Calidad Del Agua - Carlos Sierra Ramírez

CALIDAD DEL AGUA – Evaluación y diagnóstico –

Carlos Alberto Sierra Ramírez M.Sc. Water Resources Engineering George Washington University

ediciones

de la

CALIDAD DEL AGUA – 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 Dirección electrónica: [email protected] Universidad de Medellín. Medellín, Colombia Cra. 87 No. 30-65. Bloque 20, piso 2. Teléfonos: 340 52 42 - 340 53 35 Medellín - Colombia Distribución y ventas: Universidad de Medellín E-mail: [email protected] www.udem.edu.co Cra. 87 No. 30-65 - Teléfono: 340 52 42 Medellín, Colombia Ediciones de la U www.edicionesdelau.com Calle 24 A No. 43-22 - Quinta Paredes PBX: (57-1) 4-810505 Ext.114 Fax: (57-1) 3-440351 Bogotá, Colombia Fotografía portada: Diego Arango Bustamante Quebrada La Presidenta, Parque Comercial El Tesoro Diagramación: Hernán D. Durango T. [email protected] Impresión: Digiprint Editores E.U. Cl. 63 Bis No. 70-49 Fax: 224 2061 Tels.: 251 7060 - 430 7050 Bogotá, D.C. Colombia Todos los derechos reservados. Esta publicación no puede ser reproducida, ni en todo ni en parte, por ningún medio inventado o por inventarse, sin el permiso previo y por escrito de la Universidad de Medellín y de Ediciones de la U. Hecho el depósito legal.

A quienes son y han sido mis alumnos: 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.

Contenido PRESENTACIÓN.............................................................................................................. 23

CAPÍTULO 1

Conceptos generales 1.1 1.2 1.3 1.4

CLASIFICACIÓN DE LOS CUERPOS DE AGUA....................................................... 27 IMPORTANCIA DEL RECURSO AGUA.................................................................... 28 EL AGUA Y EL MUNDO.......................................................................................... 29 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 2.4 AGUA TRATADA (AGUA POTABLE)....................................................................... 52

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2.5 PROPIEDADES DEL AGUA...................................................................................... 52 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 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS................................................................................. 145

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CAPÍTULO 5

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 6.3.1.3 Pruebas estadísticas...................................................................... 185

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6.3.2 Distribuciones no normales. ..................................................................... 189 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 7.6 MANEJO DE LAS MUESTRAS.............................................................................. 223

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7.7 PRESERVACIÓN DE LAS MUESTRAS................................................................... 224 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 8.3.2.2 Condiciones de estado estable....................................................... 248

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8.3.3 Reactores flujo pistón................................................................................ 248 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 (k 1).............................................................. 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 (k d)....................... 286 9.1.2.1 Método de Bosko............................................................................ 287 9.1.2.2 Expresiones predictivas para calcular k d....................................... 287

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9.1.3 Constante de remoción efectiva de DBO en el cuerpo de agua (k R)........... 288 9.1.4 Comentarios generales acerca de k 1, k d y k R.............................................. 291 9.2 CONSTANTE DE NITRIFICACIÓN........................................................................ 292 9.2.1 Métodos para calcular k N. ......................................................................... 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 k N.......................................................... 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 k a............................................................... 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 10.4 CONDICIONES ANAERÓBICAS............................................................................ 338

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10.5 LONGITUD DE MEZCLA....................................................................................... 341 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 Efectos negativos de la eutroficación......................................................... 393

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12.1.3.1 Efectos en el abastecimiento de agua........................................... 393 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 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS................................................................................. 425

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CAPÍTULO 13

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 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS................................................................................. 457

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Tablas

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

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 2.1

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

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Tabla 4.11 Criterios generales de calidad del agua para los diferentes usos del agua 138 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 k d y k R 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

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Figuras Figura 1.1 Figura 1.2 Figura 1.3 Figura 2.1 Figura 2.2 Figura 2.3 Figura 2.4 Figura 2.5 Figura 5.1 Figura 6.1 Figura 6.2 Figura 6.3 Figura 6.4 Figura 6.5 Figura 7.1 Figura 7.2 Figura 7.3 Figura 7.4 Figura 7.5 Figura 7.6 Figura 7.7 Figura 8.1 Figura 8.2 Figura 8.3 Figura 8.4 Figura 8.5 Figura 8.6 Figura 8.7 Figura 8.8 Figura 8.9 Figura 8.10

Vertientes hídricas en Colombia......................................................... Ingeniería de la calidad del agua........................................................ Concepto de carga y flujo contaminante............................................. Diferentes formas de sólidos presentes en el agua.............................. Escala de pH....................................................................................... Clases de acidez según el pH.............................................................. Forma química del ión alkyl-benceno sulfonato.................................. Ensayo de los tubos múltiples............................................................. Función de calidad para DBO5............................................................ Histograma de los datos de P total en el embalse A........................... Histograma de frecuencias construido con los datos de la Tabla 6.1... Distribución normal estándar............................................................. Curva de frecuencia acumulada para el caso del embalse A............... Diagrama de caja para resumir datos de calidad del agua.................. Muestra de etiquetas para identificar muestras de agua..................... Muestreador no proporcional (Reproducida de la referencia 4)........... Equipo para tomar muestras integradas y compuestas....................... Equipo para tomar varias muestras a la vez Muestreador de canasta...................................................................... Localización de los puntos de muestreo en una sección transversal de una corriente o un canal................................................................ Toma de muestras en un embalse o un lago....................................... k en reacciones de orden cero............................................................. k en reacciones de primer orden......................................................... Significado de la tasa de reacción k (Reproducida de la referencia 1) Análisis de balance de masa............................................................... Reactor por lotes................................................................................. Reactor flujo pistón. (Reproducida de la referencia 1)......................... Reactores completamente mezclados en serie.................................... Cambio en la concentración de una sustancia debido al transporte advectivo............................................................................................. Cambio en la concentración de un contaminante por transporte convectivo................................................................................................ Diferencia entre advección y difusión (Reproducida de la referencia 1)

33 36 37 58 60 61 70 81 152 178 181 182 185 208 223 225 226 227 228 230 231 239 240 241 245 247 249 251 252 254 255

▪  19

Figura 8.11 Figura 8.12 Figura 8.13 Figura 8.14 Figura 8.15 Figura 8.16 Figura 8.17 Figura 8.18 Figura 9.1 Figura 9.2 Figura 9.3 Figura 10.1 Figura 10.2 Figura 11.1 Figura 11.2 Figura 11.3 Figura 11.4 Figura 12.1 Figura 12.2

Figura 12.3 Figura 12.4 Figura 12.5 Figura 13.1 Figura 13.2 Figura E3.1 Figura E4.1 Figura E6.1 Figura E6.2

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Contraste entre difusión y dispersión. (Reproducida de la referencia 1) Principales componentes del problema de OD.................................... Interrelación entre los componentes del balance de OD (Reproducida de la referencia 1)............................................................................... Curva de demanda bioquímica de oxígeno.......................................... Formulación de la cinética de la DBO.................................................. Diferentes formas de n presentes en las aguas naturales................... Relación entre la DBON, DBOC y DBO total........................................ Esquema de definición de la difusión del OD en el agua..................... Tasa de reaireación k a (d-1) en función de la velocidad y la profundidad (Reproducida de la referencia 3).......................................................... Variación de la fotosíntesis durante el día asumiendo un comportamiento simuisoidal (Reproducida de la referencia 2)........................... Coeficientes de difusión en varios ambientes (Reproducida de la referencia 2)........................................................................................ Comportamiento del oxígeno disuelto en una corriente de agua Tipos de descargas de aguas residuales en una corriente (Reproducida de la referencia 4)............................................................................... Comparación entre embalses estratificados y no estratificados.......... Esquema de estratificación en un reservorio...................................... Circulación del agua en un embalse operando “filo de agua”  ............ Gradientes de temperatura en los embalses Playas y Punchiná.......... Diferentes formas de nitrógeno y fósforo en un embalse (Adaptado de la referencia 6).................................................................................... Diagrama de porcentajes de nutrientes y de humedad que constituyen la composición de la biomasa del fitoplancton (Reproducida de la referencia 2)........................................................................................ Clasificación trófica según el CEPIS (Adaptado de la referencia 1)..... Distribución de probabilidad de nivel trófico según el modelo del CEPIS (Reproducida de la referencia 1).......................................................... Estrategias para el control de nutrientes............................................ Diagrama esquemático del procedimiento de calibración del modelo Representación gráfica de los segmentos y cargas contaminantes en el río.................................................................................................... Cálculo de LC50 para el ejercicio 3.1.................................................... Calidad del agua del recurso hídrico del ejercicio 4.1......................... Distribución de probabilidad para la concentración de P en el embalse A......................................................................................................... Probabilidad de que X > 375..............................................................

256 260 261 263 264 267 269 274 300 304 309 321 341 354 358 365 375 396

399 416 417 422 439 445 103 144 186 187

Figura E6.3 Figura E6.4 Figura E6.5

Curva de probabilidad Contraste de hipótesis lateral............................................................. Resultados del análisis de datos utilizando la hoja de cálculo Excel® 2007........................................................................................ Figura E 6.6(1) Curvas de tendencia para la serie dada............................................... Figura E 6.6(2) Intervalos de predicción...................................................................... Figura E6.6(3) Resultados en Excel® del análisis de correlación y regresión.............. Figura E8.1 Curvas para calcular el orden n y la tasa de reacción k....................... Figura E8.3 Variación de la DBOC ejercida contra el tiempo.................................. Figura E8.4 Variación de la DBO remanente con el tiempo.................................... Figura E8.5 Resultados gráficos de la DBO............................................................ Figura E9.1 Cálculo de k 1 utilizando el método logarítmico................................... Figura E9.2 Método de Thomas para el cálculo de k 1............................................. Figura E9.5(1) Comportamiento de la DBO en el tiempo............................................ Figura E9.5(2) Gráfica para calcular k N...................................................................... Figura E9.6 Cálculo de la tasa de aeración, k a........................................................ Figura E9.7 Valores de las variables para determinar F y R................................... Figura E10.2 Perfil de OD y DBO............................................................................. Figura E10.3(1) Perfil de OD para el ejercicio 10.3....................................................... Figura E10.3(2) Perfil de DBO para el ejercicio 10.3..................................................... Figura E10.4 Perfil de OD considerando la zona anaeróbica..................................... Figura E11.1 Curva Volumen – Área contra cota – Embalse Playas......................... Figura E11.2 Esquema del embalse para el ejercicio 11.2........................................ Figura E12.1 Esquema general del embalse............................................................. Figura E13.1(1) Datos de identificación y control del programa QUAL2K.................... Figura E13.1(2) Datos sobre el elemento cabecera....................................................... Figura E13.1(3) Datos sobre los tramos........................................................................ Figura E13.1(4) Datos sobre las constantes y coeficientes por tramos......................... Figura E13.1(5) Datos sobre las constantes y coeficientes cinéticos............................. Figura E13.1(6) Datos sobre las fuentes o cargas puntuales de contaminación............ Figura E13.1(7) Perfil de oxígeno disuelto - Ejercicio 13.1........................................... Figura E13.1(8) Perfil de DBO - Ejercicio 13.1..............................................................

188 196 199 203 203 243 265 266 271 284 286 294 296 303 307 333 337 337 340 378 380 405 449 450 451 451 452 452 453 453 453

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PRESENTACIÓN

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 ▪  23

C arlos A lberto Sierra R amírez

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.

Carlos Alberto Sierra Ramírez

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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

CAPÍTULO 1

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 biológica. 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. ▪  27

C arlos A lberto Sierra R amírez

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 caracterizados 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 presentan 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: ▪  28

C alidad del agua - Evaluación y Diagnóstico

• 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 (evaporación), 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 Volumen en km³ Situación del agua

Porcentaje

Agua dulce

Agua salada

de agua dulce

de agua total

–

1.338.000.000

–

96,5

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

Atmósfera

12.900

–

0,04

0,001

Océanos y mares Casquetes y glaciares polares

▪  29

C arlos A lberto Sierra R amírez

Volumen en km³ Situación del agua

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

35.029.110

100

–

1.386.000.000

–

100

Total agua dulce Total agua en la tierra

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 representan 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 tres millones de m3/km2 por año en las regiones más bañadas. ▪  30

C alidad del agua - Evaluación y Diagnóstico

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/recursoshidricos/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. ▪  31

C arlos A lberto Sierra R amírez

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 indirectamente las aguas residuales, prácticamente 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 generación 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. ▪  32

C alidad del agua - Evaluación y Diagnóstico

SAN ANDRES Y PROVIDENCIA

O

IC

T ÁN

L

NO

AT

A CÉ

San Andrés

VENEZUELA

O

PA NA MÁ

VERTIENTE DEL PACÍFICO

VERTIENTE 255 MW DEL CARIBE

ECUADOR

VERTIENTE DE LA ORINOQUÍA

VERTIENTE DEL AMAZONAS

BRASIL

PERÚ

Figura 1.1 Vertientes hídricas en Colombia Fuente: http://www.google.com.co/imgres?imgurl=http://www.kalipedia.com/kalipediamedia/geografia/media/200807/31/geocolombia/20080731klpgeogco_2_Ges_SCO.png&imgrefurl

▪  33

C arlos A lberto Sierra R amírez

Con referencia al sector energético, aproximadamente el 70% de la generación 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, sedimentación y problemas de navegabilidad y de operación en la casa de máquinas (presencia de malos olores, corrosión en los equipos electromecánicos, incrustaciones, 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 calidad 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 industrial, 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 ▪  34

C alidad del agua - Evaluación y Diagnóstico

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 DBO (OD) bajo 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

Fuente: elaboración propia

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 ocurren en estos ecosistemas por medio de modelos matemáticos y así disponer de herramientas para poder tomar decisiones. ▪  35

C arlos A lberto Sierra R amírez

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.

Uso deseable del agua

Normas de salud pública, ambientales y de calidad del agua Concentración deseable (C d)

CUENCA HIDROGRÁFICA

ENTRADAS Descargas puntuales y distribuidas

ECOSISTEMA ACUÁTICO (Ríos, lagos,...) Reacciones físicas, químicas y biológicas Transporte de contaminantes MODEL0 DE CALIDAD DEL AGUA

SALIDA Concentración de una sustancia (C)

No C =C d

ECOSISTEMA ACUÁTICO SANEADO

Si

�

MEDIDAS DE CONTROL

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 mantener 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. ▪  36

C alidad del agua - Evaluación y Diagnóstico

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 contaminante y Q al caudal que lo transporta, la carga contaminante W se determina con las expresiones siguientes: W = Q *C = Q *

m m ⇒W = ∀ t

(1.1)

En la expresión anterior, ∀ es el volumen, m la masa y t el tiempo. Ac

C

C Q

u

(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 movimiento 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 m 1 W = = * ⇒J = ∀ X * Ac t Ac Ac

(1.2)

Los conceptos expuestos anteriormente son aplicables cuando la carga contaminante se descarga a través de una tubería o un canal, es decir, el vertimiento ▪  37

C arlos A lberto Sierra R amírez

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 microorganismos 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. ▪  38

C alidad del agua - Evaluación y Diagnóstico

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 numéricamente 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 elementos 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 KMnO 4 en la siguiente reacción química KMn+7O4 + 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 O2 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 ▪  39

C arlos A lberto Sierra R amírez

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 requerirán (3/2)0,0299 = 0,0449 moles de Fe2O3.

