nitrato. Los tres últimos componentes corresponden al nitrógeno total inorgánico, que es la forma empleada por el fitoplancton para su crecimiento.
La forma orgánica representa tanto los componentes particulados como disueltos, los particulados a su vez están compuestos por partículas de detritos orgánicos y fitoplancton.
Ilustración 24: Comportamiento del fitoplancton en un lago.
• Fuentes de los nutrientes
Las principales fuentes externas de nutrientes a un sistema lacustre son: o Descargas municipales o Descargas industriales o Escorrentía agrícola o Escorrentía forestal o Escorrentía urbana o Aporte atmosférico
En los siguientes cuadros se resumen algunos de los valores más comunes
Tabla 6: Descargas de nutrientes de fuentes no puntuales
• Análisis de la relación Nitrógeno-fósforo o Introducción
Analizamos esta relación para saber que descargas deben ser controladas, si las de fósforo, nitrógeno o ambas y cuál es la cantidad de nutrientes que puede ser descargada de forma tal de mantener controlada la biomasa de las plantas.
o Control de la biomasa por el nutriente limitante Nutriente limitante
Es el nutriente que controlará el desarrollo de la biomasa, por lo tanto podemos decir que es aquel que se encuentre en más baja concentración o que llegue a un valor mínimo antes que los demás nutrientes.
Análisis gráfico del nutriente limitante
Analizando las figuras, podemos advertir que el nutriente limitante será aquél que surja del análisis dos consideraciones importantes:
• Las cantidades relativas de nitrógeno y fósforo requeridas por las plantas.
• Las cantidades de nitrógeno y fósforo disponibles inicialmente en el cuerpo de agua.
Ilustración 25: Control de la biomasa por el nutriente limitante.
Ejemplo explicativo
Analizando la primera consideración, advertimos que involucra la estequiometria celular de las plantas, que por ejemplo, para el fitoplancton las células contienen 0.5-2 µg de P/ µg de clorofila y contiene 7-10 µg N/ µg de clorofila, entonces como se advierte en la figura si el nitrógeno disponible inicialmente fuese 5mg N/l de agua, y asumimos una estequiometria de 10 µg N/ µg de clorofila, entonces la clorofila resultante sería 500 µg clorofila/l de agua.
En forma análoga si existe una cantidad inicial de fósforo disponible de 1 mg/l de agua y asumimos una estequiometria de 1 µg P/ µg de clorofila, la cantidad de clorofila resultante será 1000 µg de clorofila /l de agua.
Concluimos entonces que el valor máximo de clorofila no se podrá lograr debido a que el nitrógeno actúa como limitante y si el fósforo fuese el nutriente a controlar, debido a que por ejemplo es menos costoso controlarlo, y el nivel deseado de clorofila fuese de 50 µg/l de agua, tendríamos que la concentración inicial de fósforo debería ser reducida a 50 µg/l.
o Análisis de la concentración de clorofila
Teniendo en cuenta lo anteriormente explicado podemos expresar la concentración de clorofila como:
o Gráfico de N vs P
Si analizamos el gráfico de concentración de “N vs P”, se ven las regiones controladas por el N o P, según la relación N/P, en este gráfico se ha empleado la relación N/P = 10 y se puede ver que si N/P<10, entonces el nitrógeno es el que limita, si N/P>10 entonces el fósforo es el que limita y si N/P=10 ninguno limita. Este análisis simple dependerá de la estequiometria de la planta a adoptar.
Ilustración 26: Regiones controladas por N o P según la relación N/P.
• Variables fundamentales en el análisis de la eutroficación o Radiación solar superficial y en la profundidad del lago.
o Geometría del cuerpo de agua: área superficial y del fondo, profundidad y volumen.
o Temperatura del agua
o Nutrientes: fósforo, nitrógeno, sílice etc. o Fitoplancton: clorofila “A”
• Mecanismos básicos de eutroficación o Fotosíntesis
La esencia de este proceso se centra en la clorofila de las plantas, que utiliza la energía del solo para convertir el agua y el dióxido de carbono en glucosa y liberar oxígeno.
Este proceso se puede resumir en la siguiente expresión:
Como se ve en la fórmula la fotosíntesis produce un aumento en el oxigeno disuelto del cuerpo de agua, y debido a que la fotosíntesis depende de la energía solar esta producción de oxígeno es posible durante las horas de sol. Paralelamente a esta producción diurna de oxigeno las requieren este elemento en forma continua para su respiración.
o Ciclo del desarrollo del fitoplancton
El incremento de la radiación solar provee la fuente de energía para la fotosíntesis, la biomasa fitoplanctonica comienza a incrementarse a medida que aumenta la temperatura del agua y entonces el plancton utiliza los nutrientes disueltos. Esto continua así hasta que los nutrientes llegan a un nivel insuficiente para sustentar el crecimiento, entonces el incremento en la biomasa fitoplanctonica cesa. Este decrecimiento también se debe a la predación por parte del zooplancton.
