ediciones
de laCALIDAD DEL AGUA
– Evaluación y diagnóstico –
Carlos Alberto Sierra Ramírez
M.Sc. Water Resources Engineering– Evaluación y diagnóstico –
1a edición 2011
© Universidad de Medellín © Ediciones de la U
© Carlos Alberto Sierra Ramírez ISBN: 978-958-8692-06-7 Editor:
Leonardo David López Escobar
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GRACIAS por permitirme ser parte de su formación como personas.
SATISFACCIÓN… la que se siente al verlos triunfar.
ORGULLO, el que embarga cuando saludan después de algún tiempo.
GANAS de seguir adelante las que dan cuando, ya como colegas, consultan y piden opiniones. En fin, muchachos…, GRACIAS, por haberlos conocido.
PRESENTACIÓN ... 23
CAPÍTULO 1 Conceptos generales 1.1 CLASIFICACIÓN DE LOS CUERPOS DE AGUA ... 27
1.2 IMPORTANCIA DEL RECURSO AGUA ... 28
1.3 EL AGUA Y EL MUNDO ... 29
1.4 LOS RECURSOS HÍDRICOS EN COLOMBIA ... 32
1.4.1 Vertientes ... 32
1.4.2 Aprovechamiento de los recursos hídricos en Colombia ... 32
1.5 NATURALEZA DEL PROBLEMA ... 34
1.5.1 Los problemas de contaminación, sus efectos deteriorantes y las variables asociadas con la calidad del agua. ... 34
1.5.2 Perspectiva general ... 34
1.6 DEFINICIÓN DE TÉRMINOS Y CONCEPTOS BÁSICOS EN EL ANÁLISIS DE LA CALIDAD DEL AGUA ... 37
1.6.1 Concepto de carga y flujo de contaminantes ... 37
1.6.1.1 Concepto de carga contaminante (W)... 37
1.6.1.2 Concepto de flujo contaminante (J) ... 37
1.6.2 Expresiones y términos utilizados en calidad del agua ... 38
1.6.2.1 Reacciones químicas ... 39
1.6.2.2 Concentración ... 41
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ... 43
CAPÍTULO 2 Características físicas, químicas y biológicas del agua 2.1 DEFINICIÓN DE CALIDAD DEL AGUA ... 47
2.2 AGUA CRUDA O EN ESTADO NATURAL (SIN TRATAMIENTO) ... 48
2.3 AGUAS RESIDUALES ... 50
2.6 PARÁMETROS FÍSICOS, QUÍMICOS Y BIOLÓGICOS ... 55 2.6.1 Parámetros físicos ... 55 2.6.2 Parámetros químicos ... 59 2.6.2.1 Indicadores ... 59 2.6.2.2 Sustancias químicas ... 69 2.6.3 Características biológicas ... 78
2.7 RESUMEN SOBRE LAS CARACTERÍSTICAS FÍSICAS, QUÍMICAS Y BIOLÓGICAS DEL AGUA ... 81
EJERCICIOS PROPUESTOS ... 88
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ... 90
CAPÍTULO 3 Introducción a la toxicología acuática 3.1 GENERALIDADES SOBRE TOXICOLOGÍA ACUÁTICA ... 93
3.2 CLASIFICACIÓN DE LOS TÓXICOS ... 94
3.3 LOS BIOENSAYOS ... 96
3.4 TOXICIDAD AGUDA Y CRÓNICA ... 99
3.5 EVALUACIÓN DE LOS RESULTADOS DE TOXICIDAD ... 101
3.5.1 Unidades de toxicidad ... 103
3.5.2 Aplicación de los resultados de los ensayos de toxicidad ... 106
3.5.2.1 Aplicación de los datos para la protección contra la toxicidad aguda. ... 106
3.5.2.2 Protección contra la toxicidad crónica ... 107
EJERCICIOS PROPUESTOS ...110
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ...111
CAPÍTULO 4 Usos y criterios de calidad del agua 4.1 RELACIÓN ENTRE PARÁMETROS DE CALIDAD DEL AGUA Y SUS USOS BENÉFICOS ...117
4.2 CRITERIOS DE CALIDAD DEL AGUA ...118
4.3 CONTAMINANTES DE INTERÉS SANITARIO ... 136
4.4 RESUMEN SOBRE USOS BENÉFICOS DEL AGUA ... 137
4.5 ESTABLECIMIENTO DE USOS Y OBJETIVOS DE CALIDAD DEL AGUA EN UN RECURSO HÍDRICO ... 137
Índices de calidad del agua
5.1 DEFINICIÓN DE ÍNDICE DE CALIDAD DEL AGUA ... 149
5.2 EMPLEO DE ÍNDICES DE CALIDAD DEL AGUA ...151
5.3 EL CONCEPTO DE FUNCIÓN DE CALIDAD DEL AGUA ... 152
5.4 CONSTRUCCIÓN DE ÍNDICES DE CALIDAD DEL AGUA ... 153
5.4.1 Metodología para la construcción de un índice de calidad del agua ... 153
5.4.1.1 Primer paso: Definir el (los) objetivo(s) para el cual se va a utilizar el IQA. ... 153
5.4.1.2 Segundo paso: Seleccionar los parámetros por incluir en el IQA .. 153
5.4.1.3 Tercer paso: Formular la expresión matemática para calcular el IQA. ... 154
5.4.2 Aplicación del método para la construcción de un IQA ... 155
5.5 ÍNDICES DE CALIDAD CON BASE EN LAS CARACTERÍSTICAS FISICOQUÍMICAS DEL AGUA... 160
5.6 ÍNDICES BIOLÓGICOS DE CALIDAD DEL AGUA (IBA) ...161
5.6.1 El indicador ideal ...161
5.6.2 Macroinvertebrados acuáticos como indicadores de contaminación orgánica ... 163
EJERCICIOS PROPUESTOS ... 165
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ... 167
CAPÍTULO 6 Manejo y análisis de datos de calidad del agua 6.1 MANEJO, ALMACENAMIENTO Y ACCESO A DATOS DE CALIDAD DEL AGUA ...172
6.2 ESTADÍSTICAS BÁSICAS ...173
6.2.1 Medidas de tendencia central y cuartiles. ...176
6.2.2 Medidas de dispersión o variabilidad. ...177
6.3 DISTRIBUCIONES ...178
6.3.1 Aplicación de la distribución normal al análisis de datos de calidad del agua ... 182
6.3.1.1 Método visual para chequear la normalidad de los datos ... 184
6.3.1.2 Método gráfico para chequear la normalidad de los datos ... 184
6.4 PRUEBAS O CONTRASTE DE HIPÓTESIS (LA PRUEBA t DE STUDENT) ... 190
6.5 CORRELACIÓN Y ANÁLISIS DE REGRESIÓN... 199
6.5.1 Correlación ... 200
6.5.2 Análisis de regresión ... 201
6.6 PRESENTACIÓN DE DATOS ... 206
6.6.1 Tipos de presentaciones gráficas ... 207
6.6.2 Gráficos de series de tiempo ... 207
6.6.3 Resumiendo las características de calidad del agua (diagramas de caja). 208 6.7 ERRORES ... 209
6.7.1 Validación de los datos ... 209
6.7.1.1 Outliers (puntos extremos o raros) ... 209
6.7.1.2 Calidad de los datos y datos faltantes ...210
6.7.2 Errores estadísticos ...210
EJERCICIOS PROPUESTOS ...211
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ... 213
CAPÍTULO 7 Monitoreo de calidad del agua 7.1 ASPECTOS GENERALES SOBRE MUESTREO ... 218
7.1.1 Representatividad de la muestra ... 218
7.1.2 Técnicas de muestreo apropiadas ... 218
7.1.3 Preservación de las muestras ... 218
7.1.4 Análisis de datos ... 218 7.2 TIPOS DE MUESTRAS ... 219 7.2.1 Muestra instantánea ... 219 7.2.2 Muestra compuesta ... 220 7.2.3 Muestra integrada ... 221 7.3 CLASES DE MUESTREO ... 221 7.3.1 Muestreo manual ... 221 7.3.2 Muestreo automático ... 221 7.4 FRECUENCIA DE MUESTREO ... 221
7.5 IDENTIFICACIÓN DE LAS MUESTRAS ... 222
7.8 EQUIPOS DE MUESTREO ... 224
7.8.1 Muestreadores manuales ... 224
7.8.2 Muestreadores automáticos ... 225
7.8.2.1 Muestreador no proporcional ... 225
7.8.2.2 Muestreadores para aguas residuales ... 226
7.8.3 Muestreadores para biota ... 228
7.8.4 Sensores ... 228
7.9 UBICACIÓN DE LAS ESTACIONES DE MUESTREO ... 229
7.9.1 Toma de muestras en alcantarillados... 229
7.9.2 Toma de muestras en corrientes o canales ... 229
7.9.3 Toma de muestras en lagos o embalses ... 230
7.10 MEDICIÓN DE CAUDALES ... 230
7.11 DISEÑO DE PROGRAMAS DE MUESTREO DE CALIDAD DEL AGUA ... 231
7.11.1 Generalidades ... 231
7.11.2 Número de muestras ... 232
EJERCICIOS PROPUESTOS ... 233
CAPÍTULO 8 Comportamiento de las sustancias contaminantes en el medio acuático 8.1 REACCIONES ... 237
8.1.1 Fundamentos de las reacciones ... 237
8.1.1.1 Tipo de reacciones ... 237
8.1.1.2 Cinética de las reacciones ... 238
8.1.1.3 Reacciones de orden cero, primer y segundo orden ... 239
8.1.2 Análisis de los datos sobre constantes de reacción ... 242
8.1.3 Efectos de la temperatura ... 244
8.2 BALANCE DE MASA ... 245
8.3 CLASIFICACIÓN DE LOS REACTORES ... 246
8.3.1 Reactores por lotes, cochadas o “batch” ... 246
8.3.2 Reactores completamente mezclados... 247
8.3.2.1 Condiciones de estado no estable ... 247
8.3.4 Reactores completamente mezclados en serie ... 250
8.4 MOVIMIENTO DE CONTAMINANTES EN EL MEDIO ACUÁTICO ... 252
8.4.1 Advección ... 252 8.4.2 Difusión - Dispersión ... 254 8.4.2.1 Difusión ... 254 8.4.2.2 Dispersión... 256 8.4.3 Reacciones ... 258 8.4.4 Sumideros ... 258