▪  40

C alidad del agua - Evaluación y Diagnóstico



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 diferencia 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 ▪  41

C arlos A lberto Sierra R amírez

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



150

mg SO4 mol * =0,0016 mol 96.000 mg SO4 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: p .m 96.000 mg = 2 z mg SO4 1equiv.- gram 150 * =0,003eqv/L 96.000 L mg SO4 2 Equivalente gramo SO24 =





–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 porcentaje.



Solución: Suponiendo que la densidad de la muestra es aproximadamente 1 ton/m3, es decir, que un litro de muestra pesa un kilogramo.

▪  42

C alidad del agua - Evaluación y Diagnóstico



masa de soluto, g p Porcentaje peso − volumen   = * 100%  ∀  volumen solución, mL p = ∀



5.000 L*

mg * g 1.000 mg

1.000 mL

*100 = 0, 5%

L

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.

▪  43

CAPÍTULO

2

Características físicas, químicas y biológicas del agua

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 EJERCICIOS PROPUESTOS

CAPÍTULO 2

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 evolucionado a 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, canotaje, 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). ▪  47

C arlos A lberto Sierra R amírez

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 condiciones 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, ▪  48

C aracterísticas físicas, químicas y biológicas del agua

Tabla 2.1 Características del agua cruda en el embalse A ubicado en el Oriente de Antioquia* Fecha

Profundidad (m)

OD

DBO5

11-mar-92

0,0

6,4

2,67

P Total

PO4

NO3

NO2

NH3

ST

SD

SS

Sólid. Alcali. Sechi SeTotal (m) dim.

Año 1992

22-abr-92

28-abr-92

4-jun-92

8-jul-92

5,0

3,0

3,27

10,0

0,0

12,15

15,0

0,0

16,20

Fondo

0,0

15,60

0,0

6,5

4,38 0,020 0,003 0,036 0,0120 0,290

34

46

8

19,5

5,0

5,4

2,65 0,018 0,017 0,039 0,0012 0,220

16

68

4

16,5

10,0

0,2

11,62 0,039 0,024 0,012 0,0014 0,300

47

49

10

20,0

15,0

0,0

15,90 0,046 0,022 0,238 0,0012 0,790

47

59

16

21,0

Fondo

0,0

28,80 0,074 0,030 0,302 0,0013 1,460

56

53

27

23,0

0,0

6,0

2,78 0,020 0,015 0,006 0,0071 0,040

28

57

16

18,5

5,0

5,9

2,25 0,028 0,023 0,016 0,0078 0,049

30

49

11

18,5

10,0

0,5

6,00 0,034 0,024 0,030 0,0079 0,005

45

29

17

15,0

0,0

12,45 0,050 0,024 0,113 0,0069 0,284

55

52

23

0,1

17,0

Fondo

0,0

26,55 0,127 0,084 0,289 0,0068 0,306

59

57

27

0,2

20,0

0,0

7,2

0,60 0,027 0,018 0,070 0,0013 0,000

18

14

4

15,5

5,0

3,8

0,90 0,020 0,020 0,020 0,0018 0,051

24

16

8

15,0 14,5

3,80

2,80

18,0

10,0

0,9

0,80 0,035 0,018 0,000 0,0015 0,000

37

28

9

15,0

0,2

1,35 0,021 0,007 0,040 0,0016 0,000

86

52

34

14,0

Fondo

0,2

0,60 0,031 0,021 0,185 0,0016 0,000

52

30

22

13,5

0,0

5,9

1,38 0,025 0,000 0,018 0,0058 0,000

66

55

6

0,0

5,0

3,7

1,45

0,015 0,014 0,119 0,0053 0,040

79

70

9

0,0

10,0

1,5

1,72

0,070 0,013 0,000 0,0052 0,060

71

55

13

0,0

15,0

0,9

3,52 0,070 0,022 0,040 0,0055 0,040

65

48

12

0,2

Fondo 29-jul-92

0,0

6,3

1,90 0,022 0,030 0,000 0,0075 0,001

50

35

15

0,0

5,0

2,4

2,85 0,032 0,000 0,005 0,0111 0,001

64

57

7

0,0

10,0

2,7

1,80 0,021 0,004 0,015 0,0142 0,002

81

63

18

0,0

Fondo

2,5

3,52 0,087 0,003 0,015 0,0122 0,002

105

43

62

0,3

Fuente: Empresas Públicas de Medellín. * Concentraciones en mg/L a excepción de los sólidos sedimentales.

que los sólidos totales (ST) son bajos y que casi todos los sólidos son disueltos. También, existe correspondencia entre las concentraciones de OD y DBO5, a mayor DBO5 menor OD. ▪  49

C arlos A lberto Sierra R amírez

Como complemento para que el lector se forme una idea, la tabla 2.2 muestra las concentraciones promedio de los minerales y sales más importantes presentes en el agua de mar. La calidad promedio del agua de mar es prácticamente la misma en todos los océanos. Tabla 2.2 Calidad promedio del agua de mar Parámetro

(ppm CaCO3)

Parámetro

(ppm CaCO3)

Calcio

1.000

Bicarbonato

Magnesio

5.234

Cloruros

27.000

Sodio

23.000

Sulfatos

2.800

Potasio

500

Bromuros

120

40

Dureza

6.200

Fuente: elaboración propia.

2.3 AGUAS RESIDUALES Se define el agua residual como aquella que ha sido utilizada en cualquier uso benéfico. El conocimiento de la naturaleza del agua residual es fundamental para el diseño, operación y control de los sistemas de aguas residuales (recolección y tratamiento). Generalmente los generadores de aguas residuales se pueden agrupar en aguas residuales domésticas, industriales (caracterizadas o medidas y no medidas) y comerciales. La tabla 2.3 presenta las características promedio de las aguas residuales domésticas, industriales no caracterizadas y las comerciales propias del sistema de alcantarillado de Empresas Públicas de Medellín (EPM). Adicionalmente, la tabla muestra la comparación entre las concentraciones promedio de las aguas residuales producidas en las ciudades de Bogotá y Medellín. Tabla 2.3 Características promedio de las aguas residuales en EPM Residencial

Parámetro

Comercial

Industrial no caracterizado

Flujo (L/hab/d)

147

Flujo (L/s/día)

1,2

1,2

DBO5 (g/hab/d)

40

DBO5 (mg/L)

166,7

220

SS (g/hab/d)

40

SS (mg/L)

189,6

300

N (g/hab/d)

4,81

N (mg/L)

17,8

17,9

P (g/hab/d)

0,473

P (mg/L)

1,75

1,88

Parámetro

▪  50

C aracterísticas físicas, químicas y biológicas del agua

Parámetro DBO5 (mg/L) DQO (mg/L) ST SS SSV N total P total

Bogotá 190 382 403 160 129 – –

Medellín 202 396 463 215 150 21,3 8,1

       Fuente: elaboración propia.

En la tabla 2.4 se presenta la correspondencia entre los parámetros más comunes de contaminación y el origen o fuente que la produce. Por ejemplo, se considera que la presencia de sólidos (totales, disueltos, suspendidos, etc.) se debe a, o son aportados por, actividades tales como los vertimientos de aguas residuales domésticas e industriales, la erosión natural o antrópica del suelo, aguas que se infiltran en las tuberías de alcantarillado y por conexiones erradas (alcantarillado de aguas lluvias que se conectan erróneamente con las de alcantarillado de aguas residuales puras). De la misma manera se puede apreciar que la presencia de metales pesados en las aguas naturales o alcantarillados se debe únicamente al vertimiento de aguas residuales industriales. Tabla 2.4. Características más importantes de las aguas residuales en general y su procedencia. Característica Color Olor Sólidos Temperatura Carbohidratos Grasas y aceites Pesticidas Fenoles Proteínas Detergentes Metales pesados Fósforo Nitrógeno H2S, Metano Parásitos y virus

Procedencia ARD, ARI, degradación natural de la materia orgánica ARD, ARI ARD, ARI, erosión, infiltración, conexiones erradas ARD, ARI ARD, ARI, ARC ARD, ARI, ARC Residuos agrícolas ARI ARD, ARI ARD, ARI ARI ARD, pesticidas ARD, ARI Descomposición de materia orgánica ARD

ARD: Aguas residuales domésticas  ARC: Aguas residuales comerciales ARI: Aguas residuales industriales

Fuente: elaboración propia.

▪  51

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2.4 AGUA TRATADA (AGUA POTABLE) Se entiende por agua tratada aquella a la cual se le han variado o cambiado sus características físicas, químicas y biológicas con el propósito de utilizarla en algún uso benéfico. La calidad del agua tratada depende del uso que se le vaya a asignar o a dar. Por ejemplo, la calidad del agua para consumo humano o la utilizable para riego tienen una calidad diferente a la calidad del agua requerida por un determinado sector industrial. Las normas de calidad del agua para el abastecimiento público de agua potable dependen de la regulación de cada país. Actualmente, las normas vigentes en Colombia para la calidad del agua para consumo humano están reguladas por la resolución 2115 de 2007 emitida por el Ministerio de la Protección Social o la que la reemplace. A manera de ejemplo, la tabla 2.5 presenta los datos de calidad del agua de los parámetros mas importantes suministrada por EPM durante el tercer trimestre de 1997 y los compara con las normas de calidad vigentes en Colombia. Tabla 2.5 Calidad del agua suministrada por EPM Parámetro

Unidades

pH

Norma exigida por Ministerio de la Protección Social Resolución 2115/2007

Calidad promedio suministrada por EPM

Entre 6,5 y 9,0

7,21

Turbiedad

UNT

Menor de 2

0,46

Color

Co. Pt

Menor de 15

4

Cloruros

mg/L

Menor de 250

6,48

Hierro

mg/L

Menor de 0,30

0,087

Aluminio

mg/L

Menor de 0,20

0,038

Sulfatos

mg/L

Menor de 250

9,10

Cloro Residual en la red de distribución

mg/L

Entre 0,3 y 2,0

0,85

Dureza

mg/L

Admisible hasta 300

21,12

Sólidos Totales

mg/L

Admisible hasta 500

48

Nota: Los valores corresponden al promedio ponderado del tercer trimestre de 1997, para la red de distribución de nueve plantas de tratamiento. Fuente: elaboración propia.

2.5 PROPIEDADES DEL AGUA El entendimiento de la naturaleza física, química y biológica del agua es esencial para todo ingeniero ambiental. El agua, considerada como una sustancia ▪  52

C aracterísticas físicas, químicas y biológicas del agua

químicamente pura, solamente existe en el laboratorio. En la naturaleza el agua entra en contacto con el suelo, la atmósfera y adquiere elementos o sustancias (a través de vertimientos) que alteran su composición original. El agua, cualquiera que sea su estado, está caracterizada por ciertas propiedades que la distinguen de los demás líquidos y su calidad se determina analizando en el laboratorio varios parámetros físicos, químicos y biológicos.

¿Qué es el agua? Todo el mundo sabe qué es el agua; se conoce que es una sustancia química compuesta de 2 átomos de hidrógeno y 1 de oxígeno y que puede presentarse en cualquiera de los tres estados: líquido, gas (vapor) y sólido (hielo). Se conoce, además, que en la naturaleza sigue un ciclo (ciclo hidrológico). Sin embargo, es poca la gente que se acuerda o tiene presentes sus propiedades. A aquellas características que posee el agua, ya sea que se encuentre contaminada o no, se les conoce como propiedades del agua. Las propiedades son las características que distinguen al agua de los demás líquidos. A continuación se describen brevemente, como repaso, las principales propiedades del agua:

Densidad La densidad se mide como masa por unidad de volumen. El agua tiene su máxima densidad a 4 oC y disminuye a partir de allí con la temperatura, lo que hace que la densidad del hielo sea inferior a la del agua líquida y, por lo tanto, flote en ella. Esta aparente anomalía se debe a la forma de la estructura molecular del agua. La densidad se expresa en tres formas distintas: i) Masa por unidad de volumen, ρ (g/cm3) ii) Peso específico, γ, o fuerza por unidad de volumen (g/m2/s2) iii) Gravedad específica, s = ρ/ρ0 ó γ/γ0. El subíndice cero denota la densidad a una temperatura estándar o de referencia. La densidad y el peso específico del agua a diferentes temperaturas se encuentran en tablas que se pueden consultar en los diferentes libros de referencia. La densidad es importante en la ingeniería del agua debido a que interviene en el cálculo del número de Reynolds (régimen de flujo), y en prácticamente todos los procesos de tratamiento del agua, por ejemplo, la sedimentación y la filtración.

Viscosidad La viscosidad se puede definir en términos prácticos como la resistencia que presenta el agua a la deformación, y por ello, es análoga a la fricción interna. La viscosidad del agua se expresa en una de las dos formas siguientes: ▪  53

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i) viscosidad absoluta o dinámica, µ, o masa por unidad de longitud y tiempo (poise = newton*s/m2) ii) viscosidad cinemática ν = µ/ρ, o longitud elevada al cuadrado por unidad de tiempo (stokes = m2/s) En el agua, la viscosidad disminuye regularmente con la temperatura. La viscosidad cambia más rápidamente que la densidad y por esto afecta nota­ blemente todos los procesos de tratamiento del agua. La viscosidad es importante porque interviene en el cálculo del número de Reynolds y en los procesos de coagulación y floculación en el tratamiento del agua.

