Contaminación de ríos y embalses.

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Contaminación de ríos y embalses.

Contenido: Lagos y Embalses. Contaminación en función de los usos del agua. Normativa. Estudio de la eutroficación y de la estratificación térmica. Sedimentación y contaminación. Modelo matemático de fósforo. Demanda béntica o bental. Emisarios submarinos.Reacciones del cuerpo receptor. Conceptos y ecuaciones fundamentales del comportamiento de contaminantes en ríos y canales.

Índice:

1. Introducción...4

1.1. Entorno del agua dulce...4

Clasificación de los sistemas de agua dulce:...4

El oxigeno en los sistemas de agua dulce:...4

Química del agua:...5

Luz y zonificación en lagos:...5

Estudio de los nutrientes...6

1.2. Contaminación de aguas dulces...7

Concepto de contaminación:...7

Contaminantes acuáticos...8

2. Contaminación en función de los usos del agua...11

2.1. Criterios relativos a la calidad de las aguas...11

2.2. Principales problemas de contaminación...12

3.Perspectiva general de un problema de calidad de aguas superficiales y principios para el establecimiento del nivel de descargas...12

3.1. Componentes de un problema de calidad de aguas...12

3.2. Principios para el establecimiento del nivel de descarga...14

Noción....14

Pasos a seguir para establecer el nivel de descarga...14

Naturaleza de las descargas...16

4. Reacciones del cuerpo receptor...17

4.1. Introducción...17

4.2. Reaireación atmosférica...18

Solubilidad de oxigeno en agua...18

Evolución del oxígeno disuelto en distintas situaciones...18

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Cálculo del coeficiente de transferencia de oxígeno (kl)...20

Valoración de ka...21

4.3. Oxidación biológica de la materia orgánica...22

Etapas del proceso de oxigenación...22

Esquema de reacción de DBO en un cuerpo receptor...23

Análisis de DBOC(DBO debida a los compuestos de carbono) y DBON (DBO debida a los compuestos de nitrógeno)...23

DBOu: la suma de DBOC y DBON , se conoce como demanda biológica de oxigeno ultima:...24

4.4. Demanda béntica...25

Descomposición béntica...25

Gradiente vertical de OD...25

Expresión para la demanda béntica (DB)...26

Valores promedio de demanda béntica para distintos cursos...27

4.5. Producción de oxígeno por algas (Fotosíntesis y respiración)...27

Concepto...27

Estimación del efecto neto de las algas sobre el nivel de oxígeno disuelto...28

4.6. Comportamiento de las bacterias coliformes...29

Introducción...29

Mortalidad bacteriana...30

Efecto de la temperatura sobre la velocidad de reacción...30

5. Conceptos y ecuaciones fundamentales del comportamiento de contaminantes en ríos y canales.31 5.1. Introducción...31

Efectos que sufren los contaminantes...31

Concepto de sistema simple...31

5.2. Análisis del comportamiento del contaminante en el curso de agua...32

Concepto...32

Suposiciones en las que se basa el análisis...32

Ecuación de balance de masa...34

Estado estacionario sustancia-conservativa...35

Estado estacionario sustancia-no conservativa...36

6. Calidad del agua en lagos y embalses...36

6.1. Problemas que afectan la calidad del agua en embalses...36

6.2. Parámetros físicos que afectan la calidad del agua...36

6.3. Calidad trófica de los lagos-clasificación de lagos según su producción primaria...37

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Clasificación de lagos según su producción primaria...38

Parámetros que caracterizan cada estado trófico...38

Correlaciones entre los parámetros que caracterizan cada estado trófico...38

Características generales de los lagos eutróficos y oligotróficos...40

6.4. Estudio de la estratificaron térmica y perfil de temperatura...41

Temperatura y densidad del agua...41

La estratificación térmica y las estaciones del año...41

Zonas de la estratificación térmica...42

Efectos de la estratificación térmica...43

Parámetros para ponderar la estratificación térmica...43

6.5. Estudio de la eutroficación en lagos...44

Plantas acuáticas...44

Definición y concepto de eutroficación...45

Descripción de los nutrientes...45

Fuentes de los nutrientes...46

Análisis de la relación Nitrógeno-Fosforo...47

Variables fundamentales en el análisis de la eutroficación...49

Mecanismos básicos de eutroficación...50

Efectos de la eutroficación...51

Reducción y control del crecimiento vegetal...52

Modelos simplificados de fitoplancton en lagos...53

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1. Introducción

La ciencia en la que se enmarca el tema es la Limnología, que se ocupa del estudio de los ecosistemas de ríos y lagos, donde no solo se consideran los ecosistemas de agua corriente (medios loticos) y los de agua quieta (medios lenticos), sino también, los acuosos de manantiales y aguas subterráneas.

1.1. Entorno del agua dulce

• Clasificación de los sistemas de agua dulce:

o Loticos: Son ríos, arroyos manantiales, en donde el agua circula a cierta velocidad, las características principales de estos sistemas son:

 el flujo es unidireccional.

 presenta un estado de cambio continuo.

 hay muchos grados de heterogeneidad espacial y temporal (micro hábitats).

 gran diversidad.

 la biota está especializada para vivir en condiciones fluviales.

o Lenticos: Son cuerpos de agua cerrados, que permanecen en el mismo lugar sin fluir, comprenden todas las aguas estancadas sin flujo de corriente como lagos, lagunas, pantanos, etc.

Estos ambientes cambian con el tiempo, disminuyendo su profundidad y aumentando su vegetación, hasta la desaparición total del cuerpo de agua. Estos ambientes presentan 3 zonas bien definidas:

 Litoral  Eufótica  Profunda

• El oxigeno en los sistemas de agua dulce:

El oxigeno es 30 veces menos abundante en el agua que en el aire, y por lo tanto puede llegar a convertirse en un factor limitante. La concentración de oxigeno aumenta a medida que se reduce la temperatura del agua y a medida que aumenta

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la turbulencia y la mezcla en el agua, así que, una corriente rápida, poco profunda y turbulenta, tiene mayores niveles de oxigeno disuelto que un río lento y profundo. Cualquier tipo de perturbación que reduzca los niveles de oxigeno, tendrá un efecto dramático en el funcionamiento de las comunidades y los ecosistemas de agua dulce.