8.5 ECUACIÓN GENERAL DE BALANCE DE MASA ... 258
8.6 BALANCE DE OXÍGENO ... 259
8.6.1 Componentes principales del análisis de OD ... 259
8.6.2 Inventario de aportantes y consumidores de OD ... 260
8.6.3 Componentes consumidores de oxígeno disuelto ... 262
8.6.3.1 Demanda bioquímica de oxígeno carbonácea ... 262
8.6.3.2 Demanda bioquímica de oxígeno nitrogenada (DBON) ... 267
8.6.3.3 Demanda béntica de oxígeno ... 271
8.6.3.4 Respiración ... 273
8.6.4 Componentes aportantes de oxígeno ... 273
8.6.4.1 Reaireación ... 273
8.6.4.2 Fotosíntesis ... 275
8.6.5 Fuentes puntuales o fuentes distribuidas de contaminación (sumideros) . 275 8.7 BALANCE FINAL DE OXÍGENO ... 276
EJERCICIOS PROPUESTOS ... 276
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ... 277
CAPÍTULO 9 Constantes y coeficientes de reacción 9.1 CONSTANTE DE DESOXIGENACIÓN CARBONÁCEA ... 281
9.1.1 Constante de desoxigenación (k1) ... 282
9.1.1.1 Método logarítmico ... 283
9.1.1.2 Método de Thomas ... 284
9.1.2 Constante de desoxigenación en la corriente receptora (kd) ... 286
9.1.2.1 Método de Bosko ... 287
9.1.4 Comentarios generales acerca de k1, kd y kR ... 291
9.2 CONSTANTE DE NITRIFICACIÓN ... 292
9.2.1 Métodos para calcular kN ... 293
9.2.1.1 Método de Courchaine ... 293
9.2.1.2 Método de Cibulka ... 293
9.2.2 Factores ambientales que afectan la nitrificación ... 296
9.2.3 Comentarios generales acerca de kN ... 297
9.3 CONSTANTE DE REAIREACIÓN ... 297
9.3.1 Reaireación en ríos y corrientes ... 298
9.3.2 Reaireación en ambientes acuáticos lénticos ... 300
9.3.2.1 Lagos y embalses ... 300
9.3.2.2 Estuarios... 301
9.3.3 Comentarios finales acerca de ka ... 301
9.4 FOTOSÍNTESIS - RESPIRACIÓN (F - R) ... 303
9.4.1 Generalidades ... 303
9.4.2 Técnica de las botellas claras y oscuras ... 305
9.5 DISPERSIÓN – DIFUSIÓN ... 308
9.5.1 Coeficiente de difusión en embalses, lagos, etc. ... 308
9.5.2 Coeficiente de dispersión en corrientes (ríos, quebradas, etc.). ... 309
9.5.3 Coeficiente de dispersión en estuarios ...311
9.6 DEMANDA BÉNTICA DE OXÍGENO ...311
9.6.1 Factores que afectan la SOD ...311
9.6.2 Técnicas para medir la SOD... 312
EJERCICIOS PROPUESTOS ...314
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ...315
CAPÍTULO 10 Aplicación de las ecuaciones básicas de transporte de contaminantes a corrientes de agua (ríos, canales, etc.) 10.1 SIMULACIÓN DE OXÍGENO DISUELTO Y DBO ... 320
10.2 DÉFICIT CRÍTICO Y TIEMPO CRÍTICO ... 325
10.3 CARGA ORGÁNICA PERMISIBLE ... 326
EJERCICIOS PROPUESTOS ... 342
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ... 347
CAPÍTULO 11 Estratificación térmica 11.1 LOS CONCEPTOS DE ESTRATIFICACIÓN Y LAGO CÁLIDO TROPICAL ... 353
11.2 IMPORTANCIA DE LA ESTRATIFICACIÓN TÉRMICA ... 355
11.3 ESTRATIFICACIÓN EN LOS CUERPOS DE AGUA ... 356
11.3.1 Comportamiento estacional (termoclina estacional) ... 357
11.3.2 Comportamiento diurno (termoclina diurna) ... 358
11.4 MECANISMOS DE MEZCLA Y TRANSPORTE EN LOS CUERPOS DE AGUA LÉNTICOS ... 360
11.4.1 Acción del viento ... 360
11.4.2 Afloramiento del metalimnio ... 361
11.4.3 Afloramiento del hipolimnio ... 362
11.4.4 Flujos de entrada (afluentes) ... 363
11.5 MÉTODOS PARA EVALUAR LA ESTRATIFICACIÓN EN RESERVORIOS ... 364
11.5.1 Método comparativo ... 366
11.5.2 Método ARAI ... 376
11.5.3 Expresiones matemáticas (números adimensionales) para determinar el grado de estratificación ... 379
11.5.4 Estratificación determinada utilizando modelos matemáticos de simulación de la calidad del agua ... 384
11.6 COMENTARIOS FINALES SOBRE LA ESTRATIFICACIÓN TÉRMICA ... 385
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ... 385
CAPÍTULO 12 Eutroficación 12.1 GENERALIDADES SOBRE EUTROFICACIÓN ... 390
12.1.1 Nutrientes, eutrofia y crecimiento algal ... 391
12.1.2 Clasificación de los estados tróficos ... 392
12.1.3.2 Efectos en los usuarios ... 394
12.1.3.3 Efectos adicionales ... 394
12.1.3.4 Efectos sobre la salud ... 395
12.1.4 Efectos positivos de la eutroficación ... 395
12.2 EL CONCEPTO DE NUTRIENTE DISPONIBLE ... 395
12.3 EL CONCEPTO DE NUTRIENTE LIMITANTE ... 396
12.3.1 Bioensayos ... 397
12.3.2 Análisis químicos ... 398
12.3.3 Relación N/P ... 398
12.4 FUENTES O APORTANTES DE NUTRIENTES ... 400
12.4.1 Evaluación de las cargas o fuentes puntuales de nutrientes ... 400
12.4.2 Evaluación de las cargas (fuentes) distribuidas o dispersas de nutrientes 401 12.4.2.1 Coeficientes de aporte de nutrientes (tasas de exportación) ... 401
12.4.2.2 Balances de masa para calcular las cargas distribuidas ... 402
12.4.2.3 Mediciones de campo para calcular las cargas o fuentes distribuidas. ... 403
12.4.2.4 Relaciones estequiométricas ... 404
12.5 DETERMINACIÓN DEL ESTADO TRÓFICO ... 409
12.5.1 Estado trófico determinado utilizando modelos matemáticos de simulación de la calidad del agua ...410
12.5.1.1 Modelo de calidad del agua WASP7 (Water Quality Analysis Simulation Program) ...411
12.5.1.2 Modelo de calidad del agua CEQUALW2 ... 412
12.5.2 Métodos simplificados para evaluar el estado trófico ... 413
12.5.2.1 Estado trófico según clasificación limnológica ...414
12.5.2.2 Clasificación trófica para lagos cálidos tropicales ...415
12.6 PROCEDIMIENTOS PARA LA APLICACIÓN DEL MÉTODO DEL CEPIS ...416
12.7 APLICABILIDAD Y RESTRICCIONES DEL MÉTODO DEL CEPIS ... 420
12.8 CONTROL DE LA EUTROFICACIÓN ... 421
12.8.1 Medidas preventivas ... 421
12.8.1.1 Control de vertimientos ... 422
12.8.1.2 Mecanismos de producción limpia ... 423
12.8.1.3 Control de aguas de escorrentía ... 423
12.8.2 Medidas correctivas ... 423
12.8.2.1 Procesos mecánicos ... 423
12.8.2.2 Control químico ... 424
12.8.2.3 Control biológico ... 424
Introducción a la modelación de la calidad del agua en corrientes de agua 13.1 CONCEPTOS BÁSICOS ... 429 13.1.1 Sistema ... 429 13.1.2 Experimento ... 430 13.1.3 Modelo ... 430 13.1.4 Simulación ... 430
13.2 EL PROBLEMA: ¿QUÉ SE PUEDE HACER CON UN MODELO DE CALIDAD DEL AGUA? ... 431
13.2.1 Estudios descriptivos ... 432
13.2.2 Predicciones de calidad del agua ... 432
13.2.3 Analizar problemas específicos ... 433
13.3 PROCESO DE MODELACIÓN DE LA CALIDAD DEL AGUA ... 433
13.4 SELECCIÓN DEL MODELO ... 436
13.5 CALIBRACIÓN Y VERIFICACIÓN DEL MODELO ... 437
13.5.1 Calibración del modelo ... 437
13.5.2 Verificación del modelo ... 440
13.6 ANALIZANDO LA PRECISIÓN DEL MODELO ... 441
13.7 NOTAS Y OBSERVACIONES IMPORTANTES SOBRE EL PROCESO DE MODELACIÓN ... 442
13.8 MODELO QUAL2K ... 442
13.8.1 Descripción del modelo ... 442
13.8.2 Iniciando la aplicación ... 444
13.8.3 Representación conceptual ... 445
13.8.4 DBO rápida lenta, DBO rápida y materia orgánica partículada (MOP). ... 446
13.8.5 Régimen hidráulico del sistema ... 447
13.8.6 Marco geográfico y climático ... 447
13.9 APLICACIÓN DEL MODELO... 447
EJERCICIOS PROPUESTOS ... 455
Tabla 1.1 Distribución del agua en la Tierra ... 29
Tabla 1.2 Distribución de los recursos hídricos superficiales por paises ... 31
Tabla 1.3 Problemas de contaminación, sus efectos y variables asociadas con la calidad del agua ... 35
Tabla 2.1 Características del agua cruda en el embalse A ubicado en el Oriente de Antioquia ... 49
Tabla 2.2 Calidad promedio del agua de mar ... 50
Tabla 2.3 Características promedio de las aguas residuales en EPM ... 50
Tabla 2.4 Características más importantes de las aguas residuales en general y su procedencia. ... 51
Tabla 2.5 Calidad del agua suministrada por EPM ... 52