Calor específico (CE) Es la cantidad de calor necesario para elevar 1 oC la temperatura de un gramo de agua. En la mayoría de los líquidos el calor específico aumenta con la temperatura, pero en el agua tiene su mínimo a 35 oC, y este valor es mucho más elevado que en compuestos tales como el alcohol, el benceno, etc., que tienen valores de CE de 0,4 a 0,6. En otras palabras, se necesita una gran cantidad de calor para poder elevar la temperatura del agua, lo que hace muy costosos los procesos de tratamiento de agua como la destilación. Tensión superficial Entre las moléculas de un líquido se presentan fuerzas naturales de atracción internas denominadas fuerzas de Van der Waals. En el agua, las moléculas de la capa superficial están, por una parte, atraídas entre sí, y por otra parte, atraídas por las moléculas de las capas inferiores formándose en la superficie como una película que es difícil de romper. Es por esto que muchos elementos más densos que el agua flotan en ella. La energía necesaria para romper la capa por unidad de área es a lo que se le conoce como tensión superficial. La tensión superficial causa la elevación del agua en los tubos capilares, la forma esférica de las gotas de agua o de las pompas de jabón, las aparentes atracciones o repulsiones que se observan en los cuerpos pequeños que flotan en la superficie de un líquido, la forma redondeada de los meniscos, etc. La tensión superficial es un enlace importante en el intercambio de sustancias que van hacia adentro y hacia afuera del agua, y además, fija su habilidad humectante. Los depresores de la tensión superficial como el jabón y los detergentes aumentan el efecto humectante del agua. El polvo, el polen y otras partículas extrañas se mantienen en la superficie del agua gracias a la tensión superficial. También, existen sustancias como la glicina que pueden aumentar la tensión superficial. ▪  54

C aracterísticas físicas, químicas y biológicas del agua

La tensión superficial se expresa en unidades de fuerza por unidad de longi­tud (julios/m) y es importante en procesos de tratamiento del agua para remover grasas, aceites y detergentes. 2.6 PARÁMETROS FÍSICOS, QUÍMICOS Y BIOLÓGICOS Para saber qué tan pura o qué tan contaminada está el agua es necesario ­medir ciertos parámetros. Los parámetros de calidad del agua están clasificados en físicos, químicos y microbiológicos. Como se puede intuir existen muchos parámetros, muchas formas y varios métodos para medir dichos parámetros. Para obviar estos problemas, las agencias internacionales encargadas de vigilar y estudiar la calidad del agua han estandarizado (unificado) los criterios y los métodos para realizar los análisis del agua en el laboratorio. La publicación que recopila la metodología de laboratorio se titula: Standard Methods for Water and Wastewater Examination (referencia 7). En este libro siempre que se utilice el término “Métodos Estándar”   se refiere a la anterior publicación. 2.6.1 Parámetros físicos Se clasifican como parámetros físicos aquellas sustancias que tienen incidencia directa sobre las condiciones estéticas del agua.

Turbiedad Se conoce como turbiedad a la capacidad que tiene el material suspendido en el agua para obstaculizar el paso de la luz. La turbiedad es producida por una gran variedad de causas. Entre ellas las más importantes pueden ser: • La erosión natural de las cuencas la cual aporta sedimentos a los cauces de los ríos. • La contaminación causada por la industria o por desechos domésticos. Como se puede apreciar, la turbiedad tiene desde un origen inorgánico (arci­ lla, arenas, etc.) como es el caso de la turbiedad aportada por la erosión, hasta tener un alto grado de material orgánico (microorganismos, limus, etc.) como en el caso de la turbiedad aportada por actividades antrópicas. La turbiedad es importante en el tratamiento del agua potable por las siguientes razones: • Estética. La presencia de turbiedad en el agua causa rechazo en el consu­ midor. Además, existen ciertos procesos industriales (fabricación de textiles, alimentos) que requieren agua exenta de turbiedad. • Selección de los procesos de tratamiento. La turbiedad es un parámetro fundamental en la determinación de los procesos más adecuados para ▪  55

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tratar el agua de abastecimiento. Procesos como coagulación, sedimentación y filtración se diseñan y operan teniendo en cuenta el valor de la turbiedad. • Filtración y cloración del agua. La turbiedad puede incidir en la eficiencia de determinados procesos de tratamiento del agua, por ejemplo, la filtración y la desinfección. La filtración del agua se vuelve más difícil y costosa cuando la turbiedad es alta; la turbiedad obstruye los filtros, genera problemas de operación en el tratamiento del agua y ocasiona un aumento en la frecuencia de lavado de las unidades. Cuando la turbiedad es alta se necesitan dosis mayores de cloro para desinfectar el agua. Esto debido a que los microorganismos se ocultan entre las partículas de turbiedad por lo que se requieren mayores cantidades de cloro para eliminarlos. La turbiedad se expresa en unidades de turbiedad. Una unidad de turbiedad es una cantidad patrón empírica producida al agregar 1 mg de SiO2 a 1 litro de agua destilada. El turbidímetro de Jackson es el instrumento de laboratorio con el cual se mide la turbiedad. Cuando la turbiedad se mide con este instrumento, los resultados se dan en JTU. Debido a que el turbidímetro de Jackson es un instrumento rudimentario y ante el auge de la instrumentación electrónica, en la actualidad, la turbiedad se mide con turbidímetros basados en principios nefelométricos. La sustancia patrón de medida ya no es sílice sino una mezcla de sulfato de hidrazina y hexametiltetramina. Cuando la turbiedad se mide con estos instrumentos, los resultados se dan en UNT. La unidad utilizada normalmente para expresar la turbiedad es la UNT. Otras unidades que aún se usan se pueden trasformar usando el siguiente cuadro: Unidad

JTU

UNT

SiO2 mg/L

JTU

1,0

19

2,5

UNT

0,053

1

0,3

0,4

7,5

1

SiO2 mg/L

Fuente: http://arturobola.tripod.com/turbi.htm#Principios

Color Aunque está íntimamente ligado a la turbiedad, el color en el agua puede considerarse como una característica independiente. Mientras que la turbiedad se considera ocasionada por partículas de gran tamaño (diámetros > 10-3 mm), el color se considera generado por sustancias disueltas y por los coloides. ▪  56

C aracterísticas físicas, químicas y biológicas del agua

Existe aún discrepancia entre los investigadores en cuanto a las causas que originan el color. El origen más aceptado es el que el color es producido, a excepción del ocasionado por las descargas industriales, por la descomposición natural de la materia vegetal de las plantas (humos) y por la disolución de ciertos minerales (especialmente hierro y manganeso) presentes en el subsuelo. El color está clasificado como color aparente y color verdadero. Color aparen­te se considera al producido por el material suspendido mientras que color verdadero es el que permanece en el agua después de remover la turbiedad. El color es importante en el tratamiento del agua porque su presencia causa rechazo en los consumidores aunque no ocasione problemas sanitarios, como es el caso del color de origen natural. Cuando el color es debido al vertimiento de desechos industriales se asocia a la presencia de sustancias tóxicas. El color se expresa en unidades de color (UC). La unidad de color es la que se obtiene agregando 1 mg de cloroplatinato de potasio en 1 litro de agua destilada. El color se mide en el laboratorio utilizando los colorímetros.

Visibilidad Se entiende por visibilidad la interferencia que producen los materiales suspendidos en el agua al paso de la luz. Se mide con el disco de Secchi y se reporta en unidades de longitud. Este parámetro realmente representa la profundidad de la zona fótica, es decir, la zona hasta donde penetra la luz en el agua y puede realizarse fotosíntesis. Olor y sabor Se mencionan en conjunto por estar íntimamente ligados. Los olores y sabores en el agua están asociados con la presencia de sustancias indeseables causando el rechazo del consumidor. Los olores y sabores objetables se pueden deber a la presencia del plancton, compuestos orgánicos generados por la actividad de las bacterias y algas, a los desechos industriales o a la descomposición de la materia orgánica. Específicamente la sustancia que produce olores en la descomposición de la materia orgánica es el H2S. No existen instrumentos para determinar los olores y sabores en el agua; generalmente estos se reportan en los análisis de aguas como presentes o no presentes. A bajas concentraciones, la influencia de los olores sobre el normal desarrollo de la vida humana tiene más importancia por la tensión psicológica que generan que por el daño que puedan producir al organismo. Concentraciones altas de olores molestos pueden reducir el apetito, producir náuseas y vómitos. También pueden interferir o rebajar el valor de la propiedad, el aspecto estético o paisajístico de una región. ▪  57

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Temperatura La temperatura es tal vez el parámetro físico más importante del agua. Además de afectar la viscosidad y la velocidad de las reacciones químicas, interviene en el diseño de la mayoría de los procesos de tratamiento del agua (coagulación, sedimentación, etc.). En nuestro medio, el agua se entrega a los consumidores con la temperatura que se encuentra en la fuente. Solamente en algunos procesos industriales es necesario entregar el agua a una determinada temperatura. Si se requiere a una temperatura mayor se calienta en las calderas y si se quiere rebajar se utilizan torres de enfriamiento. Sólidos Para dar un diagnóstico acerca de la calidad del agua, es necesario determinar la cantidad de material sólido que contiene la muestra. La figura 2.1 presenta los diferentes tipos de sólidos que existen en la ingeniería de calidad del agua y entre paréntesis, como ejemplo, está el porcentaje en que comúnmente se encuentran en las aguas residuales. Muestra Sólidos Totales (ST, 100%) Sólidos Sedimentables

Sólidos Suspendidos (SS, 60%) Sólidos Disueltos SD (40%)

Disueltos Volátiles (SDV,50%)

Disueltos Fijos, 10% (SDF)

Suspendidos Volátiles Suspendidos Fijos, 20% (SSV,20%) (SSF)

Sólidos Fijos Totales (SFT, 30%)

Sólidos Volátiles Totales (SVT, 70% ) Sólidos Totales, 100%

Figura 2.1 Diferentes formas de sólidos presentes en el agua. Fuente: elaboración propia.

▪  58

C aracterísticas físicas, químicas y biológicas del agua

El primer tipo de sólidos de importancia para determinar la calidad del agua son los sólidos totales (ST). Los ST se definen como todo el material que queda después de evaporar el agua a 105 oC, es decir, ST es todo aquello presente en la muestra, excepto agua. Los sólidos sedimentables se definen como el material que se sedimenta en el fondo de un recipiente de forma cónica (cono de Imhoff) en el transcurso de un período de 60 minutos. Los sólidos sedimentables se expresan en ml/L. Los sólidos totales se dividen en sólidos suspendidos y sólidos disueltos. La cantidad y naturaleza de los sólidos presentes en el agua varía ampliamente. En el agua la mayoría de los sólidos se hayan disueltos (SD) y consisten principalmente en sales y gases. Los sólidos disueltos se calculan pasando la muestra por un papel de filtro y luego determinando los sólidos totales del filtrado. Si se somete la muestra filtrada a evaporación en una mufla a aproximadamente 600 oC y se pesa el residuo se obtienen los sólidos disueltos fijos (SDF). Por diferencia se determinan los sólidos disueltos volátiles (SDV). Los sólidos suspendidos (SS) se determinan restando los sólidos disueltos de los sólidos totales. Los SS son, tal vez, el tipo de sólidos más importantes de determinar en los estudios de calidad del agua en nuestro medio, principalmente porque se utilizan para el cobro de las tasas retributivas y el diseño de plantas de tratamiento de aguas residuales. Los sólidos suspendidos fijos (SSF) y los sólidos suspendidos volátiles (SSV) se determinan de forma análoga a los SDF y SDV. 2.6.2 Parámetros químicos Por razones didácticas los parámetros químicos del agua se dividen en dos clases: i) Indicadores (pH, acidez, alcalinidad). ii) Sustancias químicas.

2.6.2.1 Indicadores Se definen como indicadores, los parámetros cuyas concentraciones en el agua se deben a la presencia e interacción de varias sustancias.

pH El pH es el término utilizado para expresar la intensidad de las condiciones ácidas o básicas del agua. Por convención está definido como:

pH = –log [H +]

(2.1) ▪  59

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Por análisis químicos se sabe que el pH siempre se encuentra en una escala de 0 a 14. La escala de pH se describe en la figura 2.2. Más ácido

0

Más básico

7

14

Figura 2.2 Escala de pH Fuente: elaboración propia.

La escala de valores del pH se asemeja a la de un termómetro. Mientras que la escala de un termómetro mide la intensidad de calor, el pH mide la intensidad de la acidez o basicidad. Es importante decir que el pH mide el grado de acidez o de alcalinidad pero no determina el valor de la acidez ni de la alcalinidad. El pH se puede medir en el campo o en el laboratorio por medio de instrumentos electrónicos (pHchímetro).

Conductividad La conductividad es un indicativo de las sales disueltas en el agua y mide la cantidad de iones especialmente de Ca, Mg, Na, P, bicarbonatos, cloruros y sulfatos. Se mide en micromhos/cm o Siemens/cm. La conductividad es una medida indirecta de los sólidos disueltos. De acuerdo con la experiencia se pueden correlacionar con la siguiente expresión:

Sólidos totales disueltos (mg/L) = 0,55 a 0,7 * conductividad (µmhos/cm)

(2.2)

Las aguas que contienen altas concentraciones de conductividad son corrosivas.

Acidez Generalmente se considera que todas las aguas que tienen un pH inferior a 8,5 unidades tienen acidez. La acidez en las aguas naturales es ocasionada por la presencia de CO2 o la presencia de un ácido fuerte (H2SO4, HNO3, HCl). En el esquema de la figura 2.3 se aprecian los diferentes tipos de acidez de acuerdo con el rango de pH. El CO2 es un componente normal de las aguas naturales. Entra al agua por absorción de la atmósfera. También, puede presentarse debido a que el CO2 se produce en la descomposición biológica de la materia orgánica.

H2O + CO2 (atmosférico) ⇒ H + + CO22–

▪  60

(2.3) Acidez

C aracterísticas físicas, químicas y biológicas del agua

0 1 2 3

Acidez

Acidez causada por ácidos fuertes o acidez mineral

4 5 6 7

Acidez causada por el CO2

8 9 10 11 12 13 14

Figura 2.3 Clases de acidez según el pH Fuente: elaboración propia.

Se conoce con el nombre de acidez mineral a la ocasionada por la presencia en el agua de ácidos fuertes. Este tipo de acidez se presenta en el agua debido a la contaminación industrial. Desechos de la industria metalúrgica y la fabricación de ácidos a escala industrial son los causantes de la acidez mineral en el agua. Sin embargo, hay casos en que aguas naturales tienen acidez mineral, por ejemplo, aguas que nacen o pasan por zonas mineras. La acidez ocasionada por el CO2 no tiene efectos conocidos sobre la salud; bebidas como la soda mineral contienen altas concentraciones de CO2 y no se les conoce ningún efecto dañino sobre la salud. En cuanto a la acidez mineral, las aguas que la contienen presentan un sabor tan desagradable que el consumidor las rechaza de inmediato. Las aguas que contienen acidez, sin importar el tipo, son corrosivas. Por lo tanto, aguas con acidez por encima de los valores permisibles deben ser tratadas. La acidez se determina en el laboratorio por medio de un análisis químico llamado titulación (método de la fenolnaftaleina). El procedimiento puede ser consultado en los Métodos Estándar. Los resultados se expresan en mg/L como CaCO3.

Alcalinidad La alcalinidad en el agua es entendida como la capacidad que tiene para neutralizar los ácidos. La alcalinidad puede considerarse como la presencia de sustancias básicas en el agua, principalmente, sales de ácidos débiles o bases ▪  61

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fuertes (sustancias caracterizadas por el radical OH-, por ejemplo la soda cáustica NaOH). La alcalinidad se reconoce por la presencia de los iones, [OH-], [CO32-] y [HCO3-]. En las aguas naturales la alcalinidad se debe a la presencia de iones [CO32-] y [HCO3-] los cuales ingresan al agua debido a la acción del CO2 sobre los materiales naturales del suelo.