• Química del agua:

La naturaleza química de los sistemas de agua dulce, refleja fuertemente los tipos de suelos por los que se drenan y los usos del mismo. En regiones de piedra caliza los arroyos y los lagos tienen alta alcalinidad y pH, en regiones de granito las aguas dulces tienen bajo contenido de sales disueltas y normalmente son acidas. En zonas agrícolas, el N y P de los fertilizantes entran en el sistema acuático.

• Luz y zonificación en lagos:

La penetración de la radiación solar en las aguas es pobre, y por lo tanto, la luz puede ser un factor que limita la fotosíntesis de las plantas acuáticas, que quedan restringidas a profundidades bastante pequeñas y son muy dependientes de la claridad de las aguas.

Por esta razón existe una zonificación clara de las plantas en los lagos que se describe a continuación:

o Zona litoral: Se encuentra en los bordes de los lagos y se extiende hasta la profundidad de las poblaciones más interiores de las plantas con raíces (algas, jacintos de agua, juncos etc.).

o Zona Eufótica: Se extiende hasta la profundidad donde la intensidad media de la luz, permite que la producción de plantas se iguale a la respiración (punto de compensación de la luz). Estas plantas se denominan Fitoplancton, que son organismos unicelulares o pequeñas colonias de algas.

Por debajo del punto de compensación de la luz, no existe suficiente luminosidad para permitir la fotosíntesis y por ende la supervivencia de las plantas.

Por otra parte la turbulencia de las aguas ayuda a la producción de fitoplancton ya que permite que este, aunque tienda a hundirse, se desplace hacia zonas más superficiales.

o Zona profunda:

Carece de plantas, pero recibe la fuente de energía heterótrofa en forma de lluvia de detritos, procedente de las zonas más altas (organismos muertos, heces, etc.). El proceso de descomposición del detrito emplea oxigeno.

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Niveles altos de nutrientes originan altos niveles de producción de plantas y mucha cantidad de detritos que cae a la zona profunda donde perecen las plantas. A su vez, este hecho, origina altos niveles de descomposición que consecuentemente originan disminución de oxigeno.

• Estudio de los nutrientes

o Micronutrientes: Son materias inorgánicas necesarias para los seres vivos pero solo en cantidades muy pequeñas (hierro, cobre, cloro, zinc, yodo, etc.). En los animales engloba las vitaminas y minerales y en las plantas son todos minerales.

Algunos de los más importantes son el yodo, hierro y vitamina A, esenciales para el crecimiento físico y existen otros como zinc, acido fólico y calcio.

o Macronutrientes: Son aquellos nutrientes que son requeridos en grandes cantidades por los organismos vivientes como agua carbono, nitrógeno, fósforo, etc.

Las plantas consumen carbono, hidrogeno y oxigeno presentes en el agua y dióxido de carbono. También requieren nitrógeno, fósforo, potasio, magnesio, calcio y azufre, usualmente son fuentes de componentes inorgánicos (dióxido de carbono, agua, nitrato, fosfato, etc.) y orgánicos (carbohidratos, lípidos y proteínas).

Los más importantes, a tener en cuenta en el estudio de lagos y lagunas, debido a la importancia de la eutroficación son:

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 Nitrógeno: Es un componente básico de las proteínas, en el agua lo usan los productores primarios en la producción de células.

La mayor cantidad de nitrógeno está en la atmosfera.

Las plantas tienen la capacidad de fijar el N2 y convertirlo en nitrato. Los animales no pueden utilizar el nitrógeno inorgánico o el que proviene de la atmosfera, a menos que sea convertido primero a su forma orgánica. La conversión de N2 a amoniaco (NH3), tiene lugar cuando el hidrogeno se combina con el nitrógeno, este amoniaco generalmente se utiliza para obtener fertilizantes.

En un medio acuoso, el nitrógeno disuelto, puede fijarse mediante las algas y las bacterias.

Las grandes concentraciones de nitrógeno orgánico, son indicativas de contaminación orgánica en aguas superficiales.

 Fósforo: Es un nutriente muy importante en el medio acuático y es el nutriente limitante de la eutroficación.

Se encuentra en todos los organismos vivos.

Se puede introducir en detergentes y fertilizantes utilizados en cultivos, alrededor del 80 % de la producción de fosfatos son fertilizantes.

Los fosfatos están presentes en las aguas superficiales como resultado de la meteorización y lixiviación de las rocas portadoras de fósforo, procedentes de la erosión del suelo, también provienen de aguas residuales de aguas fecales y de escorrentía agrícola.

1.2. Contaminación de aguas dulces • Concepto de contaminación:

Se dice que existe un problema de contaminación, cuando uno o más usos del agua, se ven afectados.

Los usos más comunes del agua son: o Consumo humano e industrial o Recreativo de contacto directo o Recreativo de contacto indirecto o Pesca comercial

o Irrigación

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En base a esta definición, se deben establecer parámetros y criterios estándares de calidad del agua para cada unos de los usos, para saber cuándo se está frente a un problema de contaminación.