Tabla 2.6 Parámetros ambientales propuestos para medir en el recurso agua ... 82
Tabla 3.1 Clasificación de toxicidad basada en UTa ... 104
Tabla 4.1 Usos del agua de acuerdo con la contaminación del agua ... 116
Tabla 4.2 Relación entre los parámetros de calidad del agua y sus usos... 119
Tabla 4.3 Criterios de calidad para uso del agua para enfriamiento industrial ... 125
Tabla 4.4 Estándares y criterios de calidad para uso del agua para irrigación (agricultura restringida) ... 127
Tabla 4.5 Estándares y criterios de calidad para uso del agua para irrigación (agricultura no restringida) ... 128
Tabla 4.6 Estándares y criterios de calidad para uso del agua para irrigación (agricultura con y sin restricciones) ... 129
Tabla 4.7 Criterios de calidad para usos del agua para procesos industriales en general 131 Tabla 4.8 Criterios de calidad para usos del agua para hábitat para peces ... 132
Tabla 4.9 Criterios de calidad para usos del agua para recreación con restricciones (Contacto secundario o limitado) ... 134
Tabla 4.10 Criterios de calidad para usos del agua para recreación sin restricciones (Contacto primario) ... 135
Tabla 5.1 Características que debe reunir un grupo biológico para ser utilizado como
bioindicador. ... 162
Tabla 6.1 Estadísticas básicas de para P total en el embalse A ... 175
Tabla 6.2 Intervalos de frecuencia calculados con hoja de cálculo Excel® 2007 ... 179
Tabla 7.1 Frecuencias sugeridas para la recolección de muestras compuestas ... 222
Tabla 8.1 Estrategias para determinar k y el orden n de las reacciones ... 242
Tabla 8.2 Valores de DBO antes de tratamiento en USA y algunos países de Latino-américa ... 262
Tabla 9.1 Valores del coeficiente de actividad de acuerdo con la pendiente de la corriente receptora según Bosko ... 287
Tabla 9.2 Comparación entre kd y kR en algunos ríos ... 289
Tabla 9.3 Rangos de profundidad y velocidad para aplicar las expresiones de O´Connor y Dobbins, Churchill y Owens y Gibbs en la determinación de la reaireación 299 Tabla 9.4 Diferentes valores de SOD reportados en la literatura ... 312
Tabla 11.1 Definición de variables asociadas a la hidrodinámica de los reservorios .. 361
Tabla 11.2 Parámetros usados para la generación de gradientes térmicos ... 366
Tabla 11.3 Datos de temperatura y gradiente para el embalse Z - Sitio de captación . 367 Tabla 11.4 Datos de temperatura y gradiente para el embalse Y - Sitio de captación . 369 Tabla 11.5 Datos de temperatura y gradiente para el embalse Y - Zona media del embalse 372 Tabla 12.1 Coeficientes de exportación de nutrientes en g/m2/d ... 401
Tabla 12.2 Características fisicoquímicas y biológicas utilizadas para determinar la presencia del fenómeno de eutroficación en embalses ... 409
Tabla 12.3 Clasificación limnológica del estado trófico con base en el contenido de fósforo y otras variables ... 414
Tabla 12.4 Comparación entre el promedio geométrico anual de fósforo y clorofila α para lagos cálidos tropicales (CEPIS) y la clasificación trófica de lagos templados (OECD) ... 414
Figura 1.1 Vertientes hídricas en Colombia ... 33
Figura 1.2 Ingeniería de la calidad del agua ... 36
Figura 1.3 Concepto de carga y flujo contaminante ... 37
Figura 2.1 Diferentes formas de sólidos presentes en el agua. ... 58
Figura 2.2 Escala de pH ... 60
Figura 2.3 Clases de acidez según el pH ... 61
Figura 2.4 Forma química del ión alkyl-benceno sulfonato ... 70
Figura 2.5 Ensayo de los tubos múltiples ... 81
Figura 5.1 Función de calidad para DBO5... 152
Figura 6.1 Histograma de los datos de P total en el embalse A ... 178
Figura 6.2 Histograma de frecuencias construido con los datos de la Tabla 6.1 .. 181
Figura 6.3 Distribución normal estándar ... 182
Figura 6.4 Curva de frecuencia acumulada para el caso del embalse A ... 185
Figura 6.5 Diagrama de caja para resumir datos de calidad del agua ... 208
Figura 7.1 Muestra de etiquetas para identificar muestras de agua ... 223
Figura 7.2 Muestreador no proporcional (Reproducida de la referencia 4) ... 225
Figura 7.3 Equipo para tomar muestras integradas y compuestas ... 226
Figura 7.4 Equipo para tomar varias muestras a la vez 227 Figura 7.5 Muestreador de canasta ... 228
Figura 7.6 Localización de los puntos de muestreo en una sección transversal de una corriente o un canal ... 230
Figura 7.7 Toma de muestras en un embalse o un lago ... 231
Figura 8.1 k en reacciones de orden cero ... 239
Figura 8.2 k en reacciones de primer orden ... 240
Figura 8.3 Significado de la tasa de reacción k (Reproducida de la referencia 1) 241 Figura 8.4 Análisis de balance de masa ... 245
Figura 8.5 Reactor por lotes ... 247
Figura 8.6 Reactor flujo pistón. (Reproducida de la referencia 1) ... 249
Figura 8.7 Reactores completamente mezclados en serie ... 251
Figura 8.8 Cambio en la concentración de una sustancia debido al transporte advectivo ... 252
Figura 8.9 Cambio en la concentración de un contaminante por transporte con-vectivo ... 254 Figura 8.10 Diferencia entre advección y difusión (Reproducida de la referencia 1) 255
Figura 8.12 Principales componentes del problema de OD... 260
Figura 8.13 Interrelación entre los componentes del balance de OD (Reproducida de la referencia 1) ... 261
Figura 8.14 Curva de demanda bioquímica de oxígeno ... 263
Figura 8.15 Formulación de la cinética de la DBO ... 264
Figura 8.16 Diferentes formas de n presentes en las aguas naturales ... 267
Figura 8.17 Relación entre la DBON, DBOC y DBO total ... 269
Figura 8.18 Esquema de definición de la difusión del OD en el agua ... 274
Figura 9.1 Tasa de reaireación ka (d-1) en función de la velocidad y la profundidad (Reproducida de la referencia 3) ... 300
Figura 9.2 Variación de la fotosíntesis durante el día asumiendo un comporta-miento simuisoidal (Reproducida de la referencia 2). ... 304
Figura 9.3 Coeficientes de difusión en varios ambientes (Reproducida de la referencia 2) ... 309
Figura 10.1 Comportamiento del oxígeno disuelto en una corriente de agua 321 Figura 10.2 Tipos de descargas de aguas residuales en una corriente (Reproducida de la referencia 4) ... 341
Figura 11.1 Comparación entre embalses estratificados y no estratificados ... 354
Figura 11.2 Esquema de estratificación en un reservorio ... 358
Figura 11.3 Circulación del agua en un embalse operando “filo de agua” ... 365
Figura 11.4 Gradientes de temperatura en los embalses Playas y Punchiná ... 375
Figura 12.1 Diferentes formas de nitrógeno y fósforo en un embalse (Adaptado de la referencia 6) ... 396
Figura 12.2 Diagrama de porcentajes de nutrientes y de humedad que constituyen la composición de la biomasa del fitoplancton (Reproducida de la referencia 2) ... 399
Figura 12.3 Clasificación trófica según el CEPIS (Adaptado de la referencia 1) .... 416
Figura 12.4 Distribución de probabilidad de nivel trófico según el modelo del CEPIS (Reproducida de la referencia 1) ... 417
Figura 12.5 Estrategias para el control de nutrientes ... 422
Figura 13.1 Diagrama esquemático del procedimiento de calibración del modelo 439 Figura 13.2 Representación gráfica de los segmentos y cargas contaminantes en el río ... 445
Figura E3.1 Cálculo de LC50 para el ejercicio 3.1 ... 103
Figura E4.1 Calidad del agua del recurso hídrico del ejercicio 4.1... 144
Figura E6.1 Distribución de probabilidad para la concentración de P en el embalse A ... 186
Figura E6.4 Contraste de hipótesis lateral ... 196 Figura E6.5 Resultados del análisis de datos utilizando la hoja de cálculo
Excel® 2007 ... 199