H2O + CO2(atm) + CaCO3 ⇒ Ca[HCO3-]2 ⇒ H+ + CaCO2 Componente natural del suelo



Alcalinidad al bicarbonato

(2.4)

Alcalinidad al carbonato

Al anterior tipo de alcalinidad se le conoce como alcalinidad al bicarbonato o carbonato según sea el caso. La alcalinidad también puede ser ocasionada por la presencia de bases fuertes en el agua. Estas bases llegan al agua, debido principalmente a la contaminación industrial. Por ejemplo, la soda cáustica (NaOH) es una base fuerte que la industria del papel vierte comúnmente a los ríos.

NaOH 



⇒  Na+ + OH-

(2.5)

Ión hidróxido que causa alcalinidad

Al anterior tipo de alcalinidad se le conoce como alcalinidad al hidróxido o alcalinidad al [OH-]. La alcalinidad es importante en la calidad del agua por diferentes razones: • En altas concentraciones le comunica un sabor desagradable al agua. • En presencia de iones de Ca o Mg (dureza) forma precipitados que ocasionan problemas de taponamiento y obstaculizan el flujo en las tuberías. • Tal vez la más importante razón es que la alcalinidad controla el proceso de coagulación en el tratamiento del agua potable, y la digestión anaeróbica en el caso del tratamiento del agua residual. Al igual que la acidez, la alcalinidad se mide en el laboratorio por titulación y los resultados se expresan en mg/L de CaCO3. En ciertas ocasiones, como en el caso de los procesos de ablandamiento del agua, es necesario determinar los tres tipos de alcalinidad presentes. Cuando se conocen el pH y la alcalinidad total, se puede determinar cada uno de los ▪  62

C aracterísticas físicas, químicas y biológicas del agua

tres tipos de alcalinidad con ayuda de las ecuaciones de equilibrio del ácido carbónico (H2CO3). En estos casos se usan las siguientes relaciones:  AT    + H+ − K w  50.000    + H  mg  50.000  Alcalinidad [HCO2- ] en CaCO3 = L K 1+ 2 * 2 H+

mg CaCO3 2 * K 2 [Alcalinidad [HCO3- ]] en mg L CaCO2 = L H+ 50.000 * K w mg Alcalinidad [OH- ] en CaCO3 = L H+ Donde: AT : Alcalinidad total en mg/L de CaCO3 H + : Concentración de ión hidrógeno en moles/L K w : Constante de ionización del agua a la temperatura dada K2 : Constante de ionización del HCO3- en las reacciones de equilibrio del H2CO3 Las reacciones de equilibrio y las constantes de ionización son: Alcalinidad [CO2] en 3

H2O ⇒ H+ + OHK w = [H+][OH-] = 10 -14 H2CO3 ⇔ H+ + HCO3[H+ ][HCO3- ]

= 4, 3 * 10-7 [H2CO3 ] HCO3- ⇔ H+ + CO3-2

K1 =

K2 =

[H+ ] [CO2] 3 [HCO3 ]

= 4,7 * 10-11

Los valores de las constantes anteriores están dados a 20 oC. El empleo de las anteriores relaciones se ilustra en el ejercicio 2.1. Ejercicio 2.1 Cálculos sobre alcalinidad • La alcalinidad de una muestra es 60 mg/L CaCO3, el pH a 20 oC es 9,4. Determinar los tres tipos de alcalinidad.

Solución:

1. Concentración de [H+] [H+] = 10 -pH = 10 -9.4 mol/L ▪  63

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2. Alcalinidad al [OH-]



Alcalinidad [OH- ] en mg/L CaCO3 =

3. Alcalinidad al [HCO3-]

50.000 *10-14 10-9,4

=1,25

mg CaCO3 = L 50.000 *[(60 / 50.000) +10-9,4 - 1014 / 10-9,4 ] = 47,6 1+ 2 * 4,7 *10-11 / 10-9,4

Alcalinidad [HCO3- ] en



4. Alcalinidad al [CO32-]



Alcalinidad [CO32-] = AT – [HCO3-] – [OH-] = 60 – 47,6 – 1,25 = 11,15 mg/L CaCO3

Dureza Se denomina dureza a la propiedad que tienen ciertas aguas de cortar el jabón, es decir, requieren grandes cantidades de jabón para producir espuma. Las aguas duras también tienen la particularidad de que a elevadas temperaturas forman incrustaciones en los equipos mecánicos y las tuberías. Por ejemplo, cuando el agua que alimenta una caldera es dura se forman incrustaciones que llegan a taponarla y en muchos casos han llegado hasta a hacerla explotar. Las aguas duras, fuera de las molestias ocasionadas con el jabón, no presentan ningún problema sanitario. Sin embargo, si van a ser utilizadas en la industria, deben ser tratadas. El proceso que se utiliza para remover la dureza se llama ablandamiento o suavización. La dureza la ocasiona la presencia de cualquier catión bivalente en el agua, principalmente Ca2+ y Mg2+. La dureza ingresa al agua en el proceso natural de disolución de las formaciones rocosas presentes en el suelo.

H2O + CO2(atm) + CaCO3 



⇒ 

Carbonato Componente natural del suelo

Ca2+ + 2[HCO3-]

(2.6)

Alcalinidad al bicarbonato

♠ Las aguas duras son alcalinas La dureza se clasifica básicamente en dureza carbonácea y dureza no carbonácea. La dureza carbonácea (DC), a menudo referida como dureza al bicarbonato o dureza temporal, se presenta en el agua cuando los iones de Ca2+ y Mg2+ se combinan con la alcalinidad natural. Las siguientes características son aplicables a la DC: ▪  64

C aracterísticas físicas, químicas y biológicas del agua

• La dureza carbonácea se puede remover a elevadas temperaturas debido a que los iones carbonato y bicarbonato se precipitan. • Las incrustaciones causadas por la dureza carbonácea se disuelven aplicando una solución ácida y luego limpiando. • La dureza carbonácea también se puede remover aplicando cal para formar precipitados. Con respecto a la dureza no carbonácea (DNC), referida comúnmente como dureza permanente, esta es ocasionada por la presencia de sulfatos, cloruros o nitratos de Ca2+ y Mg2+. Es importante notar que la dureza no carbonácea no se puede remover elevando la temperatura. Las sales que ocasionan este tipo de dureza son insolubles, por lo tanto, el tratamiento con cal o con soluciones ácidas no es efectivo. Las aguas se clasifican según el grado de dureza en: Blandas Moderadamente duras Duras Muy duras

0   75 mg/L de CaCO3 75 150 150 300 300 o más

Aguas con más de 300 mg/L de dureza es necesario tratarlas, así sea que se vayan a utilizar para uso doméstico. La dureza se mide en el laboratorio por titulación (método del EDTA) y los resultados se reportan en mg/L de CaCO3. Ejercicio 2.2 Cálculos sobre dureza y relaciones con la alcalinidad • Un análisis de una muestra de agua presentó los resultados que se muestran a continuación. Determinar: a) dureza carbonácea, no carbonácea y la total y b) la alcalinidad al carbonato y bicarbonato.

Na+ = 25 mg/L Ca2+ = 45 mg/L Mg2+= 10 mg/L K+= 10 mg/L



Solución: 1. Cálculos sobre dureza

Cl- = 48,6 mg/L CO32- = 20 mg/L HCO3- = 40 mg/L SO42- = 82 mg/L

▪  65

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i) Dureza cálcica



45 Dureza cálcica=



mg CaCO3 /L mg *50 1meq L =112,5mg CaCO3 /L mg/L 40 2meq

ii) Dureza magnésica



10 Dureza magnésica =



mg CaCO3 /L mg * 50 L 1meq = 41mg CaCO3 /L mg/L 24,4 2meq

iii) Dureza total = 112,5 mg CaCO3 + 41 mg/L CaCO3 = 153,5 mg CaCO3/L

2. Cálculos sobre alcalinidad i) Alcalinidad al carbonato Alcalinidad carbonato =



ii) Alcalinidad al bicarbonato





mg CaCO3 /L 1 meq = 33, 33mg CaCO3 /L mg/L 60 2meq

20 mg/L * 50



mg CaCO3 L 40 mg /L * 50 1meq Alcalinidad bicarbonato = = 32, 79 mg CaCO3 /L mg/L 61 meq

iii) Alcalinidad total



Alcalinidad total = 33,33 mg CaCO3/L + 32,79 mg CaCO3/L = 66,12 mg CaCO3 / L

3. Dureza carbonácea y no carbonácea i) Dureza carbonácea Teniendo en cuenta que cuando la dureza total (DT) es mayor que la alcalinidad total (AT), entonces, la dureza carbonácea (DC) es igual a la alcalinidad total. En este caso se tiene: DT > AT ⇒ DC = AT, por lo tanto: DC = 66,12 mg CaCO3/L ii) Dureza no Carbonácea (DNC) DNC = DT – DC = 153,5 mg CaCO3/L – 66,12 mg CaCO3/L = 87,38 mg CaCO3/L ▪  66

C aracterísticas físicas, químicas y biológicas del agua

Ejercicio 2.3 Balance iónico • En el comercio se encuentran a disposición de los usuarios varios tipos de agua potable envasada, cuya calidad generalmente se publica en la etiqueta. Para el agua comercialmente distribuida por “La Parcela”  : a) elaborar un balance iónico y dibujar un diagrama iónico de barras, b) listar las sustancias que hipotéticamente pueden estar presentes en el agua y c) determinar la concentración de sólidos disueltos. La copia de la etiqueta se presenta a continuación:

Solución: 1. Análisis de aniones y cationes Según los datos, como las concentraciones no tienen unidades, la dureza se supone que está expresada en mg/L de CaCO3, por lo tanto, las concentraciones de Ca2+ y Mg2+ son:

Ca 2+ =15

mg CaCO3 meqv CaCO3 meqv CaCO3 20 mg Ca 2+ 1meq * = 0,3 = 0,3 L 50 mg CaCO3 L L meqv



Ca2+ = 6 mg Ca2+/L



Mg2+ = 6



Mg2+ = 0,12



Mg2+ = 1,45 mg Mg2+/L



Con los datos de la etiqueta y los calculados, se tabula la información así:

mg CaCO3 meqv CaCO3 1meq * = 0,12 L 50 mg CaCO3 L

Catión Ca

2+

meqv CaCO3 12,15mg Mg2+ =1,45mg Mg2+/L L meqv

mg/L

Peso mol

Eqv/mol

mg/meqv

meqv/L

6

40

2

20

0,30

▪  67

C arlos A lberto Sierra R amírez

Catión

mg/L

Peso mol

Eqv/mol

mg/meqv

meqv/L

Mg

1,45

24,3

2

12,15

0,12

Na

23

1

23

K

39,1

1

39,1

2-

+

+

Anión HCO3 SO4 Cl

-

CO3

Peso mol

Eqv/mol

mg/meqv

meqv/L

44,85

61

1

61,00

0,74

9,9

96

2

48,00

0,21

24,02

35,45

1

35,45

0,68

60

2

30,00

60

2

30,00

2-

NO2

0,42

mg/L

2-

-

Suma

-

Suma



1,62

Cuando un análisis de agua está correcto, la suma de los aniones debe ser igual a la de los cationes. Como puede observarse en el caso del agua “La Parcela”   falta información sobre los cationes.

2. Diagrama de barras De acuerdo con las concentraciones el diagrama iónico de barras es: Ca2+

Mg HCO3-

SO42-

Cl–

3. Lista de sustancias probablemente presentes en el agua De acuerdo con el diagrama iónico de barras, las sustancias que probablemente se encuentran en el agua son: Ca(HCO3)2= 0,3 meqv/L Mg(HCO3)2= 0,12 meqv/L

Nota: Debido a que el análisis de agua está incompleto, estas son las únicas sustancias que se pueden identificar.



4. Sólidos disueltos totales La concentración de sólidos disueltos totales en una muestra de aguas es igual a la suma de los cationes, más los aniones expresados en mg/L, por lo tanto, para este caso se tiene:

▪  68

C aracterísticas físicas, químicas y biológicas del agua



SD = 6 + 1,45 + 44,85 + 9,9 + 24,02 = 86,22 mg/L



Nota: Debido a que el análisis de agua está incompleto, falta agregar los mg/L de las sustancias que no están incluidas en el reporte de calidad del agua. –v–

2.6.2.2 Sustancias químicas El agua, por ser considerada el solvente universal, tiene la posibilidad de que una gran cantidad de elementos y compuestos químicos estén presentes en ella. Sin embargo, muchos de estos compuestos no tienen importancia en la calidad del agua. Debido al alcance de este libro, sólo se discuten las sustancias que a criterio del autor son las más comúnmente utilizadas en el diagnóstico de la calidad del agua.

Grasas El término grasa se aplica a una amplia variedad de sustancias orgánicas que se extraen de soluciones acuosas o en suspensión. La extracción de estas sustancias se hace en el laboratorio utilizando hexano. Generalmente, se pueden considerar grasas compuestos como los hidrocarburos, esteres, aceites, ceras y ácidos grasos de alto peso molecular, dado que todos estos compuestos son solubles en hexano. Se utiliza el hexano en la prueba de laboratorio para medir las grasas porque es un buen solvente y tiene un mínimo poder solvente para otros compuestos orgánicos. Las grasas son generadas o llegan al agua por actividades antrópicas, y su presencia y medición están relacionadas principalmente con actividades que tienen que ver con el manejo de aguas residuales. Normalmente, las empresas operadoras de los sistemas de alcantarillado no permiten el vertimiento de aguas residuales con contenidos de grasas superiores a 100 mg/L. Lo anterior debido a que las grasas obstruyen las tuberías y presentan problemas en la operación de las plantas de tratamiento de aguas residuales. En aguas naturales, la presencia de grasas inhibe el paso de la luz y del oxígeno disuelto en el agua, además, de que se adhieren a las branquias de los peces. En términos prácticos, para diferenciar las grasas de los aceites, las grasas son consideradas desechos sólidos mientras que los aceites son líquidos. ▪  69

C arlos A lberto Sierra R amírez

Detergentes El término detergentes se aplica a toda la variedad de materiales utilizados para remover la “mugre”  de la ropa, los platos, etc., es decir, todas las sustancias que producen espuma cuando el agua es agitada. Los detergentes son sustancias orgánicas que tienen la propiedad de reducir la tensión superficial del agua. Esta es la razón por la cual remueven la mugre. A los detergentes, también, se les conoce como tenso-activos o surfactantes. Los detergentes se fabrican a partir del ión alkyl-benceno sulfonato. La forma química de este ión se presenta en la figura 2.4. H |

R - C - R´ |

Ión Alkyl

Cadena benceno |

O - S- O

Ión sulfonato

|

Na Figura 2.4 Forma química del ión alkyl-benceno sulfonato

De acuerdo con lo discutido anteriormente, los detergentes pueden ser de dos tipos: i) Detergentes LAS (Alkyl-benceno Sulfonato Lineal). En este caso el ión alkyl es lineal, es decir, compuestos derivados de las parafinas. La característica más importante de este tipo de detergentes es que son biológicamente degradables. ii) Detergentes ABS (Alkyl-benceno Sulfonato ramificados). En este caso el ión alkyl no es lineal, es ramificado. Estos compuestos son generalmente polímeros del propileno. La característica más importante de estos compuestos es que no son biológicamente degradables.