• Contaminantes acuáticos

Se han censado más de 1500 sustancias contaminantes en sistemas acuáticos, que pueden interactuar por adición, antagonismo o sinergia.

o Contaminación de agua dulce: El mayor volumen de vertidos en sistemas de agua dulce está formado de materia orgánica, aguas residuales municipales y aguas residuales procedentes de la industria y agricultura. Estos residuos se descomponen en presencia de oxigeno mediante la actividad bacteriana, lo que afecta los niveles de oxigeno disuelto en el agua y los nutrientes que se liberan como nitratos y fosfatos. A medida que el oxigeno disuelto desciende, se multiplican las bacterias anaerobias capaces de oxidar compuestos orgánicos sin presencia de oxigeno. Los productos finales resultantes son el sulfuro de hidrogeno, metano y amoniaco que resultan tóxicos para los organismos superiores.

o Curvas de déficit de oxigeno: Cuando los residuos entran en un sistema acuático, se produce como respuesta a esto una disminución de los niveles de oxigeno disuelto en la zona inmediatamente inferior a su origen.

El perfil longitudinal de la concentración de oxigeno recibe el nombre de “curva de déficit de oxigeno”, la zona de río abajo afectada depende de del nivel de contaminación.

La forma de la curva dependerá del flujo y puede cambiar según la estación, así, en condiciones de flujo escaso prevalecen los niveles de oxigeno mínimo a lo largo de grandes distancias. El nivel de desoxigenación variara con la temperatura, la dilución del efluente, el grado de aireación del río, la DBO del vertido etc.

La recuperación de los niveles de oxigeno, se produce mediante la dilución del efluente y la reducción de esta por descomposición.

La reoxigenación río abajo también aumenta los niveles de oxigeno y la curva de déficit repercutirá gravemente en la biología del sistema.

Los incidentes graves de contaminación pueden producir la completa desoxigenación y un medio anóxico, lo que provoca total eliminación de la biota.

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Ilustración 2: Efecto de diferentes niveles de vertido de efluentes orgánicos en el contenido de oxigeno del agua fluvial para ilustrar la curva de déficit de oxigeno

Las figuras siguientes representan los cambios químicos de la parte inferior de un río que recibe el vertido de efluentes. Los niveles de sólidos en suspensión y DBO son elevados en la cercanía del punto de vertido y el nivel de oxigeno desciende rápidamente, de esta manera los niveles de amoniaco, nitratos y fosfatos son elevados en el lugar del vertido pero a medida que se descompone la materia orgánica alcanzan diferentes puntos más altos de concentración en las aguas a diferentes distancias de la fuente de concentración. Estos cambios están influenciados por microorganismos y afectan a los macroorganismos del río.

Ilustración 3: Diagrama de los efectos de un efluente orgánico en un río y cambios físicos y químicos

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o Eutroficación: Este tema se desarrollara exhaustivamente en los apartados subsiguientes, por ser de vital importancia en el estudio de la contaminación hídrica de lagos y embalses, tema eje de esta presentación.

o Acidificación de aguas superficiales: En tierras altas, remotas y despobladas de roca poco desgastada por las condiciones climáticas y suelos de poco espesor y poco estabilizados la acidificación de lagos y ríos es un gran problema.

En la actualidad existen muchas masas de agua con bajo pH y alcalinidad y elevada concentración de metales como consecuencia de la acidificación.

 Causas de la acidificación del agua dulce

Deposición atmosférica: No solamente la lluvia acida producida por la contaminación atmosférica es la causa de la acidificación, sino que esta se producirá si la vegetación, los suelos y las rocas con las que entra en contacto la lluvia, antes de llegar al cuerpo receptor, no neutraliza la deposición acida total.

Los contaminantes que producen las lluvias acidas pueden ser: oxido de sulfuro y nitrógeno emitidos por plantas generadoras de energía a partir de combustibles fósiles u óxidos de nitrógeno e hidrocarburos emitidos por los motores de combustión interna.

Los contaminantes alcanzan la superficie terrestre en forma de depósitos secos o disueltos en la humedad ambiental que precipita. La vegetación es capaz de depurar contaminantes de manera muy eficaz cuando las aguas de lluvia atraviesan las copas de los árboles, los materiales depositados se lavan de las copas de los árboles, a esto se lo denomina “depuración por vegetación”.

Las aguas superficiales solo se acidifican si el suelo es incapaz de amortiguar los efectos de la precipitación acida (suelos subyacentes).  Efectos de la acidificación: La acidificación puede afectar a los

organismos de manera directa mediante tensión fisiológica, o indirectamente por cambios en el abastecimiento de comida. En las aguas mas acidas existen menos especies que en las aguas menos acidas.

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2. Contaminación en función de los usos del agua 2.1. Criterios relativos a la calidad de las aguas

Estos criterios sirven para determinar la calidad de las aguas requerida para distintos usos. En síntesis la misión del profesional responsable de la calidad del agua es diagnosticar el problema, relacionarlo con el uso interferido y la manifestación del mismo, determinar las variables que deben ser controladas y los medios disponibles para ello.

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2.2. Principales problemas de contaminación

En el cuadro siguiente se pueden ver los principales problemas de contaminación de acuerdo a como han sido percibidos por su interferencia con varios usos de agua y confirmado por medio de análisis respectivos.

Se muestran también las interferencias y manifestaciones especificas de esas interferencias.

Tabla 2: Principales problemas de contaminación

3. Perspectiva general de un problema de calidad de aguas superficiales y principios para el establecimiento del nivel de descargas

3.1. Componentes de un problema de calidad de aguas

Cuando se enfrenta un problema de calidad de aguas superficiales, lo más acertado es dividirlo en sus principales componentes con se indica en la Ilustración 4.

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Los principales componentes de un problema de calidad de agua son:

• Entradas al ecosistema formadas por descargas de las actividades antropogénicas o naturales.

• Comportamiento del ecosistema formado por reacciones y transporte físico, o sea las transformaciones químicas y el movimiento de las aguas.

• Salida del ecosistema, formada por la concentración resultante de una sustancia en un punto definido de un cuerpo de agua en un tiempo determinado.

Conclusión: Las entradas son volcadas al ecosistema (río, lago, estuario etc.) y como resultado de los fenómenos físico-químicos y biológicos que tienen lugar en ese ecosistema (degradación bacteriana, sedimentación etc.) las entradas se transforman en una concentración especifica de la sustancia de interés en el cuerpo de agua.