Figura E 6.6(1) Curvas de tendencia para la serie dada ... 203 Figura E 6.6(2) Intervalos de predicción ... 203 Figura E6.6(3) Resultados en Excel® del análisis de correlación y regresión. ... 243
Figura E8.1 Curvas para calcular el orden n y la tasa de reacción k ... 265
Figura E8.3 Variación de la DBOC ejercida contra el tiempo ... 266 Figura E8.4 Variación de la DBO remanente con el tiempo ... 271 Figura E8.5 Resultados gráficos de la DBO ... 284 Figura E9.1 Cálculo de k1 utilizando el método logarítmico ... 286
Figura E9.2 Método de Thomas para el cálculo de k1 ... 294
Figura E9.5(1) Comportamiento de la DBO en el tiempo ... 296 Figura E9.5(2) Gráfica para calcular kN ... 303 Figura E9.6 Cálculo de la tasa de aeración, ka ... 307 Figura E9.7 Valores de las variables para determinar F y R ... 333 Figura E10.2 Perfil de OD y DBO ... 337 Figura E10.3(1) Perfil de OD para el ejercicio 10.3 ... 337 Figura E10.3(2) Perfil de DBO para el ejercicio 10.3 ... 340 Figura E10.4 Perfil de OD considerando la zona anaeróbica ... 378 Figura E11.1 Curva Volumen – Área contra cota – Embalse Playas ... 380 Figura E11.2 Esquema del embalse para el ejercicio 11.2 ... 405 Figura E12.1 Esquema general del embalse ... 449 Figura E13.1(1) Datos de identificación y control del programa QUAL2K ... 450 Figura E13.1(2) Datos sobre el elemento cabecera ... 451 Figura E13.1(3) Datos sobre los tramos ... 451 Figura E13.1(4) Datos sobre las constantes y coeficientes por tramos ... 452 Figura E13.1(5) Datos sobre las constantes y coeficientes cinéticos ... 452 Figura E13.1(6) Datos sobre las fuentes o cargas puntuales de contaminación ... 453 Figura E13.1(7) Perfil de oxígeno disuelto - Ejercicio 13.1 ... 453 Figura E13.1(8) Perfil de DBO - Ejercicio 13.1 ... 453
Las notas presentadas en este libro corresponden a la experiencia adquirida por más de 25 años de trabajo en los cuales se ha incursionado en el aprovechamiento de los recursos hídricos, la evaluación de la calidad del agua y la formulación de medidas de control para preservar los ecosistemas acuáticos.
La intención no es plasmar normas ni derroteros a seguir en el amplio y complejo mundo de la calidad del agua; simplemente se quiere como propósito fundamental dotar al lector de los conceptos básicos que debe tener en cuenta para diagnosticar adecuadamente el estado de calidad del agua en un cuerpo de agua dulce superficial de acuerdo con sus características físicas, químicas y biológicas, para luego, con base en unos usos del agua acordes con las necesidades del medio, el ingeniero de calidad de agua pueda proponer las medidas de control, las normas, etc., necesarias para mantener nuestros recursos hídricos con el objeto de que las generaciones futuras disfruten de ellos.
Los temas están ordenados de tal manera que se inicia dando un enfoque general al ámbito mundial, regional y local sobre el estado del agua. Luego, se discuten las características físicas, químicas y biológicas del agua para que con estos conceptos se pueda tratar temas como la toxicidad acuática y los usos benéficos a que se puede destinar el agua. También, debido a la diversidad de definiciones sobre el término calidad del agua, se propone una metodología para elaborar y usar los índices como indicadores de la calidad del agua. Seguido, se incluyen brevemente ciertas técnicas estadísticas utilizables en el manejo, análisis y presentación de datos de calidad del agua. Una vez entendidas estas técnicas estadísticas, se presenta el tema de muestreo. Aquí se indica cómo tomar muestras de agua para que estas sean representativas de lo que se quiere evaluar, se hace hincapié en técnicas de cómo ubicar los sitios de muestro, identificar las muestras hasta diseñar los programas de muestreo. En los siguientes tres capítulos se hace una recopilación sobre el comportamiento de los contaminantes en el agua, discutiendo las tasas de reacción, la forma como se determinan las
principales constantes y coeficientes involucrados en las reacciones químicas en el agua y se exponen las principales ecuaciones matemáticas utilizadas para determinar la calidad del agua en un cuerpo de agua superficial. Los capítulos 11 y 12 sobre estratificación y eutroficación, temas relacionados con cuerpos de agua lénticos, han cobrado recientemente mucha importancia en los estudios de calidad del agua. En este libro se exponen estos temas con una orientación más ingenieril que ecológica y se presentan más como ejemplos de casos de estudios que se han realizado en proyectos hidroeléctricos y se le da al lector información práctica sobre el estado actual del conocimiento en dichos temas. El último capítulo contiene una introducción práctica al mundo de la aplicación de los modelos (software) de calidad del agua a ríos y corrientes.
No quiero dejar de mencionar que en el libro presento tablas, datos, figuras o conceptos aprendidos y/o sacados de diferentes textos, contactos personales, Internet o experiencias transmitidas por diferentes autores a través de los años de docencia, estudio y trabajo a los cuales no puedo darles crédito; no los ignoro sino que simplemente no los recuerdo.
CAPÍTULO
1
Conceptos generales
1.1 CLASIFICACIÓN DE LOS CUERPOS DE AGUA 1.2 IMPORTANCIA DEL RECURSO AGUA
1.3 EL AGUA Y EL MUNDO
1.4 LOS RECURSOS HÍDRICOS EN COLOMBIA 1.4.1 Vertientes
1.4.2 Aprovechamiento de los recursos hídricos en Colombia
1.5 NATURALEZA DEL PROBLEMA
1.5.1 Los problemas de contaminación, sus efectos deteriorantes
y las variables asociadas con la calidad del agua
1.5.2 Perspectiva general
1.6 DEFINICIÓN DE TÉRMINOS Y CONCEPTOS BÁSICOS EN EL ANÁLISIS DE LA CALIDAD
DEL AGUA
1.6.1 Concepto de carga y flujo de contaminantes 1.6.1.1 Concepto de carga contaminante (W) 1.6.1.2 Concepto de flujo contaminante (J) 1.6.2 Expresiones y términos utilizados en calidad
del agua
1.6.2.1 Reacciones químicas 1.6.2.2 Concentración
Conceptos generales
La calidad del agua es un término relativo que últimamente ha ocasionado mucha controversia entre los expertos en el tema. El propósito de este libro es describir la calidad del agua con base en los accidentes geográficos que la contienen, especialmente enfatizando en los cuerpos de agua ubicados sobre la superficie terrestre.
Los cuerpos de agua se pueden caracterizar analizando básicamente tres componentes: su hidrología, sus características fisicoquímicas y la parte biológi-ca. Para llevar a cabo un análisis y evaluación completa de calidad del agua, es necesario monitorear estos tres componentes. En este libro estos componentes se discuten ampliamente cuando se desarrolla alguno de los temas en los cuales ellos están involucrados.
1.1 CLASIFICACIÓN DE LOS CUERPOS DE AGUA
Todos los cuerpos de agua están interconectados, desde la atmósfera hasta los océanos a través del ciclo hidrológico. Dado que el ciclo del agua no se discute en este libro, sí es necesario definir los cuerpos de agua que componen la Tierra.
Ríos. Estos cuerpos de agua, comúnmente denominados corrientes, se caracterizan porque fluyen unidireccionalmente con velocidades promedio relativamente altas que varían entre 0,1 y 1 m/s. El flujo en los ríos es altamente variable y depende de las condiciones climáticas y de las características del área de drenaje. En general, los ríos son cuerpos de agua los cuales pueden considerarse permanentemente mezclados, y en la mayoría de ellos, la calidad del agua es importante en el sentido del flujo.