Generalmente se produce un nuevo desarrollo del plancton hacia fines de verano o principios de otoño debido al reciclo de nutrientes.
Luego la biomasa vuelve a declinar a medida que lo hace la radiación solar y la temperatura al acercarse el invierno.
Ilustración 27: Ciclo del desarrollo del fitoplancton.
• Efectos de la eutroficación
o Efectos de la eutroficación en los usos del agua Interferencia estética y recreacional
Grandes variaciones diurnas de oxigeno disuelto, que resultan en bajos niveles durante la noche, con el consecuente riesgo para la vida acuática.
El fitoplancton y as malezas acuáticas sedimentan en el fondo creando una demanda béntica de oxígeno, lo cual provoca bajos niveles de oxigeno disuelto en la parte más profunda del lago (hipolimnion).
Obstrucción de los sistemas de captación de agua potable por grandes diatomeas (fitoplancton que requiere sílice) y algas filamentosas.
Interferencia en la navegación y capacidad de conducción en las diferentes vías.
o Efectos ecológicos de la eutroficación
El crecimiento de la población vegetal, se incrementa y ocasiona el aumento de macrófitos en las zonas litorales de los lagos.
La entrada excesiva de nutrientes vegetales (N y P) provocan floraciones de algas masivas, tales floraciones ocasionan una reducción alarmante de la transparencia del agua al aumentar la turbidez oscurecimiento que puede provocar la muerte de macrófitos, además si consideramos los aspectos estéticos, las floraciones son bastantes desagradables, al aparecer masas de aspecto limoso, de olor fuerte y rodeadas de moscas.
También se produce un aumento pronunciado de detritus orgánico, ocasionado por las poblaciones masivas de algas que mueren que potencia la descomposición del lecho del lago y si se produce estratificación termal esto conlleva a la rápida desoxigenación del hipolimnion. Esta serie de actividades puede diezmar las comunidades de invertebrados y alterar especies de peces. Otras consecuencias para el medio ambiente son las alteraciones de la estructura del hábitat por la pérdida de macrófitos, la pérdida de lugares de desove de peces y de hábitat de vida para peces e invertebrados. Entre las consecuencias para la cadena alimentaria se encuentra la reducción de alimento de peces y aves que se nutren a su vez de peces y plantas.
En casos extremos de eutroficación, la producción primaria resulta tan elevada que la consiguiente descomposición de materia orgánica y la respiración nocturna desoxigenan completamente el agua, lo que puede originar la completa desaparición de peces e invertebrados.
o Efectos en el hombre
La eutroficación se produce a menudo en grandes embalses que se utilizan para el consumo, recreo y pesca. Estos cambios encarecen el costo de los tratamientos del agua para convertirla en agua potable.
También el agua turbia tiene mal olor debido a la pudrición de las algas en las márgenes del lago y los enjambres de mosquitos son muy molestos.
Los problemas de depuración y abastecimiento de agua aparecen cuando se intenta obtener agua potable de los lagos y su origen reside en que el aumento del fitoplancton obstaculiza el proceso de filtración.
Por otro lado, diminutas células de algas, se pueden colar en el abastecimiento y descomponerse en las tuberías lo que favorecería la aparición de bacterias y hongos, que a su vez, alteren el sabor, olor y color del agua potable.
También las algas verdiazules pueden ser tóxicas para animales y humanos.
• Reducción y control del crecimiento vegetal
Son muchos los métodos para controlar la eutroficación, tales como el control de la liberación de nutrientes o la eliminación de estos. El control de la liberación de nutrientes se consigue mejor al limitar la carga de fosfato, pero para el agua potable
de consumo humano también se debe reducir el nitrógeno, mediante un proceso biológico con bacterias (nitrificación y desnitrificaión).
El control de la contaminación orgánica se consigue mediante tratamientos de residuos para eliminar nutrientes.
Otro método puede ser desviar el vertido de efluentes del lago hacia el mar.
Otro método para la eliminación de nutrientes es utilizar productos químicos para reducir el nivel de fosfato tales como sulfato de hierro o la eliminación de los fosfatos de detergentes u otros elementos que los contengan.
Otro procedimiento puede ser la eliminación de los sedimentos mediante dragado. También se puede sellar el lecho o fondo del lago con membranas de polietileno y una capa de arena sobre ella para prevenir el intercambio de fósforo entre el agua y los sedimentos, la membrana debe tener agujeros para permitir la liberación de gases anaeróbicos (CH4, H2S etc.).
Otro método consiste en manipular el hipolimnion mediante aireación con incremento de la circulación superficial para evitar las floraciones de algas, evitando que el alga ya existente permanezca durante mucho tiempo en la zona Eufótica.