Luego a través de varios mecanismos de opinión pública, legislación y evaluación, la sociedad establece un uso del cuerpo de agua. Este uso a su vez se transforma en estándares de calidad. De la comparación de los estándares de calidad y las concentraciones resultantes surge la necesidad de implementar o no una política de control.

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3.2. Principios para el establecimiento del nivel de descarga

• Noción: El problema central del manejo de la calidad del agua es determinar el nivel de descarga permisible a un cuerpo de agua de forma tal que cumpla con los estándares de calidad correspondiente al uso asignado.

• Pasos a seguir para establecer el nivel de descarga (Ilustración 5)

1. Establecer un uso deseado del cuerpo de agua (recreación, agricultura etc.) 2. Selección de un criterio de calidad de agua que permita dicho uso.

3. La síntesis del uso establecido y el criterio de calidad de aguas en un estándar, promulgado por la autoridad competente.

4. Análisis de las relaciones causa-efecto, entre las descargas presentes y proyectadas y las respuesta de calidad del agua a través de:

I. Datos de calidad del lugar y un modelo matemático calibrado y verificado. II. Análisis mediante modelos basándose en información de literatura u otros

estudios y criterio ingenieril.

5. Análisis de sensibilidad y proyecciones, para llegar al estándar de calidad mediante diferentes niveles de descargas entrantes al sistema.

6. Determinación de un factor de seguridad para preservar la capacidad de asimilación.

7. Para las descargas residuales se evalúan: I. Costos individuales de los contaminantes.

II. Costos regionales para llegar al nivel de descarga pretendido y los beneficios consecuentes del mejoramiento de la calidad de las aguas.

8. Revisión de factibilidad de llegar al uso asignado cumpliendo con los estándares de calidad.

9. Se establece el nivel de descarga.

“La evaluación de la respuesta del sistema frente a distintas descargas de contaminación están dadas por un modelo matemático de calidad de aguas que tiene en cuenta distintos parámetros y condiciones de trabajo” (Ilustración 6)

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Ilustración 5: Secuencia de análisis para establecer el nivel de descarga al curso receptor.

Ilustración 6: Principales componentes de la secuencia de desarrollo y aplicación de un modelo matemático.

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• Naturaleza de las descargas

Ilustración 7: Regulación de descargas de materia orgánica (DBO) para el cumplimiento del estándar de oxigeno disuelto (OD).

En la figura 7 se aprecia un ejemplo de regulación de las descargas de materia orgánica medida en términos de DBO para mantener un nivel de oxigeno disuelto

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Las descargas a un cuerpo receptor se pueden dividir en dos categorías:

a) Descargas puntuales

Pueden ser de origen municipal (con tratamiento total o parcial) o de origen industrial, disponen de un lugar de vuelco bien definido y usualmente son de tipo continuo.

Puede ser un conducto o grupo de conductos y pueden incluir en sus vuelcos DBO, bacterias, nutrientes y sustancias toxicas peligrosas.

b) Descargas distribuidas

Son de origen difuso o sea que no se pueden relacionar con un origen localizado específico.

Este tipo de descargas puede entrar a un lago o río por escorrentía superficial, aporte atmosférico, infiltración de aguas subterráneas, drenaje de actividades mineras o lixiviados de rellenos de disposición de residuos sólidos.

Este tipo de descargas tienden a ser transitorias, como por ejemplo el efecto de la lluvia en la agricultura, otras como el lixiviado tienden a ser constantes.

4. Reacciones del cuerpo receptor 4.1. Introducción

En este punto nos referimos al comportamiento del sistema receptor frente a las descargas. Cuando se producen dichas descargas tiene lugar una serie de procesos: físicos, químicos y biológicos, cuyos efectos dependen de la naturaleza y estado del residuo y de la condición biofísica del cuerpo receptor, que está dada por la biota planctónica y béntica como así también por las características geomorfológicas y geofísicas de la cuenca de drenaje. El desecho vertido puede ser de origen orgánico e inorgánico y puede existir en forma disuelta, coloidal o suspendida.

Los componentes de la masa de agua están sujetos a estos procesos de transformación, en donde los que corresponden a un componente especifico dependen de si dicho componente es conservativo (no reacciona con el agua Ejemplo: metales) o no conservativo.

Algunos de los componentes clave para la calidad del agua son: • OD Y DBO [ mg/l]

• Temperatura • Salinidad [ mg/l ] • Algas como clorofila

• P orgánico y disuelto • Coliformes

• Metales

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• N como N orgánico • N como amoniaco • N como nitrato • N como nitrito • Compuestos orgánicos • Etc. 4.2. Reaireación atmosférica

• Solubilidad de oxigeno en agua

El oxígeno atmosférico, es soluble en agua hasta un valor máximo denominado concentración de saturación (Cs), que es la cantidad máxima de oxígeno que puede estar disuelta, en equilibrio con la presión parcial del oxigeno de la atmósfera, esta presión parcial está determinada por el porcentaje en volumen de oxigeno en la atmosfera en contacto con el agua (Aproximadamente 21 %) y depende de la temperatura, presión atmosférica y grado de vapor de saturación.

La solubilidad del oxígeno en agua también se ve afectada por la concentración salina.

Ilustración 8: Curvas de saturación de oxigeno disuelto en agua

• Evolución del oxígeno disuelto en distintas situaciones

El OD puede ser removido o agregado a la fase líquida por diferentes procesos físicos, químicos y biológicos. En la figura 9 podemos ver como al principio la concentración de OD se encuentra en equilibrio con el vapor de saturación, hasta que como consecuencia de una descarga biodegradable, se produce consumo de

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oxígeno que hace que la concentración este por debajo de Cs, se produce entonces un flujo de oxígeno desde la atmosfera hasta la fase líquida hasta que Cs = COD (concentración de saturación = concentración de oxigeno disuelto).