Lagos. En estos sistemas acuáticos, la velocidad promedio es relativamente baja: varía entre 0,01 y 0,001 m/s (valores en la superficie). Este hecho hace que el agua permanezca en el sistema desde unos pocos días hasta varios años. Con respecto a la calidad del agua, esta se comporta o está gobernada de acuerdo con el estado trófico y con los períodos de estratificación.
Aguas subterráneas. En los acuíferos el régimen de flujo es relativamente estable en términos de velocidad y dirección. Las velocidades promedio pueden variar entre 10-10 y 10-3 m/s y son gobernadas por la porosidad y la permeabilidad
del estrato. La dinámica del agua en los acuíferos es bastante complicada, y por estar fuera del alcance, este tema no se considera en este libro.
Existe otro tipo de cuerpos de agua de carácter transitorio que están caracte-rizados por su variabilidad hidrodinámica. Entre ellos, los más importantes son: • Embalses. Se pueden considerar cuerpos de agua intermedios entre lagos y
ríos y se caracterizan porque su hidrodinámica y calidad de agua dependen de las reglas de operación.
• Ciénagas. Son ecosistemas considerados cuerpos de agua intermedios entre lago y un acuífero freático.
• Estuarios. Son sistemas acuáticos intermedios entre río y mar.
Como se puede observar, la variedad de regímenes hidráulicos que se pre-sentan en los distintos cuerpos de agua hace que estén caracterizados por su tamaño y las condiciones climáticas de la cuenca. El factor que caracteriza los ríos es la variabilidad del caudal. En los lagos y embalses lo más importante es el tiempo de residencia (estado trófico) y su régimen térmico, mientras que en las aguas subterráneas importa altamente el grado de saturación del suelo. 1.2 IMPORTANCIA DEL RECURSO AGUA
El agua es un elemento esencial para la vida, sin ella el hombre no podría existir. Toda población o comunidad ha buscado asentamiento cerca a una fuente de agua.
Las fuentes de agua, aunque disponibles en mayor o menor cantidad, han sido contaminadas gradualmente y fueron las causantes de muchas epidemias que diezmaron ciudades enteras en la Antigüedad. El hombre tardó bastante tiempo en darse cuenta de que el agua que estaba consumiendo era la causante de muchas de las enfermedades que estaba padeciendo y solo a finales del siglo XVIII y principios del siglo XIX empezó a implementar procesos para tratar y desinfectar el agua que consumía.
A medida que la humanidad continuó su desarrollo, las descargas de aguas residuales domésticas e industriales empezaron a contaminar los recursos hídricos, a deteriorar los ecosistemas, etc. Fue así como se hizo necesario implementar los sistemas de tratamiento de aguas residuales.
Actualmente, la disponibilidad de agua en cantidad suficiente y de buena calidad es una de las principales necesidades de cualquier población. Por esta razón, la calidad del agua es la rama de la Ingeniería que pretende:
• Diagnosticar los problemas relacionados con la calidad del agua.
• Relacionar los problemas de calidad con los diferentes usos deseables del agua.
• Juzgar qué variables de calidad del agua se necesita controlar y los medios o recursos disponibles para hacerlo.
Con el propósito de que el lector ahonde en la importancia que tiene y ha tenido el recurso agua en el desarrollo de la humanidad, a continuación se hace una breve descripción de la disponibilidad del agua en los ámbitos mundial y local, y además, se nombran los principales problemas que este recurso tiene. 1.3 EL AGUA Y EL MUNDO
El agua circula naturalmente a través de los océanos, la atmósfera, lagos y ríos, glaciares y aguas subterráneas. El aire y el agua son los elementos físicos más móviles que tiene el sistema Tierra, y su movilidad permite operar el ciclo del agua. La circulación constante del agua desde los océanos a la atmósfera (evapo-ración), desde la atmósfera a la Tierra o de regreso a los océanos (precipitación) y desde la Tierra a los océanos y atmósfera (evaporación y escorrentía) puede ser llamada el ciclo planetario del agua, y existen muchos subciclos regionales y locales.
Para ilustrar la disponibilidad del agua en el mundo, la tabla 1.1 presenta un resumen de los valores estimados.
Tabla 1.1 Distribución del agua en la Tierra
Situación del agua
Volumen en km³ Porcentaje
Agua dulce Agua salada de agua dulce de agua total
Océanos y mares – 1.338.000.000 – 96,5
Casquetes y glaciares polares 24.064.000 – 68,7 1,74
Agua subterránea salada – 12.870.000 – 0,94
Agua subterránea dulce 10.530.000 – 30,1 0,76
Glaciares continentales y
Permafrost 300.000 – 0,86 0,022
Lagos de agua dulce 91.000 – 0,26 0,007
Lagos de agua salada – 85.400 – 0,006
Humedad del suelo 16.500 – 0,05 0,001
Situación del agua
Volumen en km³ Porcentaje
Agua dulce Agua salada de agua
dulce de agua total Embalses 11.470 – 0,03 0,0008 Ríos 2.120 – 0,006 0,0002 Agua biológica 1.120 – 0,003 0,0001
Total agua dulce 35.029.110 100 –
Total agua en la tierra 1.386.000.000 – 100
Fuente: http://es.wikipedia.org/wiki/Agua#Distribuci.C3.B3n_de_agua_en_la_naturaleza
Al analizar la tabla 1.1 se puede observar que mientras los océanos repre-sentan el mayor volumen, los ríos son un porcentaje muy bajo de la totalidad del agua disponible en el mundo. Sin embargo, el agua presente en los océanos no es apta para el consumo humano debido a la salinidad que contiene y su desalinización es un proceso supremamente costoso.
Las aguas superficiales (lagos de agua dulce, ríos, lagunas, ciénagas) que son las que el hombre utiliza para desarrollar sus funciones básicas (abastecimiento de agua potable, navegación, recreación, etc.), desafortunadamente son las que se encuentran más contaminadas debido a que reciben directamente las descargas de aguas residuales sin ningún tratamiento. Muchas corrientes superficiales en el mundo se encuentran en estados avanzados de contaminación y no tienen ningún uso, excepto el de ser receptoras de desechos.
Los lagos y las ciénagas en el mundo son abundantes y juegan un papel importante en los balances locales de agua. Los grandes lagos del mundo están localizados en el hemisferio norte; en el Sur solo son de importancia los ubicados en África.
En cuanto a países, la desigualdad del reparto del agua sobre la tierra depende de factores físicos (climas) y humanos (densidad de población). Para calcular los recursos hídricos de un país, en general se tienen en cuenta dos variables: i) Las precipitaciones, útiles para la vegetación y los cultivos en el mundo
varían entre una media de 1 cm/m2 por año a 10 m/m2 por año, es decir,
menos de 10.000 m3 a 10 millones de m3 por km2 por año.
ii) Los fluidos locales (superficiales o subterráneos) por unidad de superficie, que varían algunos entre m3/km2 por año (en zonas muy áridas) a más de
La primera desigualdad y la más evidente es la repartición del agua entre las grandes zonas. Las zonas áridas y semiáridas del mundo entero no reciben más que el 6% de las lluvias, y no es más que el 2% de los fluidos terrestres. Las zonas húmedas templadas e intertropicales se reparten el resto, es decir, la mayor parte.
La gama de los recursos hídricos “nacionales” es muy grande; la diferencia entre los extremos es inmensa. De este modo, nueve “gigantes” mundiales del agua se reparten el 60% de los recursos terrestres. La tabla 1.2 presenta la distribución, en los países, de la disponibilidad de agua por kilómetro cuadrado.
Tabla 1.2 Distribución de los recursos hídricos superficiales por paises Los países más
ricos Cantidad km3/año Los más pobres
Cantidad km3/año/
km2
Brasil 8.233 Bahrein Casi nada
Rusia 4.507 Kuwait 0,02 USA 3.051 Bahamas 0,02 Canadá 2.856 Maldivas 0,03 Indonesia 2.838 Qatar 0,1 China 2.830 Malta 0,1 Colombia 2.132 Barbados 0,1
Perú 1.913 Antigua y Bermudas 0,1
India 1.897 Emiratos Árabes
Unidos 0,2
Nota: Todas las cifras, anteriormente citadas, provienen de http://www.greenfacts.org/es/recursos-hidricos/figtableboxes/3.htm
Fuente: elaboración propia.
Para corregir la incidencia de las grandes diferencias de densidad de población de los países, estos fluidos se pueden ajustar a las poblaciones, expresándolos en fluido medio por habitante, o ajustar los recursos a la población, expresándolos en número de habitantes por millón de m3/año. Así se observa que los más
importantes en recursos hídricos por habitante están en los países ecuatoriales. En el otro extremo se encuentran países áridos o insulares y/o muy poblados que son los más débiles en recursos en hídricos por habitante. La tabla 1.2, también, muestra cómo estos países cuentan con un recurso global limitado. Entre los 9 países más pobres se encuentran 4 países árabes y la mayoría de los territorios insulares.