• Modelos simplificados de fitoplancton en lagos o Origen de los modelos
Estos modelos surgen del desarrollo de análisis empíricos y teóricos de la eutroficación, que pueden ser aplicados fácilmente y sirven para obtener una primera aproximación de los efectos probables de la reducción en las entradas de nutrientes.
La mayoría de los modelos se basan en el balance de masa de nutrientes que se supone limitante, como por ejemplo el fósforo.
El fósforo total se utiliza como indicador del estado trófico de los lagos. o Desarrollo del modelo
Primero VOLENWEIDER relaciono la carga externa de nutrientes (g/m2 superficie del lago por año), con la profundidad de los mismos y descubrió que los lagos se dividen en dos grupos de acuerdo a su estado de eutroficación. Luego otros investigadores continuaron incorporando datos y orientaron el modelo a relaciones semiempíricas para estimar no solo la carga de fósforo sino también la concentración de clorofila.
o Esquema simplificado
Luego CHAPRA y TARAPCHAK resumen el esquema simplificado en los siguientes pasos:
1. Estimar la carga de fósforo total del lago.
2. Determinar la concentración media anual de fósforo total en el lago.
3. Estimar la concentración de primavera de fósforo total en el lago a partir de la concentración media anual.
4. Calcular la concentración media de clorofila de verano a partir de la concentración de fósforo total de primavera.
o Balance de masa de fósforo Introducción
Dado que en general el fósforo es el nutriente limitante se realiza el balance de éste, un balance similar se debería realizar para en nitrógeno.
Suposiciones empleadas en el análisis • Lago completamente mezclado • Estado estacionario
• Fósforo como limitante
• Fósforo total utilizado como medida del estado trófico
Como podemos ver la primera suposición ignora la estratificación térmica y la consiguiente intensificación del fitoplancton en el Epilimnio. La segunda suposición ignora el comportamiento dinámico como se mostró en las figuras 14 y 16.
La tercera considera un solo nutriente.
Pero a pesar de la severidad o poca flexibilidad de las suposiciones el método funciona bien.
• Ecuación básica para el fósforo total (
Para (3)
Ilustración 28: Balance de fósforo en un lago mezclado.
Y si definimos la carga por unidad de superficie (W`) y la tasa de sobreflujo hidráulico (q) como:
;
La ecuación (4) queda:
Una expresión alternativa de la ecuación (2) puede expresarse como:
Donde ;
• Estimación de Ks y vs
La dificultad de usar las ecuaciones 7 y 8 es que vs y Ks no están disponibles fácilmente, debido a su dificultad de medición.
Sin embargo, si se dispone de información de las entradas y salidas del lago se puede estimar Ks.
Supongamos que se examinan cierta cantidad de lagos donde Ptot. , W`, H y σ pueden ser estimados, luego la ecuación (8) permite estimar Ks. VOLLENWEIDER dedujo que:
Para H= [m]; vs = [1/año]
Y dado que
tenemos que:
• Expresión final para el fósforo total
Reemplazando la ecuación 10 en la 8, la expresión para el fósforo total queda:
• Determinación de W` permisible
Si ahora se fija un nivel aceptable de fósforo total, se puede calcular el W` permisible para ese nivel de fósforo total.
Como guía se sugieren los siguientes valores de fósforo total:
o
o
Entonces teniendo en cuenta la ecuación 12 podemos despejar el W` permisible:
También podemos determinar
en función de H, σ y Ptot. Utilizando la figura en la que se ha expresado en forma gráfica la expresión de VOLLENWEIDER:
Ilustración 29: Relación entre carga de nutriente y estado trófico.
o Balance de masa de fósforo sencillo en un lago
El fósforo es el nutriente más usual que limita el proceso de eutroficación en un lago.
A continuación se define la ecuación para un balance de materia simple de fósforo, ilustrándose también en la figura 19:
Ilustración 30: Balance de materia del fósforo en un lago.
En este caso se supone que no hay generación de fósforo en el interior del
lago, se supone también condiciones de estado estacionario ( ), también se presume que la concentración de fósforo de salida del lago es la misma que la del propio lago y que el caudal de entrada es igual al caudal de salida, luego la ecuación se vuelve a escribir como:
Ejemplo explicativo
Un lago de 20 km2 de superficie tiene un caudal de entrada de aportaciones de 10 m3/s con CPen = 0.01mg/l. Una depuradora de aguas residuales urbanas vierte el agua depurada con un caudal de 0.05m3/s y una CPen =10 mg/l. Determinar la concentración de fósforo en estado estacionario dentro del lago. Se supone una velocidad de sedimentación de v ≈ 20 m/año (0.6 x 10-6 m/s).
Determinar la concentración permisible en el vertido de aguas residuales si la Cp máxima en el lago es 0.01 mg/l.
Solución:
Es necesaria una reducción en la concentración de P en el afluente de agua residual:
Por tanto:
La concentración de P aceptable en el vertido de agua residual debe ser menor de 2.41 mg/l.