Otra situación que puede ocurrir es el paso del curso de agua a través de una zona de rápidos, con gran turbulencia, en donde la COD alcanza valores superiores a Cs y el flujo de gas tiene lugar desde la fase líquida hacia la atmósfera hasta equilibrar nuevamente Cs = COD.

Ilustración 9: Evolución de OD en un cuerpo receptor para distintas situaciones.

• Velocidad de transferencia del oxígeno

La velocidad de transferencia por unidad de área es proporcional a la fuerza impulsora

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Luego para la condición inicial t=0 y C=C0 la ecuación anterior queda:

Para:

Si lo expresamos en términos de déficit de oxígeno disuelto (D):

Expresión que indica que el déficit de oxígeno al tiempo “t” es proporcional al déficit inicial (D0) y a ka.

• Cálculo del coeficiente de transferencia de oxígeno (kl)

Para el cálculo del coeficiente de transferencia de oxígeno, utilizamos la expresión desarrollada por DANCKWERTS:

íquida

Para aguas superficiales “r” puede aproximarse a la relación entre la velocidad y la profundidad

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Luego:

• Valoración de ka

A fin de evaluar ka, que es el coeficiente empleado en los cálculos prácticos, se han desarrollado una serie de expresiones, donde la más conocida es la de O´CONNOR:

Otros investigadores han desarrollado fórmulas que se aplican a cursos de agua de distintas profundidades y velocidades medias, en el siguiente cuadro se muestra un resumen de ellas:

También existe un grafico que permite realizar estimaciones rápidas de ka, en función de la velocidad y la profundidad de curso de agua. Se puede trabajar con valores medios, o puntuales de V y H, según el tipo da ka que se desee calcular.

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Ilustración 10: Coeficiente de Reaireación en función de la profundidad.

4.3. Oxidación biológica de la materia orgánica

Generalmente a esta transformación se la denomina desoxigenación.

La estabilización biológica de la materia orgánica, provoca el consumo total o parcial del oxígeno disuelto, este fenómeno se conoce como DBO que se define como la cantidad de oxígeno requerida para estabilizar la materia orgánica en condiciones estándar.

• Etapas del proceso de oxigenación

Este proceso se lleva a cabo en dos etapas:

o Estabilización de materia carbonácea: se lleva a cabo por organismos saprófitos, es decir aquellos que toman energía de la ruptura de los compuestos orgánicos y se evidencia por los cambios en el contenido de materia orgánica, cantidad de bacterias y el consumo de oxígeno.

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o Oxidación de materia nitrogenada: se desarrolla por bacterias autótrofas que utilizan compuestos inorgánicos simples en su metabolismo. Esta etapa, incluye, la conversión de nitrógeno orgánico a amonio y la subsecuente oxidación de este último. La mayoría de los efluentes contienen nitrógeno orgánico como urea, conjuntamente con amoníaco. El primero es hidrolizado a amoníaco, en condiciones aerobias o anaerobias, luego es oxidado a nitrito y nitrato.

A su vez, cada una de estas etapas se lleva a cabo en dos fases: síntesis y respiración.

• Esquema de reacción de DBO en un cuerpo receptor

• Análisis de DBOC(DBO debida a los compuestos de carbono) y DBON (DBO debida a los compuestos de nitrógeno)

Usualmente, se satisface primero la etapa carbonacea, existiendo un retardo en el desarrollo de las bacterias nitrificantes, que puede variar de dos días para aguas residuales con alto tratamiento previo hasta 10 días para aguas residuales puras.

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Ilustración 11: representación del comportamiento de ambas DBO.

También se puede representar, la variación de las DBO, de acuerdo con el tipo de descarga al cuerpo receptor:

Ilustración 12: Variación de las DBO para distintos tipos de agua.

• DBOu: la suma de DBOC y DBON , se conoce como demanda biológica de oxigeno ultima:

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4.4. Demanda béntica

• Descomposición béntica

Es la estabilización de los sólidos suspendidos volátiles, que sedimentan en el fondo del curso receptor. Esta estabilización se lleva a cabo por la actividad biológica de muchos organismos. La naturaleza de la descomposición es a la vez aeróbica y anaeróbica:

o Aeróbica: si la columna de agua sobre el depósito contiene oxígeno, existirán condiciones aeróbicas en la superficie del sedimento. La penetración de oxigeno en la capa superior del lodo de fondo dependerá de la difusividad en el medio y la velocidad del consumo biológico.

o Anaeróbica: la mayoría de los depósitos sufren descomposición anaeróbica, y existe una difusión hacia la superficie de los productos de reacción. Luego, los productos solubles de la primera etapa de la digestión anaeróbica, son transportados a la interfase, donde son sujetos a oxidación aeróbica.

La primera etapa de la descomposición anaeróbica está caracterizada, por la producción de ácidos orgánicos, descenso del pH y un alta demanda de oxígeno. Los productos finales como metano e hidrógeno, pueden escapar como gases sin afectar en nivel de OD del líquido sobredrenante. Este último estado está caracterizado por la liberación de amoniaco y la liberación de material nitrogenado soluble.

Como consecuencia se produce la consolidación del depósito.

“De esta forma, se verifica que la estabilización es la vez aeróbica y anaeróbica, siendo esta acción combinada la llamada descomposición béntica”.

• Gradiente vertical de OD

A medida que la velocidad de descomposición se incrementa, la liberación de gases puede remover el sedimento y aumentar el pasaje de los productos líquidos finales desde la masa béntica al agua. Las burbujas de gas arrastran partículas de sedimento a la fase líquida y el oxígeno del agua se consume rápidamente.

Si el curso de agua tiene suficiente velocidad, la turbulencia, mantiene una concentración más o menos uniforme de oxigeno disuelto en la columna de agua.

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Cuando los cursos de agua son lentos o inmóviles, el depósito béntico puede producir un gradiente vertical de OD, este efecto se agrava si el curso es muy profundo, pudiendo disminuir el OD de la capa inferior de la columna de agua y en el sedimento.