Hierro y manganeso Se discuten en conjunto porque en la naturaleza siempre se encuentran juntos. Estos compuestos son básicamente importantes en las aguas subterráneas en las cuales se encuentran en altas concentraciones. La presencia de hierro y manganeso en las aguas superficiales y subterráneas se debe al poder disolvente ▪  70

C aracterísticas físicas, químicas y biológicas del agua

que tiene el CO2 sobre los estratos del suelo reduciendo los compuestos férricos a hierro soluble. El hierro y el manganeso se consideran importantes en el tratamiento del agua porque aunque no tienen efectos en la salud de los consumidores, tanto el hierro como el manganeso manchan la ropa y los aparatos sanitarios, además, cuando se agota el oxígeno forman compuestos que se depositan, corroen y obstruyen tuberías y equipos mecánicos. Existen dos métodos colorimétricos aplicables a la medición de hierro en aguas naturales que se encuentran libres de las sustancias interferentes: el método de la Fenantrolina y el tentativo de Tripiridil. Normalmente, se mide hierro total y hierro soluble (Fe2+). La forma importante en la calidad del agua del hierro es la soluble debido a que el Fe2+ en presencia de oxígeno se oxida a Fe3+ que es el que causa las incrustaciones. El manganeso se determina por la acción de agentes oxidantes fuertes sobre los compuestos manganosos solubles, al comparar el color púrpura producido, con las soluciones patrones de Mn. Existen dos alternativas de métodos colorimétricos para la determinación del Mn en el agua que usan dos agentes oxidantes: el método del Peryodato y el del Persulfato. Se considera que concentraciones mayores a 0,3 mg/L de Fe total y de 0,1 de Mn crean problemas de calidad del agua en los sistemas de agua potable.

Nitrógeno El nitrógeno (N) así como el fósforo son esenciales para el crecimiento de protistas y plantas, razón por la cual reciben el nombre de nutrientes o bioestimuladores. Debido a que el N es absolutamente básico para la síntesis de proteínas, será preciso conocer datos sobre la presencia del mismo en las aguas, y en qué cantidades, para valorar la posibilidad de tratamiento de las aguas residuales domésticas e industriales mediante los procesos biológicos. El nitrógeno total está compuesto de nitrógeno orgánico, amoníaco, nitrito y nitrato. La prueba más común de determinación de nitrógeno es el Kjeldahl (NTK). El NTK determina la concentración de nitrógeno orgánico y nitrógeno amoniacal. Si se desea obtener solamente el orgánico, durante la prueba de laboratorio se elimina el N amoniacal hirviendo la muestra. El nitrógeno amoniacal se encuentra en solución acuosa en forma de ion amonio o como amoníaco, en función del pH de la solución de acuerdo con la siguiente ecuación.

NH3 + H2O ⇔ NH4- + OH-

(2.7) ▪  71

C arlos A lberto Sierra R amírez

Con pH superiores a 7, el equilibrio se desplaza hacia la izquierda, mientras el ion amonio es predominante a pH menores de 7. El amoníaco se determina elevando el pH, destilando el amoníaco con el vapor producido cuando se hierve la muestra y condensando el vapor que absorbe el amoníaco gaseoso. La medida se lleva a cabo colorimétricamente, por titulación o mediante conjuntos ionelectrodo específicos. Los ambientes acuáticos sin contaminar contienen pequeñas cantidades de nitrógeno amoniacal, generalmente menores de 0,1 mg N/L. Las concentraciones de nitrógeno amoniacal medidas en aguas superficiales son típicamente menores de 0,2 mg/L pero pueden alcanzar hasta 2-3 mg N/L. Concentraciones más altas pueden indicar que existe contaminación de origen orgánico procedente de vertimientos de agua residual doméstica, industriales o producida por la escorrentía que arrastra fertilizantes. El nitrógeno amoniacal, es por lo tanto, un indicador de contaminación orgánica. En los ambientes lenticos (lagos, embalses), es factible que se presenten altas concentraciones de nitrógeno amoniacal debido a la descomposición de la materia orgánica en condiciones anóxicas. El nitrógeno de nitritos, cuya determinación se realiza colorimétricamente, es relativamente inestable y fácilmente oxidable a nitratos. La concentración de nitritos raramente excede la cantidad de 1 mg/L en las aguas residuales y de 0,1 mg/L en el caso de las aguas superficiales y subterráneas. A pesar de que su presencia suele darse en concentraciones pequeñas, los nitritos tienen gran importancia en los estudios de aguas, dada su gran toxicidad para gran parte de la fauna piscícola y demás especies acuáticas. El nitrato es la forma más oxidada del nitrógeno que se puede encontrar en el agua. Se forman en la descomposición de las sustancias orgánicas nitrogenadas, principalmente proteínas. Es importarte considerar los nitratos en el tratamiento del agua porque en concentraciones mayores de 10 mg/L como N (45 mg/L como NO3), se ha comprobado que producen una enfermedad en los niños llamada metahemoglobinemia. Las concentraciones de nitrato en efluentes de aguas residuales pueden variar entre 0 y 20 mg/L. Cuando existen actividades antrópicas, las aguas superficiales pueden tener concentraciones hasta de 5 mg NO3/L pero normalmente menores de 1 mg NO3/L. Concentraciones por encima de los 5 mg NO3/L usualmente indican contaminación, ya sea por desechos domésticos, de animales o la escorrentía. En lagos y embalses concentraciones de nitratos por encima de 0,2 mg NO3/L ya empiezan a general problemas de eutroficación en el agua. En las aguas subterráneas se puede llegar a concentraciones de nitratos hasta de 500 mg NO3/L, especialmente en zonas agrícolas debido a la utilización de fertilizantes. ▪  72

C aracterísticas físicas, químicas y biológicas del agua

Las ecuaciones 2.8 y 2.9 muestran la forma como aparecen las diferentes formas de nitrógeno en las aguas naturales.

NH2





Enzima Ureasa

C = O + 2H2O



NH2



Urea





(NH4)2CO3

(2.8)

Carbonato de amonio

nitrosomonas

3NH3 + 3O2

2NO2+2H2O

(2.9)



2NH2 + O2 + 2H+

2NO3+2H+

Fósforo El fósforo es esencial para el crecimiento de algas y otros organismos biológicos. Debido a que en las aguas superficiales ocurren nocivas proliferaciones incontroladas de algas, actualmente existe mucho interés en limitar la cantidad de fósforo que alcanzan las aguas superficiales por medio de vertimientos de aguas residuales domésticas, industriales y por escorrentía. Como ejemplo se puede citar el caso de las aguas residuales municipales cuyo contenido de fósforo como P puede variar entre 4 y 15 mg/L. Las formas más frecuentes en que se presenta el fósforo en soluciones acuosas incluyen el ortofosfato, el polifosfato y los fosfatos orgánicos. Los ortofosfatos como PO43-, HPO42-, H2PO4- y H3PO4, por ejemplo, se hallan disponibles para el metabolismo biológico sin que sea precisa una ruptura posterior. El fósforo orgánico es de poca importancia en la mayor parte de los residuos domésticos, pero puede ser un constituyente de importancia en los vertimientos industriales y lodos de aguas residuales domésticas. Los ortofosfatos son la forma más importante de fósforo en el agua debido a que se encuentran disueltos en el agua y de esta manera son aprovechados por las plantas. A esta forma de fósforo se le conoce en la literatura como fósforo aprovechable o disponible. Se recomienda que las concentraciones de fosfatos se expresen en términos de fósforo (P) y no como mg PO4 /L. El fósforo raramente se encuentra en el agua en altas concentraciones debido a que las plantas lo absorben rápidamente. En aguas superficiales la concentración ▪  73

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de fósforo fluctúa normalmente entre 0,005 y 0,020 mg PO4-P/L y se puede encontrar en concentraciones mucho más altas en ambientes marinos. En el agua subterránea, los niveles son cerca de 0,020 mg PO4-P/L.

Clorofila El fitoplancton está formado por algas, las que, a su vez, están constituidas por una serie de pigmentos. Entre los pigmentos más representativos están: clorofilas, carotenoideos y biliproteinas. Mediante la cuantificación de la clorofila puede hacerse un estimativo del fitoplancton que existe en un área determinada, por lo cual se han estudiado las clorofilas el reconocimiento y extracción del fitoplancton.

La clorofila α se encuentra en todas las algas y presenta dos bandas de absorción, una en la zona roja del espectro visible con una longitud de onda entre 660 y 665 nm, y la otra con una longitud de onda menor de 430 nm en la zona violeta. La clorofila β solo está presente en algas verdes y en euglenofitas. Su función es la acumulación de la luz que pasa a la clorofila α como energía lumínica. Existe otro tipo de clorofilas de menor importancia que tienen poco significado en los estudios de calidad del agua. En conclusión, en los estudios de calidad del agua se utiliza solamente la clorofila α, ya que es la que se encuentra en todas las algas. La clorofila α se utiliza como una medida de la cantidad de materia vegetal o biomasa que existe en el agua. Con base en este parámetro también se puede determinar el estado trófico del agua.

Demanda bioquímica de oxígeno (DBO) El parámetro más ampliamente utilizado para determinar el contenido de materia orgánica de una muestra de agua es la demanda bioquímica de oxígeno. La DBO se mide determinando la cantidad de oxígeno que requieren los microorganismos (bacterias principalmente) para degradar, oxidar, estabilizar, etc. la materia orgánica. La prueba de DBO más conocida es la DBO5. Esta prueba se realiza incubando la muestra de agua en el laboratorio y al cabo de cinco días se mide el consumo de oxígeno por parte de los microorganismos, y los resultados se reportan en mg/L de oxígeno consumido. La prueba o datos de DBO se utilizan para: • Determinar la cantidad de oxígeno requerida para biológicamente estabilizar la materia orgánica. Con este dato se diseñan los equipos de aireación de los procesos de lodos activados. ▪  74

C aracterísticas físicas, químicas y biológicas del agua

• Dimensionar las unidades de tratamiento de agua. • Medir la eficiencia de algunos de los procesos de tratamiento de aguas residuales • Cobrar las tasas retributivas. Para asegurar la representatividad del valor de la DBO, la prueba debe ser realizada por un laboratorio homologado por una autoridad competente (en Colombia el IDEAM) y se debe utilizar un método estándar en su medición. Las técnicas de laboratorio empleadas en el análisis de la DBO se salen del alcance del curso y para ello se deben consultar las referencias especializadas en este tipo de análisis. Durante el proceso de desoxigenación o estabilización de la materia orgánica, el consumo de oxígeno está descrito por la ecuación: Materia orgánica + Bacterias + O2 ⇒ CO2 + H2O + Nuevos organismos (2.10) Ejercicio 2.4 Cálculo de la demanda teórica de oxígeno • Un agua residual industrial contiene acido estereático (C18H36O2), glicina (CH2(NH2)COOH) y glucosa (C6H12O6). Los resultados de laboratorio son los siguientes: 11 mg/L de nitrógeno orgánico, 130 mg/L de carbono orgánico y 425 mg/L de DQO. Determinar la concentración de cada uno de los compuestos en mg/L.



Solución: Sea: X1: mg/L de glucosa X2: mg/L de ácido esteréatico X3: mg/L de glicina



Pesos moleculares: CH2(NH2)COOH = 75 g



1. DBO Carbonácea (DBOC) de glucosa





C6H12O6 = 180 g

C18H36O2 = 284 g

C6H12O6 + 6 O2 ⇒ 6 CO2 + 6 H2O DBOCG =

6 mol O2 32g O2 mol glucosa mg * * * X1 glucosa =1,07X1 mol glucosa mol O2 180 glucosa L

DBOCG = 1,07X1 ▪  75

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2. DBO Carbonácea del ácido estereático C18H36O2 + 26 O2 ⇒ 18 CO2 + 18 H2O 26 mol O2 32g O2 mol ácido mg DBOCA = * * * X2 ácido = 2,93X2 mol ácido mol O2 284 ácido L

DBOC A = 2,93X2

3. Concentración de glicina Dado que existen 11 mg/L de nitrógeno orgánico en la muestra, todo ese nitrógeno es debido a la presencia de la glicina que es el único compuesto que contiene nitrógeno. Por lo tanto, se puede determinar la cantidad de glicina de la siguiente manera: mg NO 11 * 75mg Glicina / mol mg mg L de Glicina = = 59 de Glicin na L 14 mg N / mol L 4. DBON de la glicina CH2(NH2)COOH + 3/2 O2 ⇒ NH3+ 2 CO2 + H2O

NH3 + 2 O2 ⇒ HNO3 + H2O



DBON =



DBON = 50,3 mg/L

2mol O2 32g O2 mol glicina mg * * * 59 de glicina = 50,3mg / L mol glicina mol O2 75g glicina L

5. DBOC de la Glicina CH2(NH2)COOH + 3/2 O2 ⇒ NH3+ 2 CO2 + H2O

DBOCglicina =

1,5mol O2 32g O2 mol glicina mg * * * 59 de glicina = 37,8 mg / L mol glicina mol O2 75g glicina L

DBOC glicina = 37,8 mg/L

6. DBO total DBO total = DBON + DBOCG + DBOA + DBOCglicina

425 mg/L = 50,3 + DBOCG + DBOA + 37,8



DBOCG + DBOA = 336,9 mg/L Si en la ecuación anterior se reemplazan los valores de la DBO por el de las concentraciones de glucosa y de ácido, la ecuación anterior se transforma en: 1,07X1 + 2,93X2 = 336,9

▪  76

C aracterísticas físicas, químicas y biológicas del agua

7.