1.4 LOS RECURSOS HÍDRICOS EN COLOMBIA 1.4.1 Vertientes
Colombia ha sido, y hasta hoy lo es, un país rico en recursos hídricos lo cual la ubica en una posición privilegiada en el ámbito internacional. En el país existen cuatro vertientes principales: Caribe, Pacífico, Orinoco y Amazonas (figura 1.1). Al analizar con cuidado el mapa de las vertientes, se puede observar que prácticamente toda la población está asentada en la vertiente del Caribe, y los ríos Cauca y Magdalena son las principales corrientes de drenaje. Esta situación ha hecho que estos ríos sean las dos arterias fluviales más importantes del país y, por lo tanto, estén recibiendo directa e indirecta-mente las aguas residuales, prácticaindirecta-mente sin tratar, de casi 15 millones de personas, además de las del sector industrial que está asentado en el área. A esta situación se agrega la erosión intensa de esta vertiente que arrastra gran cantidad de sedimentos lo cual ha afectado los usos tradicionales del agua en estos ríos. La cuenca de los ríos Cauca y Magdalena tiene un área aproximada de 273.300 km2 y en ella se ubican aproximadamente 637 municipios.
En las vertientes del Orinoco y el Amazonas están ubicados los ríos más caudalosos del país y afortunadamente se encuentran prácticamente en su estado natural. Es de esperar que el uso del agua de estas corrientes, en el futuro, se haga de una manera controlada para garantizar a las próximas generaciones suministros adecuados de agua tanto en cantidad como en calidad.
Referente a los lagos, lo más generalizado es afirmar que en Colombia no existen lagos propiamente dichos, atendiendo al tamaño de los depósitos que existen en el ámbito mundial. Entre los pocos lagos o lagunas que existen en el país se tienen La Tota, La Cocha, Fúquene. Es importante anotar que algunos de estos cuerpos de agua están contaminados o próximos a estarlo.
Con respecto a los embalses, en el país los más importantes son los de gene-ración de energía; se destaca como el de mayor volumen el embalse El Peñol, en Antioquia, con un volumen aproximado de 1.200 millones de m3. Este embalse
se caracteriza por ser prácticamente el único embalse de regulación en el país. 1.4.2 Aprovechamiento de los recursos hídricos en Colombia
Colombia es un país que depende fundamentalmente de sus aguas superficiales para el abastecimiento de agua municipal, la agricultura y la generación de energía. Las aguas subterráneas se utilizan básica y fundamentalmente para riego de cultivos (por ejemplo, en el Valle del Cauca, la Sabana de Bogotá, Tolima, etc.), para la industria y para abastecimiento en algunos pocos municipios, especialmente ubicados en la costa atlántica.
PANAMÁ 255 MW VERTIENTE DEL CARIBE VERTIENTE DE LA ORINOQUÍA
VERTIENTE DEL PACÍFICO
VERTIENTE DEL AMAZONAS BRASIL VENEZUELA ECUADOR PERÚ SAN ANDRES Y PROVIDENCIA
OCÉANO ATLÁNTICO
San Andrés
Figura 1.1 Vertientes hídricas en Colombia
Fuente: http://www.google.com.co/imgres?imgurl=http://www.kalipedia.com/kalipediamedia/geo-grafia/media/200807/31/geocolombia/20080731klpgeogco_2_Ges_SCO.png&imgrefurl
Con referencia al sector energético, aproximadamente el 70% de la gene-ración nacional es hidroeléctrica. El hecho de que el agua sea utilizada con propósitos de generar energía no significa que no deba tener buena calidad. La presencia de contaminantes causa la eutroficación de los embalses, sedimen-tación y problemas de navegabilidad y de operación en la casa de máquinas (presencia de malos olores, corrosión en los equipos electromecánicos, incrus-taciones, etc.), que pueden poner en peligro las inversiones.
1.5 NATURALEZA DEL PROBLEMA
Como se puede apreciar, con base en la anterior discusión, el ingeniero de ca-lidad del agua en nuestro medio está, y lo estará más en el futuro, enfrentado a estudiar, diseñar e implementar los mecanismos de control para evitar que se sigan contaminando nuestros recursos hídricos y, además, deberá estar en capacidad de establecer objetivos específicos de calidad para el recurso agua.
El problema actual que se tiene surge principalmente por las descargas de residuos provenientes de actividades humanas y naturales que, de alguna manera, interfieren con el uso deseable del agua. El uso deseable del agua es, por supuesto, materia de considerable discusión e interacción en el ambiente sociopolítico, y su determinación depende de la habilidad económica de una región dada para mantener y mejorar su calidad del agua. Los principales usos deseables del agua, entre otros, son: abastecimiento de agua municipal e indus-trial, recreación (navegación, natación y belleza del paisaje), pesca comercial y deportiva y para mantenimiento del balance ecológico.
1.5.1 Los problemas de contaminación, sus efectos deteriorantes y las variables asociadas con la calidad del agua.
La tabla 1.3 muestra cómo los problemas de contaminación se manifiestan e interfieren en los diversos usos benéficos del agua y su subsecuente confirmación por muestreo y análisis de la calidad del agua. Por ejemplo, se ha observado que una concentración baja de oxígeno disuelto en una corriente de agua interfiere en la vida de los peces y causa molestias de tipo estético; la presencia de niveles altos de bacterias inutiliza un recurso hídrico para recreación; asimismo, se ha demostrado que la presencia de ciertos metales pesados en el agua para consumo humano puede producir cáncer y toxicidad en los usuarios. La tabla 1.3 también indica las variables de calidad del agua asociadas con cada problema.
1.5.2 Perspectiva general
En términos generales y resumiendo, el ingeniero y el científico especializado en la calidad del agua deben analizar los problemas de calidad del agua considerando
sus principales componentes. La figura 1.2 muestra tales componentes y explica cómo debe administrarse o un recurso hídrico.
Las entradas corresponden a las descargas de sustancias o contaminantes provenientes de las actividades del hombre y la naturaleza y que se generan en la cuenca.
Las reacciones y el transporte físico, esto es, las transformaciones químicas y biológicas que ocurren en el ecosistema producen niveles diferentes de calidad del agua en determinado tiempo y espacio en el cuerpo de agua.
Dada la complejidad de los ecosistemas acuáticos, en la práctica, el ingeniero de calidad del agua ha tratado de representar las distintas reacciones que ocu-rren en estos ecosistemas por medio de modelos matemáticos y así disponer de herramientas para poder tomar decisiones.
Tabla 1.3. Problemas de contaminación, sus efectos y variables asociadas con la calidad del agua
Aparición del problema Interferencia Problemas Variables
1. - Mortalidad de peces - Olores molestos - H2S - Organismos desagradables - Cambio radical en el ecosistema Pesca Recreación Salud ecológica Oxígeno disuelto (OD) bajo DBO NH3, Norg. Sólidos orgánicos Fitoplacton OD 2. - Transmisión de enfermedades - Trastornos gastro-intes-tinales, irritación de ojos
Abasto de agua Recreación Niveles altos de bacterias Coliformes Totales Coliformes fecales Estreptococos Virus 3. - Sabor y olor - algas azul-verdes
- Problemas estéticos algas en exceso - Disturbios en el ecosistema Abasto de agua Recreación Salud ecológica Crecimiento excesivo de plantas (eutroficación) Nitrógeno Fósforo Fitoplancton 4. - Carcinógenos en el agua potable
- Pesca cerrada - niveles altos de toxicidad Ecosistema alterado; mortalidad, reproducción impedida Abastecimiento de agua Pesca Salud ecológica Niveles altos de toxicidad Metales pesados Sustancias radioactivas Plaguicidas Herbicidas
Las salidas son las concentraciones resultantes de las sustancias estudiadas (oxígeno disuelto, nutrientes, etc.) en el cuerpo de agua, en un tiempo específico y en un lugar determinado. No CUENCA HIDROGRÁFICA ECOSISTEMA ACUÁTICO (Ríos, lagos,...) Reacciones físicas, químicas y biológicas Transporte de contaminantes MODEL0 DE CALIDAD DEL AGUA
Uso deseable del agua
Normas de salud pública, ambientales y de calidad del agua SALIDA Concentración de una sustancia (C) MEDIDAS DE CONTROL ENTRADAS Descargas puntuales y distribuidas C C= d Si Concentración deseable (Cd) ECOSISTEMA ACUÁTICO SANEADO �
Figura 1.2 Ingeniería de la calidad del agua
Fuente: elaboración propia.
Como se mencionó anteriormente, la figura 1.2 es un esquema que debe ser utilizado en la administración de cualquier recurso hídrico que se quiera man-tener en condiciones óptimas de calidad del agua. El proceso de administración de la calidad del agua se puede explicar de la siguiente manera: las descargas se vierten en el sistema ecológico, un río, lago, estuario o región oceánica. Estas descargas, como resultado de fenómenos químicos, biológicos y físicos, generan la contaminación del recurso hídrico. Por otro lado, a través de audiencias públicas, legislación y evaluación, se establece el uso deseable del agua para una región particular. Tal uso deseable se traduce en normas de salud pública y ambiental que luego se comparan con la concentración de la sustancia en la descarga del residuo. Esta comparación entre lo deseado y lo real puede resultar en la necesidad de implantar medidas de control si la concentración actual o proyectada no es igual a la deseada. Las medidas de control se diseñan para las descargas, a fin de reducir la concentración real. En la ingeniería de la calidad del agua, la presentación de varias alternativas de control para llegar al mismo objetivo constituye un eje central dentro del proceso de toma de decisiones para la gerencia de la calidad del agua.