Ilustración 13: Perfil de OD en cursos de agua con distintas velocidades.

• Expresión para la demanda béntica (DB)

La demanda béntica (DB), se expresa como consumo de oxígeno por unidad de superficie y tiempo:

Si vamos a evaluar el efecto de la DB, en el balance de OD, supondremos que el río está mezclado en la vertical. De esta forma, al extender el consumo de oxígeno a toda la columna líquida, deberemos dividir por la profundidad, luego:

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• Valores promedio de demanda béntica para distintos cursos

4.5. Producción de oxígeno por algas (Fotosíntesis y respiración) • Concepto

La presencia de algas (fitoplancton), en las aguas naturales (lagos o ríos lentos) puede ser la causa principal de la variación de OD, esto se debe a que las algas producen oxígeno (fotosíntesis) durante las horas del día y consumen oxígeno (respiración) continuamente.

Ilustración 14: Fotosíntesis y respiración del fitoplancton.

La magnitud del efecto, es función de la concentración de algas, con influencia de la radiación solar, la temperatura y los nutrientes.

Para un bajo suministro de nutrientes, la producción de oxígeno por fotosíntesis puede equilibrarse con el consumo de oxígeno, sin embargo, altos niveles de nutrientes originan un crecimiento excesivo de fitoplancton y un consumo alto de oxígeno.

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• Estimación del efecto neto de las algas sobre el nivel de oxígeno disuelto: o Producción diaria media de oxígeno Pav

En ciclos anuales, cuando todos los parámetros son relativamente constantes, se puede estimar este efecto en base al promedio diario, la producción fotosintética promediada en profundidad (Pav) puede ser estimada en relación a la producción máxima (Ps) en el momento de máxima intensidad de luz (Is), usando la expresión de RYTHER:

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En un cuerpo de agua natural, la intensidad de la luz incidente a cualquier profundidad (H), puede relacionarse con la intensidad de la luz en la superficie, con la expresión:

El coeficiente de extinción puede calcularse como:

También se puede calcular Ps, en función de la concentración de clorofila A (medida de la densidad de población de algas):

“Entonces, realizando mediciones de Clorofila A, intensidad de luz incidente I0,

f, ke y H, puede estimarse el valor de la producción diaria media de oxígeno

Pav.”

o Consumo de oxígeno en la respiración (R) Se puede estimar R mediante la ecuación:

4.6. Comportamiento de las bacterias coliformes • Introducción

El grupo de bacterias coliformes totales “CT” se puede encontrar en muestras de suelo, heces humanas y otros animales, dentro de estas se encuentran el grupo de los coliformes fecales “CF”, que se utilizan como indicador de la presencia de organismos del tracto intestinal de seres humanos y animales.

Las “CF” se utilizan en la evaluación de aspectos sanitarios del agua y como regla general la correlación entre “CT” y “CF” es de 5:1.

Otro grupo que se utiliza es la estreptococos fecales “SF”, cuyo hábitat normal es el intestino animal o humano, pero generalmente más en los animales.

La relación CF/SF, se utiliza como indicador para diferenciar si el origen de las bacterias es humano (CF/SF>4) o de otro animal (CF/SF<1), pero esta relación según algunos investigadores no es válida dentro de las 24 hs de producido el

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vertido, porque la tasa de mortalidad de las CF y de la SF es distinta. Pero con “reservas” es un indicador válido para saber la fuente de contaminación.

• Mortalidad bacteriana

La supervivencia, comportamiento y distribución de las bacterias en las aguas naturales depende del tipo de cuerpo de agua (Río, lago etc.) y de otros fenómenos.

Los Factores que influyen en el comportamiento cinético de los organismos luego de su descarga en un cuerpo receptor son:

o Factores físicos: pueden afectar la población de coliformes, resultando en un incremento o disminución aparente de la tasa de mortalidad:

 Foto oxidación  Adsorción  Floculación  Coagulación  Sedimentación  Temperatura o Factores físico-químicos :  Efectos osmóticos  PH  Toxicidad  Potencial redox

o Factores bioquímicos y biológicos :  Concentración de nutrientes

 Presencia de sustancias orgánicas  Predadores

 Bacteriófagos (virus)  Algas

• Efecto de la temperatura sobre la velocidad de reacción

Este efecto es evaluado, mediante el empleo de una expresión basada en la fórmula de ARRHENIUS:

(31)

Parámetro ϴ Ka Kr - Kd Kn KB 1.024 1.047 1.080 1.070

5. Conceptos y ecuaciones fundamentales del comportamiento de contaminantes en ríos y canales

5.1. Introducción

•••• Efectos que sufren los contaminantes

Cuando un contaminante es introducido en un cuerpo de agua, sufre tres efectos fundamentales:

• Dispersión

• Transporte advectivo • Transformación

La determinación de la forma en que se producen los efectos en el tiempo y en el espacio, nos permite predecir el comportamiento del contaminante en el curso receptor. •••• Concepto de sistema simple

Son sistemas que presentan una relación funcional, entre la entrada (descarga de material) y una salida única (concentración del material aguas abajo).

(32)

5.2. Análisis del comportamiento del contaminante en el curso de agua •••• Concepto

En este análisis, se establece una relación determinística, entre la entrada de contaminantes y la calidad del agua a la salida del sistema. Para esto, se considera un pequeño diferencial de volumen en el río, donde el eje “X” coincide con la dirección del flujo, el eje “Y” con la sección transversal y el eje “Z” con la profundidad.

Ilustración 15: diferencial de volumen que se toma en el análisis

La idea básica para construir esta relación, es aplicar una Ecuación de balance de masa al elemento de volumen, que tenga en cuenta todo el material que entra y sale del mismo.