Carbono orgánico total Carbono orgánico en la glucosa = (6*12/180)*X1 = 0,4X2 Carbono orgánico en el ácido = (18*12/284)*X2 = 0,76X1 Carbono orgánico en la glicina = (2*12/75)*59 = 18,9 Carbono orgánico total = 130 = 0,76X1 + 0,4X2 + 18,9 ⇒ 0,4X1 + 0,76X2 = 111

8. Concentraciones de glucosa, ácido estereático y glicina Las concentraciones de glucosa y del ácido estereático se encuentran resolviendo el siguiente par de ecuaciones: 1,07X1 + 2,93X2 = 336,9 0,4X1 + 0,76X2 = 111

Resolviendo las anteriores ecuaciones: • La concentración de glucosa (X1) es de 194 mg/L • La concentración de ácido estereático (X2) es de 44 mg/L • La cantidad de glicina = 50 mg/L –v–

Demanda química de oxígeno (DQO) La DQO es una prueba ampliamente utilizada para determinar el contenido de materia orgánica de una muestra de agua. A diferencia de la DBO, en esta prueba la materia orgánica es oxidada utilizando una sustancia química y no microorganismos. El dicromato de potasio constituye actualmente el mejor agente oxidante para la determinación de la DQO. Este compuesto tiene la capacidad de oxidar la gran mayoría de sustancias orgánicas, además, es fácil de determinar su concentración antes y después de la prueba lo cual hace que se pueda calcular el oxígeno consumido. Otra de las ventajas de la DQO es el poco tiempo que duración de la prueba: mientras un análisis de DBO tarda 5 días, uno de DQO demora 3 horas. La reacción química que ocurre durante la determinación es: Materia orgánica (Ca HbOc )+ Cr2O7-2 + H+

Cr+3 + CO2 + H2

(2.11)

Con base en la anterior discusión, los valores de la DQO son mayores que los de la DBO y la diferencia aumenta con la presencia con la presencia de sustancias tóxicas que hagan la muestra de agua biológicamente resistente a la degradación. Sólo en el caso de desechos que se estudien cuidadosamente es posible obtener una relación entre DQO y DBO. Una vez esta relación se conoce, se puede ▪  77

C arlos A lberto Sierra R amírez

eliminar el ensayo de DBO y con la relación DQO/DBO, determinar la cantidad de materia orgánica biológicamente degradable.

Sustancias tóxicas Las sustancias tóxicas, por ser tan importantes en la calidad del agua, se tratan en un capítulo aparte. 2.6.3 Características biológicas Las aguas crudas pueden tener una gran variedad de microorganismos. Los microorganismos en el agua pueden ser patógenos o no patógenos. Por patógenos se entienden aquellos organismos que causan enfermedad a los seres vivos mientras que por no patógenos se entiende lo contrario. Los microorganismos más importantes que se encuentran en el agua y pueden producir enfermedades son las bacterias, los virus, las algas, los hongos y algunos protozoos. Entre las enfermedades más comunes que se transmiten por el agua están:

Cólera El cólera es una enfermedad diarreica producida por el vibrio-cólera. Esta bacteria es removida fácilmente por los procesos convencionales del tratamiento del agua. Por lo tanto, el cólera se transmite por el consumo de agua sin tratar o aguas tratadas deficientemente. Es importante recordar como aspecto importante que esta enfermedad estuvo prácticamente erradicada del mundo y su rebrote se debe a los malos servicios de agua y a la pobreza en que se encuentran los países del Tercer Mundo. El rebrote se dio a comienzos de los años 90 en la región amazónica del Perú.

Gastroenteritis Este es el nombre genérico aplicado comúnmente a las enfermedades diarreicas que radican en el sistema gastrointestinal sin que se pueda clasificarlas específicamente. Existe discrepancia entre los investigadores sobre el microorganismo causante de la gastroenteritis. Sin embargo, se tiene comprobado que son varios los microorganismos que ocasionan la gastroenteritis. Se sabe con certeza que la Escherichia Coli (tipo enteropatógeno) produce gastroenteritis y ataca con mayor frecuencia la población infantil y a los ancianos. También, existen informes de que el ganado que bebe agua que contiene cantidades excesivas de algas ha presentado desórdenes gastrointestinales, ▪  78

C aracterísticas físicas, químicas y biológicas del agua

debido probablemente a sustancias tóxicas que, se sabe, contienen estas algas. Amplios estudios sobre enfermedades diarreicas agudas demostraron que muchas de ellas son disenterías benignas causadas por miembros del género Shigella. Adicionalmente, han ocurrido casos en que las sustancias químicas utilizadas en el tratamiento del agua han producido irritaciones en el sistema gastrointestinal de los consumidores y, por ende, diarrea en los usuarios. Queda, pues, aceptado que la gastroenteritis es una infección bacteriana (sin especificar cuál), que puede ser transmitida por el consumo de agua sin o deficientemente tratada. Además de las enfermedades nombradas anteriormente, existen otras infecciones que son de comprobada transmisión por el agua. Entre ellas se pueden citar: • La fiebre tifoidea transmitida por la salmonella typhosa. • La disentería causada por la entomoeba hystolítica (comúnmente conocida como amiba la bacteria y amibiasis la enfermedad). • El parasitismo en general. Está comprobado que la mayoría de los parásitos del hombre (ascaris, giardias, etc.) pueden ser adquiridos por el consumo de aguas contaminadas. • Otras enfermedades: hepatitis A, conjuntivitis, etc. Como puede apreciarse, son muchos los microorganismos presentes en el agua que causan enfermedades a los usuarios. Este hecho ha dificultado la selección del parámetro que mida correctamente la calidad bacteriológica del agua. Lo ideal sería que se tuviera un organismo patógeno como indicador; sin embargo, esto no ha sido posible. Se tuvo que seleccionar como indicador todo un grupo y no un microorganismo en especial. El indicador de la calidad bacteriológica del agua es el grupo de bacterias coliforme. Este grupo coliforme está definido como todas las bacterias aeróbicas y anaeróbicas facultativas, Gram negativas, no formadoras de esporas y de forma redonda que fermentan la lactosa formando gas en 48 horas y a 35 oC. Las razones que se tuvieron para seleccionar este indicador fueron las siguientes: • A unque el grupo coliforme generalmente no es patógeno (a menos que se encuentren en gran número), son habitantes normales del intestino del hombre y algunos animales. Esto hace que la presencia de coliformes en el agua sea indicio de contaminación fecal y por consiguiente una alta posibilidad de que estén presentes también organismos patógenos. ▪  79

C arlos A lberto Sierra R amírez

• L as bacterias del grupo coliforme se encuentran en mayor cantidad y generalmente viven más tiempo en el agua que los organismos patógenos. Esta razón hace que el análisis de laboratorio sea más rápido y que los microorganismos no escapen a la prueba, es decir, el resultado no dé negativo. • L os organismos patógenos requieren de análisis de laboratorio más sofisticados para su aislamiento y detección que los que requieren el grupo coliforme. Los métodos bacteriológicos para detectar coliformes son: la técnica de los tubos múltiples de fermentación y la técnica de los filtro membrana. Las técnicas para realizar las pruebas anteriores se encuentran estandarizadas y los procedimientos de muestreo y análisis se están en los Métodos Estándar (referencia 7). Por ser la forma más común de evaluar la presencia de coliformes, a continuación se describe brevemente la prueba de los tubos múltiples: El ensayo se realiza siguiendo el siguiente procedimiento: 1. Se prepara una serie de diluciones tal como lo muestra la figura 2.5. 2. Luego se introduce una muestra de 1 ml de cada una de las diluciones en cada uno de los cinco tubos de fermentación que contienen la lactosa. 3. Para cada una de las diluciones, los resultados se expresan en forma de cociente entre el número de tubos positivos respecto del número total de tubos. Ejercicio 2.5 Cálculo del número más probable de bacterias • Determinar el NMP para una muestra de agua que arrojó los siguientes resultados:



Volumen (mL)

1,0

0,1

0,01

(a)

5/5

5/5

2/5

0/5

0/5

520

4.900

(b)

5/5

0/5

1/5

0/5

0/5

501

310

(c)

5/5

4/5

1/5

1/5

0/5

542

2.200

Solución:

▪  80

0,001 0,0001 Combinación

NMP/100 L

C aracterísticas físicas, químicas y biológicas del agua

1 ml

1 ml

1 ml

1 ml

0,9 ml

0,9 ml

0,9 ml

0,9 ml

La presencia de gas se adopta como ensayo positivo

Figura 2.5 Ensayo de los tubos múltiples Fuente: elaboración propia.



Como se explicó anteriormente, los resultados de la prueba de tubos múltiples se dan en forma de cociente. El numerador indica el número de tubos positivos mientras que el denominador indica el número de tubos utilizados en la prueba. Para seleccionar la combinación de tres dígitos con que se entra a las tablas de NMP se debe tener en cuenta la siguiente regla: Se selecciona la dilución más alta que presenta resultados positivos en los cinco tubos y luego se escogen las siguientes diluciones. Cuando hay resultados positivos en diluciones más altas, se suman como en el caso (c).

2.7 RESUMEN SOBRE LAS CARACTERÍSTICAS FÍSICAS, QUÍMICAS Y BIOLÓGICAS DEL AGUA Para finalizar con el tema de las propiedades físicas, químicas y biológicas del agua, la tabla 2.6 presenta el resumen de las variables discutidas en este capítulo. Es de anotar que por facilidad de presentación se incluyen ciertas sustancias tóxicas y metales pesados, a pesar de que este tema se discute en capítulos posteriores. ▪  81

C arlos A lberto Sierra R amírez

Tabla 2.6 Parámetros ambientales propuestos para medir en el recurso agua A. Bacteriológicos No.

Parámetro

Descripción

1

Coliformes totales

La presencia de coliformes totales indica que el cuerpo de agua ha sido o está contaminado con materia orgánica de origen fecal, ya sea por humanos o animales.

2

Coliformes fecales

Es un indicador indirecto del riesgo potencial de contaminación con bacterias o virus de carácter patógeno, ya que las coliformes fecales siempre están presentes en las heces humanas y de los animales.

3

Estreptococos totales

Es un indicador de la contaminación fecal de origen humano o animal, usado porque presenta una alta resistencia al cloro. Se usa ampliamente en otros países como indicador bacteriológico en balnearios y playas, es decir, en sitios para la recreación en general.

B. Organolépticos 4

Turbiedad

Su presencia disminuye la producción de oxígeno por fotosíntesis, restringe los usos del agua, indica deterioro estético del cuerpo de agua, interfiere en la desinfección.

5

Color

Su mayor aporte en monitoreo de aguas es la descripción que pueda aportar para el análisis de una muestra o describir las condiciones físicas o estéticas de un cuerpo de agua.

6

Sustancias flotantes

Es un indicador estético del cuerpo del agua, y como tal se debe “medir”   de manera cualitativa, o descriptiva.

7

Olor

Se mide cualitativamente como presente o no. Actualmente, lo más práctico evaluar su presencia midiendo concentraciones de H2S.

C. Físicos 8

pH

Origina cambios en la fauna y la flora de los cuerpos de agua. Ejerce influencia sobre la toxicidad de ciertos compuestos, como el amoníaco, metales pesados, hidrógeno sulfurado, etc.

9

Temperatura

Las variaciones de este parámetro en las corrientes de agua generan un cambio en el ambiente de desarrollo de la fauna y la flora presente en él; elevan el potencial tóxico de ciertas sustancias disueltas en el agua y originan la disminución del oxígeno disuelto, lo que conduce a condiciones anaeróbicas de la corriente.

▪  82

C aracterísticas físicas, químicas y biológicas del agua

C. Físicos 10

Conductividad Se mide en µmhos/cm o µS/cm. Indica la presencia de sales en forma ionizada, como los cloruros o iones de sodio, carbonatos, etc. Permite establecer relaciones e interpretación de resultados con los sólidos disueltos en las descargas o cuerpos de agua. Es la mejor medida indirecta de la salinidad, ya que por otros métodos se torna engorroso e impreciso. Mediante el establecimiento de relaciones empíricas de la conductividad en soluciones estándar, posibilita resultados más rápidos y funcionales.

11 12

Sólidos totales Suspendidos volátiles Suspendidos Disueltos Disueltos volátiles Sedimentables

13 14 15 16

Las diferentes formas de sólidos propuestos indican la presencia de sales disueltas, partículas en suspensión de carácter orgánico o inorgánico. Con los sólidos se puede establecer relaciones con otros parámetros como la DQO y la DBO, la turbiedad y el color, para que una vez establecidas las relaciones empíricas a través de series de datos, se pueda ahorrar parámetros como la DBO, que normalmente demora 7 días desde la entrega de la muestra hasta el reporte de resultados.

D. Indicador bioquímico 17

DBO5

Demanda bioquímica de oxígeno en cinco días. Parámetro de mayor significación cuando se trata de determinar la carga polucional que pueden generar los desechos domésticos e industriales de carácter orgánico al ser descargados en corrientes de agua en las que persistan condiciones aeróbicas. Normalmente se determina la demanda a los 5 días y mediante ecuaciones de cinética bacteriana se extrapolan los resultados a los 20 días, para obtenerlos más rápidamente.

E. Químicos básicos 18

Acidez

19

Alcalinidad

20

COT

Estos dos parámetros no pueden considerarse como contaminantes directos o específicos, sino como una medida de los efectos de la combinación de sustancias asociadas a los carbonatos y bicarbonatos. Debido a las variaciones que producen en el pH se generan reacciones secundarias rompiendo el ciclo ecológico en un cuerpo de agua. Ellos se expresan como la concentración de carbonato de calcio (CaCO3) Carbono orgánico total. Este parámetro es el más conveniente y directo para determinar la cantidad total de materia orgánica presente en el agua. Con sus resultados se pueden establecer relaciones con la DBO, DQO, y por tanto, obtener conclusiones sobre su consistencia o no.

▪  83

C arlos A lberto Sierra R amírez

E. Químicos básicos No.

Parámetro

Descripción

21

Calcio

Son la causa más frecuente de la dureza y afectan vitalmente las propiedades incrustantes y corrosivas de un agua.

22

Cianuros

Su presencia tiene un efecto de significación sobre la actividad biológica del sistema. Los organismos causantes de autopurificación de los cuerpos de aguas son inhibidos por un contenido de 0,3 mg/L de CN-. Su toxicidad aumenta cuando se asocia a variables tales como temperatura, pH, OD y la concentración de ciertas sustancias minerales.

23

Cloruros

Son una medida indirecta de contaminación de origen orgánico humano, así como de la presencia de sales ionizables.

24

DQO

La prueba de demanda química de oxígeno es muy usada para medir la carga polucional de los desechos domésticos e industriales. Mediante esta prueba se puede medir un desecho en términos de la cantidad de oxígeno requerido para oxidar completamente la materia orgánica del desecho a CO2, agua y amoníaco.

25

Detergentes

26

Dureza

27

Fósforo total

28

Grasas y aceites

▪  84

Originan cambios significativos de reducción de la tensión superficial del agua, imposibilitando el intercambio adecuado del oxígeno gaseoso. Originan consumo del oxígeno disuelto por su componente orgánico, incrementan la concentración de fósforo total. Las aguas duras imposibilitan el efecto adecuado de jabones en las aguas de uso doméstico. Sus valores altos ocasionan incrustación y corrosión en las tuberías o equipos metálicos industriales o redes de acueducto. En aguas de teñido originan manchas en las telas. Puede ser utilizado como indicador de cantidad de detergentes sintéticos vertidos a una corriente, ya que éstos poseen entre el 12 al 13% de fósforo en sus formulaciones. Desde el punto de vista de la eutroficación de cuerpos de agua, el nivel crítico es aproximadamente 0,01 mg/L En aguas superficiales ocasionan películas que interfieren en la transferencia de oxígeno atmosférico. En cantidades excesivas disminuyen la eficiencia de los tratamientos biológicos. Originan taponamientos de las redes de alcantarillado, por su adherencia a las paredes del tubo. Su presencia disminuye notablemente la calidad estética del cuerpo del agua. Generalmente están asociadas a la presencia de hidrocarburos por su insolubilidad en el agua.