1.6 DEFINICIÓN DE TÉRMINOS Y CONCEPTOS BÁSICOS EN EL ANÁLISIS DE LA CALIDAD DEL AGUA
1.6.1 Concepto de carga y flujo de contaminantes
Es común determinar la cantidad de un contaminante que ingresa a un cuerpo de agua en términos de la cantidad del contaminante por unidad de tiempo o área. A continuación se explica cada uno de estos conceptos.
1.6.1.1 Concepto de carga contaminante (W)
Como se muestra en la figura 1.3(a), los vertimientos líquidos típicamente se expresan en términos de carga (W). Si se denomina m a la masa de un conta-minante y Q al caudal que lo transporta, la carga contaminante W se determina con las expresiones siguientes:
W Q C Q m W m t
= =
∀ ⇒ =
* * (1.1)
En la expresión anterior, ∀ es el volumen, m la masa y t el tiempo.
C
Q u
Ac C
(a) Carga contaminante (W = C*Q) (b) Flujo contaminante (J = u*C) Figura 1.3 Concepto de carga y flujo contaminante
Fuente: elaboración propia.
1.6.1.2 Concepto de flujo contaminante (J)
El término flujo de un contaminante se usa para designar la tasa (J) de movi-miento de la cantidad de un contaminante que pasa un una determinada área. Para el caso de un conducto (tubería o canal), el flujo de una sustancia química que pasa a través del área se puede calcular con las siguientes expresiones:
J u C u m u m X A m t A J W A c c c = = ∀ = = ⇒ = * * * * * 1 (1.2) Los conceptos expuestos anteriormente son aplicables cuando la carga conta-minante se descarga a través de una tubería o un canal, es decir, el vertimiento
se hace a través de un sistema que se puede ver físicamente y se realiza en un solo punto. En estos casos al vertimiento se le denomina carga contaminante puntual. Si, por el contrario, el contaminante ingresa al recurso hídrico a través del subsuelo por causa de la escorrentía que produce la lluvia se denomina carga contaminante distribuida o no puntual.
Ejercicio 1.1 Cálculo de la carga contaminante y flujo de sólidos
• Un sedimentador secundario en una planta de tratamiento de agua residual opera con un volumen constante. El tanque tiene un diámetro de 39 m y una profundidad de 3 m. Al tanque le ingresa un caudal de 100 L/s y una concentración de sólidos suspendidos de 2.500 mg/L. Determinar la carga contaminante y el flujo de sólidos en el tanque.
Solución:
1. Carga contaminante
W = C*Q = 2.500 mg/L * 100 L/s = 21.600 kg/d 2. Flujo de sólidos
Área superficial del tanque = p * d2/4 = 3,14 * 392/4 ≅ 1.194 m2
J = W/A = (21.600 kg/d)/1.194 m2 ≅ 18,1 kg/m2/d
–v–
1.6.2 Expresiones y términos utilizados en calidad del agua
Operaciones unitarias. Técnica mediante la cual se cambian las características al agua utilizando un método físico. Físico es todo lo que se puede detectar con los órganos de los sentidos. Ejemplo: colocar una malla en un canal para separar material grueso del agua (papeles, piedras, etc.).
Procesos unitarios. Técnica mediante la cual se cambian las características al agua, agregándole una sustancia química o un agente biológico. Ejemplo: agregar cloro al agua para desinfectarla, el proceso de lodos activados.
Agua potable. Agua apta para el consumo humano, exenta de microorganis-mos que causen enfermedades, de sustancias químicas que produzcan efectos fisiológicos en el hombre y, además, estéticamente aceptable.
Número atómico. Número de protones en el núcleo del átomo. Corresponde al número que se encuentra en la parte superior de cada elemento en la tabla periódica.
Masa o peso atómico. Suma número de protones y neutrones en el núcleo. Corresponde al número que aparece en la parte inferior de cada elemento en la tabla periódica.
Átomo-gramo. Conjunto de átomos cuya masa total, en gramos, es numé-ricamente igual a la masa atómica del elemento. Ejemplo: la masa atómica del azufre es 32,066 uma; un conjunto de átomos de azufre que pesen 32,066 g será un átomo-gramo de azufre.
Mol. Es la suma, expresada en gramos, de las masas atómicas de los ele-mentos que forman un compuesto. Un mol de H20 es igual a la masa atómica
del hidrógeno, 1 uma; pero como son dos átomos de hidrógeno son 2 umas, más 16 umas del oxígeno. Por lo tanto, un mol de H20 pesa 18 g.
Equivalente gramo. El equivalente gramo está definido como la masa del compuesto que está reaccionando dividido en el número de electrones que intervienen en la reacción.
Equivalente – gramo = peso molecular del compuesto/z z = número de electrones que intervienen en la reacción
Ejercicio 1.2 Equivalente gramo
• Determinar el equivalente_gramo del KMnO4 en la siguiente reacción
química
KMn+7O
4 + H2S ⇒ K2SO4 + Mn+4O2
peso molecular 158,4 34,082 Solución:
El número de oxidación del manganeso pasa de +7 a +4, por lo tanto, gana 3 electrones.
1 equivalente_gramo de KMnO4 tiene una masa de 158,04/3 = 52,7 g.
–v–
Número de Avogadro. Número de átomos contenidos en un átomo-gramo. El número de Avogadro es 6,02*1023. Ejemplo: en 32 g de O
2 hay 6,023*1023
moléculas de O2.
1.6.2.1 Reacciones químicas
Se denomina reacción química a la transformación que sufre un elemento químico o una molécula cuando se mezcla con otro. Las reacciones químicas se
representan por medio de ecuaciones que es necesario ajustar para determinar las cantidades de las sustancias que intervienen en las reacciones.
Ejercicio 1.3 Masa total de reactantes y productos
• En la siguiente reacción química, determinar la cantidad total de masa involucrada.
2 VO(s) + 3 Fe2O3(s) ⇒ 6 FeO(s) + V2O5(s)
Solución:
2 unidades de óxido de vanadio se mezclan con 3 unidades de óxido férrico para producir 6 unidades de óxido ferroso, más una unidad de pentóxido de vanadio.
2 moles de VO + 3 moles de Fe2O3 ⇒ 6 moles de FeO + 1 mol de V2O5
2 * 66,95 g de VO + 3 * 159,7 g de Fe2O3 ⇒ 6 * 71,85 g de FeO + 1 * 181,9 g
de V2O5
Total masa de reactantes (613 g) = Total masa productos (613 g)
Como puede apreciarse se cumple la ley de conservación de masa: la masa de los reactantes es igual a la masa de los productos.
–v–
Ejercicio 1.4 Cálculos de cantidades de sustancias químicas
• En la reacción del óxido de vanadio con el óxido férrico, ¿cuántos gramos de pentóxido de vanadio se pueden obtener a partir de 2 g de VO y 5,75 g de Fe2O3?
Solución:
De acuerdo con la ecuación que se describió anteriormente: 2 VO(s) + 3 Fe2O3(s) ⇒ 6 FeO(s) + V2O5(s)
Primero se determina cuál de las sustancias reactantes limita la cantidad de producto y cuál se halla en exceso. Para ello, se convierten los datos a moles:
En 2 g de VO hay 2/66,95 = 0,0299 moles de VO
En 5,75 g de Fe2O3 hay 5,75/159,7 = 0,036 moles de Fe2O3
Según la ecuación, 2 moles de VO exigen 3 moles de Fe2O3. Luego, 1 mol
de VO necesitará 3/2 moles de Fe2O3. Por lo tanto, 0,0299 moles de VO
Puesto que sólo hay 0,036 moles de Fe2O3, estos no serán suficientes para
reaccionar con todo el VO presente. El VO se halla en exceso y la reacción está limitada por la cantidad de Fe2O3.
Analizando nuevamente la ecuación, 3 moles de Fe2O3 originan 1 mol de
V2O5, entonces, 1 mol de Fe2O3 originará 1/3 moles de V2O5 y 0,036 moles
de Fe2O3 originarán (1/3)0,036 = 0,012 moles de V2O5.
Un mol de V2O5 tiene una masa de 181,9 g de donde 0,012 moles de V2O5
pesarán 0,012 * 181,9 = 2,18 g. –v– 1.6.2.2 Concentración
La concentración es la manera de expresar o determinar qué cantidad de un determinado soluto o sustancia hay contenida en el agua. La concentración se mide en peso de soluto (mg, g, lb, etc.) por unidad de volumen (litro, m3, etc.).
La concentración se puede expresar de varias formas:
Miligramos por litro (mg/L). La concentración de cualquier sustancia en el agua se encuentra expresada en estas unidades cuando simplemente se pesa la cantidad de la sustancia que hay en un litro de agua.
Partes por millón (ppm). Esta unidad es análoga a la anterior. La diferen-cia radica en que en este caso la concentración se expresa en unidades de peso/peso. En otras palabras, es peso de soluto dividido en el peso de un litro de agua.