•••• Suposiciones en las que se basa el análisis o Cuerpo de agua homogéneamente mezclado

Al realizar esta consideración, asumimos también que el análisis es unidireccional, porque, debido a que el cuerpo de agua se encuentra mezclado en su sección transversal y en su profundidad, el contaminante presenta un gradiente solo en el eje “X” que coincide con la dirección del flujo. Entonces se tomará en cuenta únicamente el material que entra y sale de la cara perpendicular a la dirección del flujo.

El elemento de volumen “V”, representa una porción de la sección transversal de espesor “∆X” del río y esta dado por la expresión “A . ∆X”, donde “A” es el área de la sección transversal.

(33)

Ilustración 16: Comportamiento de un diferencial de volumen

o Medio no dispersivo

Con esta suposición asumimos que no existe mezcla debida a difusión o dispersión del material.

Esto se denomina como un sistema flujo pistón, como se ve en la figura:

Ilustración 17: Descarga en un curso receptor supuesto como sistema no dispersivo Flujo pistón (a)- situación real (b)

Si bien esta suposición no es estrictamente cierta dado que ciertos gradientes de velocidad lateral o vertical producen algo de dispersión, representa una aproximación razonable al caso real.

(34)

o El sistema se encuentra en estado estacionario o En el análisis se emplean cinéticas de primer orden

Esta suposición está relacionada con la cinética de las reacciones biológicas y bioquímicas, en donde se utilizan cinéticas de primer orden, de forma que la velocidad de cambio de la concentración de un material es directamente proporcional a la concentración del mismo al tiempo “t”. Matemáticamente el sistema permanece lineal, lo que es muy útil dado que se aplica el principio de superposición.

•••• Ecuación de balance de masa

La masa total que entra a “∆V” en el intervalo de tiempo “∆t” es:

Luego, la masa que sale por la cara opuesta a una distancia “∆X” es:

Donde

Siguiendo con el desarrollo, el cambio total de masa, en el intervalo de tiempo “∆t”, será la diferencia entre la cantidad que entra y sale del elemento de volumen más algunas adiciones y remociones de C, así:

Donde K= Coeficiente de reacción de número de orden [1/d] El término “adiciones y remociones” está compuesto por: -Una carga puntual en la condición de borde X=0 -Una descarga distribuida en el eje “X” con:

Cd: representa la cantidad de material agregada por el caudal Q en el intervalo “∆t”.

(35)

-Una carga de fondo o ribera que no agrega caudal pero agrega o remueve material con:

CF: representa la cantidad de material agregada o retirada del curso de agua por unidad de tiempo.

Si ahora unimos términos, multiplicamos y dividimos por “∆t” y V=A. ∆X y llevamos los términos infinitesimales a cero, nos queda:

Esta ecuación, es la expresión diferencial de un sistema simple no dispersivo y su colocamos en el punto de descarga el eje de coordenadas condiciones de borde a emplear son:

En

Concentración “C” en el punto de descarga

•••• Estado estacionario sustancia-conservativa o Definición de sustancias conservativas

Son sustancias que no sufren decaimiento en el tiempo, o bien, desaparecen del sistema por sedimentación, adsorción u otros fenómenos [Ejemplo: NaCl]. o Suposiciones que se verifican en este caso:

 Constante de reacción de primer orden K=0  Q, A y C se consideran constantes en el tiempo  Existe una sola fuente de contaminación

 Por la condición de estado estacionario:

.  Por la suposición de coeficientes constantes o Solución de la ecuación

Si aplicamos las suposiciones a la ecuación de balance de masa, nos queda:

“Donde la solución de esta ecuación diferencial, es una constante que es la concentración del contaminante en el punto de salida. Luego cualquier entrada posterior de una descarga, debe considerarse aplicando el

(36)

principio de superposición, que indica que la concentración total es la suma de las concentraciones individuales”.

•••• Estado estacionario sustancia-no conservativa o Definición de sustancia no conservativa

Estas sustancias sufren degradación en el tiempo [ejemplo: materia orgánica medida en términos de DBO).

o Solución

Si consideramos Q y A constantes y en una primera instancia, solamente tenemos en cuenta las descargas puntuales o sea que CF=Cd=0, la ecuación de balance de masa queda:

Por la condición de borde

Como se puede ver, al ser contaminantes no conservativos, la concentración decae con el tiempo.

Si ahora, tenemos en cuenta también la cantidad de material agregada o retirada por unidad de tiempo (CF) la ecuación nos queda:

Por la condición de borde

6. Calidad del agua en lagos y embalses

6.1. Problemas que afectan la calidad del agua en embalses

Los problemas de calidad del agua son debidos a procesos de eutroficación causados por:

o Vertidos de aguas residuales urbanas e industriales o Escorrentía urbana.

o Escorrentía agrícola con fertilizantes naturales y artificiales que producen cargas de nutrientes.

o Biocidas procedentes de la agricultura. 6.2. Parámetros físicos que afectan la calidad del agua

Los parámetros físicos clave que afectan la calidad del agua son: o Movimiento de los vientos.

(37)

o Aportes / descargas.

Si se analizan estos parámetros a lo largo del ciclo anual típico del hemisferio norte tenemos:

o Aportes reducidos en verano con la correspondiente reducción del nivel de las aguas.

o Incremento de la radiación solar en verano y aumento de la temperatura en zonas cercanas a la superficie.

o Valores reducidos de oxigeno disuelto en verano debido al incremento de temperatura y reducción del nivel de agua.

Ilustración 18: Esquema de las tendencias en nivel de agua, temperatura y radiación solar a lo largo del año en un lago moderadamente en reposo.

6.3. Calidad trófica de los lagos-clasificación de lagos según su producción primaria • Fotosíntesis y producción primaria

o Fotosíntesis

Las plantas verdes crean su propio alimento (autótrofas), mediante unas complejas series de reacciones químicas impulsadas por la radiación solar, utilizando pigmentos llamados clorofila, estos pigmentos pueden sintetizar moléculas orgánicas ricas en energía como la glucosa, a partir del dióxido de carbono y agua con liberación de oxigeno.

o Producción primaria

La producción primaria bruta es la cantidad total de energía química (o biomasa) acumulada por las plantas.