C aracterísticas físicas, químicas y biológicas del agua

E. Químicos básicos No.

Parámetro

Descripción

29

Hidrocarburos

Están englobados dentro de las grasas y aceites. Sin embargo, por su importancia y efectos ambientales se deben determinar independientemente. Generan olores fuertes y deterioro estético de los cuerpos de agua. Su presencia origina incremento de la DBO, alteran los procesos biológicos e impiden el intercambio del oxígeno gaseoso.

30

Hierro total

Aguas con altos contenidos de este metal, al entrar en contacto con el aire, se puede precipitar, originando sólidos sedimentables, y coloración de las aguas. Su presencia imposibilita el uso del agua en algunas actividades industriales y posibilita el crecimiento de las bacterias del hierro (crenothrix), que causan taponamiento en las tuberías de acueducto.

31

Magnesio

32

Manganeso

33

Nitratos

El contenido de dureza está asociado al contenido de magnesio, la formación de incrustaciones y propiedades corrosivas del agua. En pequeñas cantidades produce manchas muy intensas en porcelanas y muebles sanitarios. Su oxidación posibilita la formación de precipitados, generando turbiedad y disminución de la calidad estética de los cuerpos de agua. Este parámetro presente en aguas puede causar metahemoglobina (color azul de la piel) en los infantes alimentados con leche preparada. La enfermedad es producida por reducción de los nitratos a nitritos dentro del sistema digestivo de estos niños.

34

Nitritos

En aguas superficiales crudas, las huellas de nitrito indican contaminación. Debido a que el nitrito es formador de ácido nitroso en solución ácida, cuya mezcla con aminas secundarias forma las nitroso-aminas (cancerígenas), debe tener un cuidadoso control.

35

Nitrógeno amoniacal

La descarga de este parámetro a los cuerpos de agua puede reducir sus niveles de oxígeno disuelto, en especial, cuando sus tiempos de residencia son altos.

36

Nitrógeno orgánico

La presencia de N amoniacal y orgánico en aguas indica una reciente contaminación, por lo que ofrecen mayor peligro para la salud pública.

37

Oxígeno disuelto (OD)

Es una de las pruebas más simples e importantes, para determinar por su concentración la contaminación de corrientes o los cuerpos de agua. Es una de las condiciones más importantes para que exista crecimiento y reproducción de una población normal de peces y otros organismos acuáticos.

▪  85

C arlos A lberto Sierra R amírez

E. Químicos básicos No.

Parámetro

Descripción

38

Sulfatos

Los sulfatos, al mezclarse con iones de calcio y magnesio en aguas de consumo humano, producen un efecto laxante. En aguas residuales al entrar en contacto con el concreto inducen la formación de cristales de sulfato aluminato que originan una expansión del material que destruye su textura. Bajo la acción de bacterias anaerobias los reducen hasta la formación de sulfuros, que luego en condiciones aeróbicas favorecen la formación de ácido sulfúrico, con los problemas de olor y corrosión asociados a estos compuestos.

39

Sulfuros

Son grandes causantes de olores y disminución del pH. Es un estado intermedio de la reducción de los sulfatos bajo condiciones anaeróbicas y bacterias sulfurosas. Atacan directamente los metales e indirectamente la corrosión de tuberías. Es tóxico para los peces y otros organismos acuáticos.

40

Salinidad

Es una propiedad importante para las aguas naturales e industriales. Originalmente fue concebida como una medida la masa de sales disueltas. Su determinación inicialmente se hacía por secado y pesado de las sales, pero presenta dificultades por las pérdidas de algunos compuestos. Actualmente, la salinidad se determina indirectamente por la medida de propiedades físicas del agua tales como la conductividad, la densidad y la velocidad del sonido. A través de relaciones empíricas con las propiedades físicas se determina la salinidad de las aguas. La precisión de la determinación de las propiedades físicas, determina la precisión de la medida de salinidad. En orden de precisión el método estándar recomienda: 1) la conductividad, 2) la densidad y 3) la velocidad del sonido en el agua. Aunque la conductividad tiene la mayor precisión, ella sólo responde a los iones disueltos. La densidad del agua, aunque menos precisa, incluye todas las sales disueltas.

41

Zinc

Es un elemento esencial para las plantas y animales, pero en elevadas concentraciones es tóxico para algunas especies de la vida acuática. En aguas alcalinas pueden originar opalescencia en concentraciones de 5 mg/L. Su presencia es un indicador de descargas contaminantes industriales.

F. Metales pesados básicos No. 42

▪  86

Parámetro Aluminio

Descripción En las corrientes de los EE. UU., se encuentran valores de 400 µg/L. En aguas de consumo debe estar en 54 µg/L y en aguas subterráneas se encuentra en valores menores de 0,1 µg/L. Los minerales principales asociados al aluminio son la bauxita

C aracterísticas físicas, químicas y biológicas del agua

F. Metales pesados básicos No.

Parámetro

Descripción y óxidos de aluminio que son usados como abrasivos. Se usa en intercambiadores de calor y construcción de partes de aviones, contenedores y en material de construcción. El sulfato de aluminio se usa en la potabilización del agua como floculante. A valores mayores de 1,5 mg/L constituye un tóxico peligroso en los ambientes marinos. La Organización Nacional de Alimentos recomienda un valor máximo de 5 mg/L en aguas para riego. Para aguas de consumo la Environmental Protection Agency, por sus siglas en inglés (EPA) recomienda concentraciones máximas permisibles de 0,05 mg/L.

43

Arsénico

La contaminación por As aparece asociada a la fabricación o utilización de herbicidas o pesticidas. Obstaculiza reproducción celular. Los tejidos de muchos organismos lo acumulan, por tanto, sus efectos dañinos pueden durar un tiempo cuando la concentración es baja, pero a pesar de ello es mortal.

44

Cadmio

Es especialmente peligroso ya que se puede combinar con otras sustancias tóxicas. Afecta principalmente a los micromoluscos (no se desarrolla la concha). Produce graves enfermedades cardiovasculares en el hombre, además, es un irritante gastrointestinal.

45

Cobre

Su toxicidad sobre los organismos acuáticos varía con la especie, características físicas y químicas del agua, como temperatura, dureza, turbiedad y contenido de CO2.

46

Cromo

Su toxicidad varía con el tipo de peces, con la temperatura y el pH del agua, así como también con su estado de oxidación, siendo el Cr6+ el más nocivo. Las sales de cromo imparten una coloración en el agua.

47

Mercurio

Cuando está presente en agua de consumo de una u otra forma invade el cuerpo humano a través de los tejidos de la piel o ingestión de comida, preparada con dicha agua. Debilita progresivamente los músculos, pérdida de la visión, deteriora otras funciones cerebrales, genera parálisis eventual, estado de coma o muerte.

48

Níquel

En bajas concentraciones es vital para el desarrollo de plantas y animales, pero en elevados valores causan problemas graves en la salud humana.

49

Plomo

Compuesto tóxico acumulativo en el cuerpo humano. Produce una variedad de síntomas en los tejidos vulnerables. Cuando el agua está contaminada con sales de plomo, se le forma a los peces una película mucosa coagulante, primero sobre las agallas y luego sobre todo el cuerpo, causándoles sofocación.

Fuente: Informe “Identificación de alternativas para análisis de contaminantes ambientales”  . Área Metropolitana del Valle de Aburrá.

▪  87

C arlos A lberto Sierra R amírez

EJERCICIOS PROPUESTOS 2.1 Para el siguiente análisis de agua: a) realizar un balance iónico y dibujar un diagrama de barras, b) listar las sustancias que hipotéticamente pueden estar presentes en la muestra de agua y, c) determinar la dureza carbonácea y no carbonácea

Bicarbonato = 190 mg/L

Potasio = 3 mg/L



Calcio = 42 mg/L

Sodio = 8 mg/L



Cloruros = 14 mg/L

Sulfatos = 28 mg/L



Magnesio = 19 mg/L

Respuesta: a) Σ aniones = Σ cationes = 4,08 meqv/L b) Ca(HCO3)2= 2,1 meqv/L Mg(HCO3)2= 1,01 meqv/L MgSO4 = 0,55 meqv/L Na2SO4 = 0,03 meqv/L NaCl = 0,32 meqv/L KCl = 0,08 meq/L c) DC = 170 mg/L CaCO3; DNC = 73,2 mg/L CaCO3 2.2 Para el siguiente análisis de agua, determinar: a) acidez mineral, b) dureza total y c) alcalinidad total y d) la dureza carbonácea. El pH de la muestra es 4,8. OH- = 10 mg/L Fe2+ = 3 mg/L CO32- = 60 mg/L Mg2+ = 24,5 mg/L PO43- = 0,3 mg/L Na+ = 10 mg/L



Respuesta: a) Cero b) DT = 106,2 mg/L CaCO3 c) Alcalinidad total = 129,5 mg/L CaCO3 d) DC = 106,2 mg/L CaCO3

2.3 Una muestra de agua reporta una alcalinidad total de 185 mg/L como CaCO3 y una dureza total de 215 mg/L como CaCO3. Adicionalmente, el reporte incluye los siguientes aniones y cationes: ▪  88

C aracterísticas físicas, químicas y biológicas del agua



Mg2+ = 15,8 mg/L Na+ = 8 mg/L SO42- = 28,6 mg/L

Cl- = 10 mg/L NO3- = 1 mg/L



Determinar: a) el balance iónico, b) listar las sustancias que hipotéticamente pueden estar presentes en la muestra de agua.

Respuesta: a) Σ aniones ≅ Σ cationes ≅ 4,6 meqv/L b) Ca(HCO3)2= 3 meqv/L Mg(HCO3)2= 0,7 meqv/L MgSO4 = 0,6 meqv/L

NaNO3 = 0,016 meqv/L NaCl = 0,28 meqv/L

2.4 Asumir que el análisis de calidad del agua de una fuente superficial dio los siguientes resultados:

Ca2+ = 90 mg/L Na+ = 72 mg/L Cl- = 100 mg/L HCO3- = 165 mg/L



Determinar: a) el balance iónico, b) la alcalinidad total y la dureza total c) sólidos disueltos totales



Respuesta: a) Σ aniones ≅ Σ cationes ≅ 10,24 meqv/L b) Alcalinidad = 135,3 mg/L como CaCO3; Dureza total = 348 mg/L como CaCO3 c) Sólidos disueltos totales = 688 mg/L



Mg2+ = 30 mg/L K+ = 6 mg/L SO42- = 225 mg/L

2.5 Determinar la DBOC, DBN y DBO total de un agua residual que tiene la siguiente composición: 50 mg/L de fenol, C6H5OH 12 mg/L de nitrógeno amoniacal, NH4+ 100 mg/L de glicina, CH2(NH2)COOH

Respuesta: DBOC = 183 mg/L; DBON = 128 mg/L; DBO total = 311 mg/L ▪  89

C arlos A lberto Sierra R amírez

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS [1] CANTER, Larry. Manual de Evaluación de Impacto Ambiental. Mc. Graw Hill. España. 1998. [2] EPA. Office of Water. National Recommended Eater Quality Criteria-Correction. Abril de 1999. Informe 2, ítem 1.4, p. 18. [3] Instituto Nacional de Ecología. Norma Oficial Mexicana. Límites Máximos Permisibles de Contaminantes en las Descargas de Aguas Residuales a Cuerpos Receptores y a los Sistemas de Drenaje y Alcantarillado Urbano y Municipal. Junio 28 de 1993. (NOM-PA-CCA-031/93). [4] Metcalf and Eddy, Inc., Wastewater Engineering: Treatment, Disposal, and Reuse, McGraw-Hill Book Co., New York, 1979. [5] MORRIS, Levin y GEALT, Michael. Biotratamiento de Residuos Tóxicos y Peligrosos. España. Mc. Graw Hill. 1997. [6] Sociedad de Ingenieros Químicos de la UPB. Empresas Públicas de Medellín. Seminario EL AGUA. Un reto para la industria. Medellín, octubre 19 al 22 de 1994. Memorias. [7] Standard Methods for the Examination of Water and Wasterwater Works Association, Water Pollution Control Federation. 20 ed. New York, 1998. [8] THOMANN V., MUELLER John. Principles of Surface Water Quality Modeling and Control. Harper & Row, New York, 1987. [9] TRUJILLO, Julián. Contaminación Ambiental. Departamento de Química. Universidad de Antioquia, Santa Coloma. 1972. [10] Water Quality Assessment. Edited by Chapman & Hall. Inglaterra 1992. [11] XX Congreso Colombiano de Ingeniería Química. Tecnologías Limpias para el Nuevo Milenio. Santiago de Cali, agosto 4-6 de 1999.