Para convertir mg/L a ppm basta con multiplicar por la densidad del agua (≈ 997 g/L). Es importante anotar que esta unidad está en desuso debido a que varios autores sostienen que la densidad del agua cuando está contaminada no se puede considerar igual a la densidad del agua destilada.
Producción per cápita. Las producciones per cápita expresan los aportes promedio de una variable por unidad de referencia. Ejemplo: el consumo promedio de agua (200 L/habitante/día) o el aporte de aguas residuales por el sector comercial (1,2 L/s/ha).
Molaridad. La molaridad es el número de moles de soluto que contiene un litro de solución. Se designa por M. Una solución 2 M de H2SO4 significa disolver 2
moles (98 g) de ácido sulfúrico y completar con agua hasta un volumen de 1 litro. Molalidad. La molalidad es el número de moles de soluto por cada 1000 g de solvente. Se designa por m. Una solución 2 m de H2SO4 significa disolver 2
(98 g) moles de ácido sulfúrico en 1000 g de agua o sea en 1 litro de agua. Normalidad. La normalidad es el número de equivalentes-gramo por litro de solución. Se designa por N. Una solución 0,25 N de H2SO4 significa disolver
0,25 (98/2) g = 1,2 g de ácido sulfúrico y completar con agua hasta un volumen de un litro.
Ejercicio 1.5 Equivalencias entre concentraciones
• Se tienen 150 mg/L de SO42-, expresar la anterior concentración en las
diferentes formas explicadas. Solución:
1. Partes por millón
150 mg/L ÷ 997 g/L H2O = 150,5 ppm 2. Molaridad 150mg SO * mol 96.000 mg SO =0,0016 mol 4 4 L 3. Normalidad
Para determinar la normalidad, primero es necesario determinar el valor del equivalente gramo de SO42-. El SO42- al tener dos electrones
interviniendo en la reacción, su equivalente-gramo será:
Equivalente gramo SO = =96.000 mg 2 4 2- p m z . 150mg SO L * 1equiv.- gram 96.000 2 mg SO =0,003eqv/L 4 4 –v–
Porcentaje. Es frecuente expresar la concentración en términos de porcentaje (partes por cien). Desafortunadamente, esta práctica suele ocasionar situaciones ambiguas ya que la composición por cien de una solución se puede expresar de distintas maneras. En calidad del agua, el caso más común se presenta cuando se quiere expresar el contenido de sólidos de una muestra en porcentaje.
Ejercicio 1.6 Equivalencias entre concentraciones
• Expresar una concentración de 5.000 mg/L de sólidos suspendidos en por-centaje.
Solución:
Suponiendo que la densidad de la muestra es aproximadamente 1 ton/m3,
Porcentaje peso volumen masa de soluto, g volumen − ∀ = p ssolución, mL*100% p ∀ = 5.000 mg * g 1.000 mg L *1.000 mL L *100 = 0, 5%
Entonces, 5.000 mg/L de sólidos suspendidos corresponden a un contenido de sólidos del 0,5%.
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
[1] Área Metropolitana del Valle de Aburrá. Plan Estratégico Ambiental Metropolitano. Medellín, febrero de 1999.
[2] Contraloría General de Medellín. Informe del Estado de los Recursos Naturales y del Medio Ambiente. Impacto Ambiental de la Gestión Municipal. 1998.
[3] EPA. Office of Water. Current Drinking. Water Standards. 1999.
[4] Normas de Diseño para Acueducto, Alcantarillado y Vertimientos Industriales. Empresas Públicas de Medellín. 1990.
[5] Reglamento Técnico del Sector de Agua Potable y Saneamiento Básico RAS-98. Universidad de los Andes. Centro de Investigaciones de la Universidad de Ingeniería CIFI. Santafé de Bogotá, mayo de 1998.
[6] Standard Methods for the Examination of Water and Wasterwater Works Association, Water Pollution Control Federation. 20 ed. New York, 1998.
CAPÍTULO
Características físicas,
químicas y biológicas
del agua
2
2.1 DEFINICIÓN DE CALIDAD DEL AGUA 2.2 AGUA CRUDA O EN ESTADO NATURAL
(SIN TRATAMIENTO) 2.3 AGUAS RESIDUALES
2.4 AGUA TRATADA (AGUA POTABLE) 2.5 PROPIEDADES DEL AGUA
2.6 PARÁMETROS FÍSICOS, QUÍMICOS Y BIOLÓGICOS 2.6.1 Parámetros físicos
2.6.2 Parámetros químicos 2.6.3 Características biológicas
2.7 RESUMEN SOBRE LAS CARACTERÍSTICAS FÍSICAS, QUÍMICAS Y BIOLÓGICAS DEL AGUA
Características físicas, químicas
y biológicas del agua
2.1 DEFINICIÓN DE CALIDAD DEL AGUA
En vista de la complejidad de los factores que determinan la calidad del agua y la gran cantidad de variables utilizadas para describir el estado de los cuerpos de agua en términos cuantitativos, es difícil dar una definición simple de “
calidad
del agua
” . Además, los conocimientos sobre calidad del agua han evolucionadoa través del tiempo a medida que ha aumentado su demanda en diferentes usos y han mejorado los métodos para analizar e interpretar sus características.
La calidad de un ambiente acuático se puede definir como: i) Una lista de concentraciones, especificaciones y aspectos físicos de sustancias orgánicas e inorgánicas, y ii) la composición y el estado de la biota acuática presente en el cuerpo de agua. La calidad presenta variaciones espaciales y temporales debido a factores externos e internos al cuerpo de agua.
La contaminación de un ambiente acuático significa la introducción por el hombre directa o indirectamente de sustancias o energía lo cual resulta en problemas como: daños en los organismos vivos, efectos sobre la salud de los humanos, impedimento de actividades acuáticas como natación, buceo, cano-taje, pesca, etc., e interferencia sobre actividades económicas como el riego, el abastecimiento de agua para la industria, etc. La descripción de la calidad del agua puede realizarse básicamente de dos formas:
i) Midiendo variables físicas (turbiedad, sólidos totales, etc.), químicas (pH, acidez, etc.) o biológicas (bioensayos)
ii) Utilizando un índice de calidad del agua (capítulo 5).
Ambas formas son aceptadas y las mediciones que se requieren se realizan, ya sea en el campo o en el laboratorio, y producen varios tipos de datos que luego es necesario interpretar. Antes de discutir las propiedades y características del agua, por aspectos pedagógicos, se dice que se puede analizar la calidad del agua de acuerdo con su estado; para ello se hace distinción entre agua cruda (superficial, subterránea, marina, etc.), aguas residuales y agua tratada (potable).
2.2 AGUA CRUDA O EN ESTADO NATURAL (SIN TRATAMIENTO)
El término agua cruda se refiere al agua que se encuentra en el ambiente (lluvia, superficial, subterránea, océanos, etc.), que no ha recibido ningún tratamiento ni modificación en su estado natural.
Entendiendo por fuente el recurso hídrico del cual una comunidad se abastece de agua, se puede afirmar que la calidad del agua que se encuentra en forma natural depende de la posición geográfica, origen (mar, subterránea, superficial) y hábitos de los pobladores. Las fuentes principales de abastecimiento de agua en nuestro medio son las aguas superficiales y las aguas subterráneas.
Las aguas superficiales están constituidas por quebradas, ríos, lagos, embalses, etc. Según su origen, los ríos que nacen cerca de zonas mineras son generalmente aguas ácidas y los ríos montañosos tienen agua con temperaturas más bajas que los que recorren los valles, etc.
Fenómenos naturales como la erosión arrastran sedimentos que hacen variar la calidad del agua de los ríos, quebradas, etc. Tal vez la causa más importante en la variación de la calidad del agua original de una fuente superficial es la actividad humana. Actividades como la industria, el uso extensivo de pesticidas y abonos en la agricultura, la explotación minera, la descarga de basuras y el vertimiento de los desechos domésticos son los causantes del deterioro en que se encuentran actualmente nuestros ríos, lagos y quebradas.
En conclusión, se puede decir que las aguas superficiales presentan condi-ciones que varían de una cuenca a otra, los ríos tienen características de calidad diferentes a las de los embalses y, además, la calidad del agua de las fuentes superficiales es variable con el tiempo.
En cuanto a las aguas subterráneas, estas presentan condiciones de calidad más uniformes y distintas que las de las fuentes superficiales; generalmente son más claras pero más mineralizadas. Son más claras porque no reciben la misma cantidad de contaminantes que se vierten a las superficiales, y además, al infiltrarse en el terreno gran parte del material suspendido queda retenido en el suelo. Las aguas subterráneas son más mineralizadas porque tienen un gran poder para disolver los estratos del suelo, principalmente aquellos terrenos ricos en hierro y manganeso.
En la tabla 2.1 se presenta, como ejemplo, la calidad del agua cruda en un embalse A ubicado en el oriente del departamento de Antioquia que sirve de fuente de abastecimiento a una población urbana.
Los datos de la tabla 2.1 permiten comentar sobre las características generales que presenta la calidad del agua en lagos y embalses. Se observa, por ejemplo,