(38)

Pero como parte de esa energía se utiliza en la respiración:

Producción primaria neta = producción primaria - respiración

• Clasificación de lagos según su producción primaria

Los lagos se pueden clasificar en base a su producción primaria como:

o Oligotróficos: lagos con baja productividad primaria, que se caracterizan por tener altos niveles de oxigeno disuelto y concentraciones bajas de nutrientes. o Mesotróficos: lagos con productividad primaria media y valores medios de

oxigeno disuelto y nutrientes.

o Eutróficos: lagos de alta productividad primaria, con niveles de oxigeno bajos y concentraciones de nutrientes elevadas.

• Parámetros que caracterizan cada estado trófico

El estado trófico que posea el lago, dependerá del valor que tomen en el mismo, varios parámetros de calidad del agua, dichos parámetros son: concentración de fósforo total, clorofila, profundidad del disco SECCHI y deflexión de oxigeno en el hipolimnio. Los valores que toman estos parámetros, para los distintos estados tróficos se resumen en el Tabla 3.

Tabla 3: Calidad trófica de los lagos

• Correlaciones entre los parámetros que caracterizan cada estado trófico

o Relación entre la concentración de clorofila y la concentración de fósforo

(39)

o Correlaciones entre los distintos parámetros indicadores del estado trófico según Rast y Lee

“A”= concentración de clorofila

(40)

Ilustración 20: Clorofila “A” vs Profundidad disco secchi.

Ilustración 21: Concentración de fósforo vs consumo de oxigeno en el hipolimnion

• Características generales de los lagos eutróficos y oligotróficos

(41)

6.4. Estudio de la estratificaron térmica y perfil de temperatura • Temperatura y densidad del agua

Una importante propiedad del agua es que la densidad tiene un máximo a los 4 ºC, el agua más templada flota sobre el agua más fría y debido a esto existe un perfil de temperatura que varia con la profundidad.

• La estratificación térmica y las estaciones del año

Durante el invierno, las temperaturas son relativamente uniformes en todo el lago ya que el viento provoca turbulencias que mezclan el agua de arriba hacia abajo. En primavera y principios de verano, las aguas superficiales se calientan por acción de la radiación solar, disminuye su densidad y flotan sobre las aguas más frías que están abajo.

Estas diferencias en las densidades evitan que el agua se mezcle por el efecto del viento. A medida que la temperatura aumenta esta discontinuidad se acrecienta hasta que la masa de agua se estratifica.

(42)

Esta estratificación puede durar todo el verano y el otoño. En invierno la masa de agua alcanza nuevamente una temperatura similar en su conjunto, el viento puede mezclar toda el agua del lago, causando la inversión.

Ilustración 22: Mezclado del agua en toda su profundidad (invierno).

• Zonas de la estratificación térmica

Cuando se produce la estratificación térmica, la masa de agua se divide en tres zonas definidas que son:

o Epilimnio: es el volumen de agua que está en contacto con la superficie, la temperatura que tome depende de la radiación solar. En invierno las temperaturas alcanzan niveles de congelación y en verano la temperatura puede ascender hasta los 20 ºC.

o Thermoclima: es una zona que experimenta un gradiente de temperatura significativo particularmente en verano esto quiere decir que la temperatura disminuye rápidamente con la profundidad. Esta región crea una barrera que impide que las masas de agua que están por arriba y por debajo de ella, se mezclen con el efecto del viento.

o Hipolimnio: zona que se encuentra en la profundidad del lago, con temperaturas usuales de 4 ºC y en donde la temperatura y la densidad no cambian a lo largo de todo el año.

(43)

Ilustración 23: Estratificación térmica y perfil de temperatura.

• Efectos de la estratificación térmica

La estratificación térmica tiene efectos tanto en la concentración de oxigeno, como en el suministro de nutrientes.

Cuando un lago está estratificado, no hay mezcla entre las capas superiores e inferiores de agua y debido a esto, el Hipolimnio no recibe el oxigeno que está difundido en las aguas superficiales y por lo tanto se vuelve progresivamente anóxico, consecuentemente, el Epilimnio no recibe los nutrientes disueltos del fondo, en donde se produce la descomposición, de modo que la productividad primaria se ve limitada por los nutrientes y disminuye durante el verano.

Cuando se produce la inversión el Hipolimnio se recarga de oxigeno y el Epilimnio de nutrientes disueltos.

• Parámetros para ponderar la estratificación térmica o Número densimétrico de FROUDE

Antes de definir el numero densimétrico de FROUDE, debemos recordar que es el numero de FROUDE y que representa.

En hidráulica de canales vimos que este número se utilizaba para describir el efecto que tenia la gravedad en el escurrimiento del agua en canales, entonces, podemos decir que el efecto de la mayor o menor influencia de las fuerzas gravitacionales sobre las condiciones del escurrimiento se expresa por el parámetro adimensional denominado numero de FROUDE cuya expresión es la siguiente:

(44)

Valores altos de este número indican pequeña influencia de la gravedad en el escurrimiento.

Con respecto a la ponderación de la estratificación térmica se define el número densimétrico de FROUDE para lagos como sigue:

Entonces respecto a este número podemos decir que si:

o Número de RICHARDSON

Los lagos también se clasifican respecto a la estabilidad por su número de RICHARDSON:

Entonces sí:

6.5. Estudio de la eutroficación en lagos • Plantas acuáticas

(45)

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.

(46)

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

(47)

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.

(48)

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.

(49)

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.

(50)

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.

(51)

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.

(52)

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

(53)

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.

(54)

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.

(55)

• Ecuación básica para el fósforo total (

Para (3)

Ilustración 28: Balance de fósforo en un lago mezclado.

(56)

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:

Figure

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