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CAPÍTULO

3

Introducción a la toxicología acuática

3.1 GENERALIDADES SOBRE TOXICOLOGÍA ACUÁTICA 3.2 CLASIFICACIÓN DE LOS TÓXICOS 3.3 LOS BIOENSAYOS 3.4 TOXICIDAD AGUDA Y CRÓNICA 3.5 EVALUACIÓN DE LOS RESULTADOS DE TOXICIDAD 3.5.1 Unidades de toxicidad 3.5.2 Aplicación de los resultados de los ensayos de toxicidad 3.5.2.1 Aplicación de los datos para la protección contra la toxicidad aguda. 3.5.2.2 Protección contra la toxicidad crónica EJERCICIOS PROPUESTOS

CAPÍTULO 3

Introducción a la toxicología acuática

Debido al enfoque dado a este libro, el propósito de este capítulo no es presentar una profunda disertación o tratado sobre el tema de la toxicología acuática, tema sobre el cual se han escritos textos extensos. Simplemente lo que se quiere es dotar al lector de los conocimientos básicos sobre toxicología acuática, introducirlo en el tema y animarlo a que profundice en él. Se recomienda la revisión de las referencias 1 y 2 del presente capítulo. 3.1 GENERALIDADES SOBRE TOXICOLOGÍA ACUÁTICA Durante su ciclo natural el agua, por diferentes razones, puede llegar en contacto con numerosas sustancias químicas. Estas sustancias químicas se consideran “tóxicas” cuando a una determinada concentración y tiempo de exposición producen efectos adversos a la especie humana o la biota acuática (ecosistema). Esto significa que la mera presencia de un químico en el agua no implica la presencia de toxicidad. El problema del contenido de sustancias químicas en el agua se concentra en la transferencia potencial del químico a los humanos la cual puede ocurrir básicamente por dos vías: i) La ingestión del químico directamente del sistema de abastecimiento del agua. ii) La ingestión del químico a través del consumo de alimentos acuáticos contaminados (por ejemplo, peces, crustáceos, etc.), o del consumo de alimentos que usan como fuente organismos acuáticos en su preparación. La preocupación en general recae principalmente en los efectos desconocidos de la ingestión de químicos en el cuerpo humano en sí. Física y fisiológicamente, se tiene certeza sobre su potencial para producir cáncer, tumores y defectos genéticos. En vista de lo anterior, el problema de la presencia de las sustancias químicas en el agua es único en calidad del agua en el sentido de que su impacto sobre la salud pública es percibido como directo e individualizado. Este hecho contrasta con los efectos producidos por los contaminantes convencionales ▪  93

C arlos A lberto Sierra R amírez

que básicamente afectan el ecosistema acuático y prácticamente no generan problemas de salud pública. En general, la presencia de sustancias tóxicas en el agua puede interferir en usos deseables del agua tales como: • La acumulación de metales y químicos orgánicos en los peces impide la pesca como fuente de alimentos. • La formación de trihalometanos en el tratamiento del agua impide el uso del agua para consumo humano. • La presencia en agroquímicos en las aguas de escorrentía puede contaminar las aguas subterráneas y superficiales. • El lixiviado producido en sitios de disposición de desechos químicos puede contaminar las aguas subterráneas y superficiales. El problema de calidad del agua generado por las sustancias químicas se puede resumir como la descarga de químicos en los cuerpos de agua, lo cual resulta o genera concentraciones en el agua o en la cadena alimenticia de niveles tales que son tóxicos desde el punto de vista de salud pública (humanos) o para el ecosistema en sí, y por lo tanto, interfiere en el uso benéfico del agua para consumo humano y pesca, e inestabiliza el ecosistema. El enfoque principal en el análisis de sustancias químicas tóxicas en aguas naturales es la evaluación del impacto potencial de dichas sustancias sobre la población humana expuesta y sobre el ecosistema acuático. Para la descarga de una única sustancia química, las concentraciones calculadas pueden ser comparadas con datos toxicológicos para evaluar el impacto de dicha sustancia. No obstante, cuando varias sustancias químicas están presentes en el cuerpo de agua, la interacción toxicológica entre estas sustancias (efluente) puede invalidar los datos de toxicidad de las sustancias aisladas. Además, la elaboración de un inventario completo de las sustancias químicas presentes y sus concentraciones individuales puede resultar difícil o imposible de realizar. Para estos casos, llega a ser útil la determinación de la toxicidad total de las descargas al cuerpo de agua y también la del cuerpo de agua mismo. Esta medición de toxicidad puede emplearse para evaluar el significado de cada descarga en el cuerpo de agua. También es factible utilizarla como variable de calibración en un modelo de toxicidad. En conclusión, en este capítulo el término toxicidad está aplicado a la toxicidad ocasionada por un efluente en su conjunto (la interacción de varias sustancias a la vez) y no por el efecto de una determinada sustancia química. 3.2 CLASIFICACIÓN DE LOS TÓXICOS Existen muchas formas para agrupar los tóxicos en diferentes categorías. Por ejemplo, se pueden agrupar de acuerdo con su función (pesticidas, productos ▪  94

I ntroducción a la toxicología acuática

para el aseo, etc.), o teniendo en cuenta su asociación con un proceso industrial (agricultura, textil, refinería del petróleo, etc.). La Agencia de Protección Ambiental de los Estados Unidos (EPA, por sus siglas en inglés) ha categorizado las sustancias químicas en lo que ha llamado “contaminantes prioritarios” . La lista de contaminantes prioritarios o sustancias de interés sanitario contiene 129 compuestos químicos orgánicos e inorgánicos sin incluir las sustancias radioactivas. Dado que nombrar las 129 sustancias se escapa del alcance de este libro, para efectos prácticos, las sustancias tóxicas se pueden agrupar de la siguiente manera:

Metales. Por ejemplo mercurio, cadmio, plomo, selenio, etc., resultantes de actividades industriales como la manufactura de pilas, minería, “cromando” y “niquelado” de metales, refinería, etc. Químicos industriales. Se agrupan en esta categoría los miles y miles de sustancias utilizadas en procesos industriales como plastificadores (alquil talatos), solventes (bencenos clorados) y ceras (parafinas cloradas). Pesticidas. Generalmente son hidrocarburos clorados que cuando están presentes en el agua son rápidamente asimilados por los animales acuáticos entrando de esta manera a hacer parte de la cadena alimenticia. Tienen la característica de que son persistentes en los suelos y los sedimentos. Su origen en el agua se debe a su aplicación en la agroindustria y desechos industriales. Actualmente la EPA tiene prohibido el uso de Aldrin, DDT, Endrin, Heptacloro, Lindano y Clorano. PCB. Con este nombre genérico se designan a todos los bifenoles policlorados. Son usados en la transmisión de energía como capacitores y en la fabricación de transformadores. Otros productos industriales que utilizan PCB entre sus componentes están las pinturas, los plásticos y los insecticidas. Los PCB entran en la cadena alimenticia prácticamente de la misma manera como todos los hidrocarburos clorados.

Fenoles. Estos compuestos se utilizan ampliamente en varios procesos industriales. Entre los más conocidos están: la producción de polímeros sintéticos, industria del teñido, pigmentos, herbicidas y pesticidas. La toxicidad de los fenoles aumenta con el grado de cloración de la molécula de fenol. Aún en bajas concentraciones, causan olores y sabores al agua; son difíciles de remover y en primates (micos) se ha comprobado que son cancerígenos.

Sustancias radiactivas (no incluidas en la lista de los 129 contaminantes prioritarios). Resultan de la generación de energía nuclear, producción de armas ▪  95

C arlos A lberto Sierra R amírez

nucleares y fabricación de materiales radioactivos para usos industriales. Incluye sustancias como estroncio-90, plutonio-239/2240 y cesio-137. 3.3 LOS BIOENSAYOS Para el estudio de los efectos adversos de una sustancia pura o de una mezcla compleja (efluente) sobre la biota, se han estandarizado técnicas bajo condiciones controladas de laboratorio. El tipo de prueba varía de acuerdo con el tiempo de exposición y la forma de adicionar la sustancia. Por ejemplo, mientras los ensayos de toxicidad buscan establecer los efectos tóxicos de una sustancia, las pruebas de bioacumulación pretenden establecer el factor de bioacumulación. A pesar de las dificultades para extrapolar los resultados de laboratorio a los ambientes naturales, los ensayos de toxicidad han adquirido una enorme importancia en los últimos años debido a la necesidad de determinar los riesgos ambientales y de proteger los recursos acuáticos y la salud humana. La fijación en la legislación ambiental de estándares de calidad o de concentraciones máximas permisibles de las sustancias que degradan los ecosistemas naturales implica el desarrollo de pruebas de laboratorio donde se exponen organismos a la acción de sustancias xenobióticas con el objeto de cuantificar los efectos que sobre aquellos se producen. Los ensayos de toxicidad juegan un papel muy importante en el manejo de los recursos naturales y más particularmente en el estudio y control de la calidad ambiental, ya que a través de éstos se crean las bases para legislar sobre las concentraciones permisibles de las sustancias xenobióticas. Por medio de los bioensayos también es posible simular condiciones futuras, con lo cual el investigador está en capacidad de adelantarse a los hechos evitando así graves consecuencias ambientales. Adicionalmente, mediante los bioensayos se pueden evaluar diferentes efluentes, para posibilitar la comparación de la acción de diversos tóxicos o incluso tratamientos, y definir procesos o controles que ocasionen un menor deterioro ambiental. En términos generales, se define como un bioensayo a una prueba en la cual un tejido viviente, un organismo o un grupo de organismos, es usado como un reactivo para determinar la fuerza de alguna sustancia fisiológicamente activa. Existen numerosas clasificaciones para los diversos tipos de bioensayos. En forma general, según el objetivo de los bioensayos, se distinguen los siguientes tipos: • De toxicidad (ecotoxicidad). Se estudian los efectos de una sustancia o una mezcla compleja sobre el comportamiento o la reproducción, el crecimiento o la sobrevivencia de los organismos indicadores. ▪  96

I ntroducción a la toxicología acuática

• De bioacumulación. Se evalúa el potencial de bioacumulación de xenobióticos en los tejidos orgánicos. • De bioestimulación. Se evalúa el efecto de una sustancia sobre el crecimiento poblacional en productores primarios. • Crecimiento corporal. Se evalúa el efecto sobre la tasa de crecimiento individual. • Respuesta de la comunidad (in situ): Se evalúa el efecto sobre la estructura y composición de las comunidades. De acuerdo con el manejo que se le dé a la mezcla de agua y tóxico, los bioensayos pueden también ser catalogados como: • Estáticos, sin renovación. • De recirculación • De recambio • De flujo continuo y de mezcla Según su duración (plazo), se clasifican en corto, mediano y de largo tiempo. Mientras los bioensayos de exposición corta únicamente analizan efectos inmediatos, los de mediana y especialmente de larga exposición son más realistas en la medida que evalúan alteraciones menos visibles pero igualmente evidentes como la tasa de reproducción, de crecimiento corporal o metabólica, así como la esperanza de vida o anomalías de comportamiento y genéticas, todas ellas fundamentales en la supervivencia individual y de la especie, y que pueden manifestarse de manera posterior a la realización de una prueba de corto tiempo y, por lo tanto, pasar desapercibidas al investigador. Particular atención merecen los ensayos para estudiar sustancias volátiles o de rápida descomposición, adsorción y sedimentación. Aunque generalmente las pruebas de toxicidad con estas sustancias se realizan mediante procesos de flujo continuo con el objeto de mantener constante su concentración, esto no significa que descargas de aguas residuales cargadas con sustancias de este tipo no pueden ser estudiadas mediante bioensayos estáticos pues los fundamentos de los supuestos implícitos en la prueba son quienes determinan uno u otro. Si un tóxico ingresa en forma ocasional a un recurso hídrico, el ensayo estático simula esas condiciones pues permite una libre evolución al tóxico. En contraste, en una prueba con recambio o flujo continuo se mantiene constante la concentración del tóxico y semeja la descarga permanente de un vertimiento. La mayoría de ensayos llevados a cabo en el mundo corresponden a zonas templadas y la utilización de sus conclusiones hacia ecosistemas tropicales se ▪  97

C arlos A lberto Sierra R amírez

ve restringida porque el incremento en la temperatura aumenta la toxicidad y la persistencia de los químicos y la tasa de respiración de las especies ­acuáticas. Paralelamente, la solubilidad del oxígeno decrece con el incremento de la temperatura, lo que significa un efecto de sinergismo doble de la temperatura. Para los contaminantes que, además de su toxicidad, generen alta demanda bioquímica de oxígeno el problema es aún más complejo. La relación entre la concentración de un contaminante y el porcentaje de respuesta de un grupo de organismos de igual especie que ha sido expuesta a él se conoce en el campo de los bioensayos como relación dosis-respuesta, y corresponde a un modelo estadístico sigmodal. Con los ensayos de bioacumulación y autodepuración se someten organismos a concentraciones subletales durante un determinado tiempo. Posteriormente se les mide la concentración en algunos tejidos, lo que se conoce como bioacumulación; se retornan a un medio libre del contaminante y transcurrido otro lapso de tiempo se vuelve a medir la concentración del tóxico en los organismos. Con ello se determina si el químico persiste, se biomagnifica en la cadena alimenticia o, por el contrario, se libera nuevamente al medio natural. En el campo de la toxicología acuática, Colombia no posee una gran tradición y sólo hace aproximadamente 20 años se inició el montaje de un laboratorio especializado en el Instituto de Investigaciones Pesqueras del INDERENA en Cartagena. En la Universidad de Antioquia se han realizado bioensayos para evaluar la calidad del agua en el embalse Porce II. En general los ensayos de toxicidad tienen aplicación en casos como: • Estudios sobre los efectos tóxicos de los contaminantes sobre un organismo específico. • Estudios sobre los efectos tóxicos de los contaminantes sobre un determinado cuerpo de agua. • El establecimiento de la máxima concentración permisible en el agua de una sustancia tóxica. • Determinación de la efectividad de los procesos de tratamiento de aguas residuales. • Establecimiento de los límites autorizados de descargas efluentes. • Determinación del cumplimiento de la legislación ambiental. Con respecto a los bioindicadores o biomonitores, por ejemplo, dentro de las especies recomendadas para ensayo en los métodos de determinación de la toxicidad acuática aprobados en la Unión Europea, se tiene: ▪  98

I ntroducción a la toxicología acuática

• Algas: Scenedesmus subspicutus, Selenastrum capricornutum, Chlorella vulgaris. • Crustáceos: Daphnia magna , D. Pulex, Ceriodaphnia dubia. (pulgas de agua). • Peces: Oncorhynchus mykiss (trucha arcoiris), Brachidario rerio (pez cebra), Pimephales promelas (Fathead minnow, pez cabeza gorda), Ciprinus carpio (carpa común), Oryzias latipes (Pez Medaka), etc. 3.4 TOXICIDAD AGUDA Y CRÓNICA Las pruebas de toxicidad aguda y crónica son las más empleadas en estudios sobre toxicidad acuática y se diferencian básicamente en el nivel y la duración de la exposición. En los ensayos de toxicidad aguda, se expone al organismo prueba a concentraciones de la sustancia tóxica que garanticen una respuesta en un corto tiempo en relación con el ciclo de vida. Dado que la duración del ciclo de vida varía según la especie, la extensión de la prueba difiere entre 48 y 96 horas o incluso se puede prolongar por dos o tres semanas. A pesar de que una de las mayores críticas a los ensayos de toxicidad aguda es que altas concentraciones de contaminantes no se presentan frecuentemente en los ambientes acuáticos, esta técnica permite inferir las fuentes principales de contaminación, establecer el valor antibiótico de efluentes industriales y domésticos y usar factores de aplicación para estimar niveles de seguridad. Además, este tipo de ensayos constituyen una herramienta adecuada para establecer la sensibilidad relativa de los organismos, pero poseen una aplicabilidad ecológica limitada debido a que no se consideran algunas variables biológicas como el crecimiento y la natalidad que requieren tiempos de observación a más largo plazo.

La toxicidad crónica hace referencia generalmente a pruebas de mediano y largo tiempo, donde se estudian efectos subletales de alteraciones metabólicas como respiración, fotosíntesis, crecimiento, reproducción, comportamiento u otros, a través de una o varias generaciones de organismos, que están o han sido expuestos a sustancias tóxicas. Los estudios de toxicidad crónica incluyen, además, pruebas de bioacumulación y autodepuración, así como de crecimiento poblacional, lo que demuestra el amplio espectro de pruebas que pueden ser incluidas con este nombre. Las pautas por seguir en este tipo de bioensayos son, por lo tanto, muy variadas, dependiendo del objetivo de la investigación. ▪  99

C arlos A lberto Sierra R amírez

La selección, determinación taxonómica y mantenimiento bajo condiciones de laboratorio de las especies por probar son aspectos fundamentales para la correcta ejecución de los ensayos y la confiabilidad de los resultados. Adicionalmente, la validez estadística de los datos exige la utilización de un número de ejemplares relativamente alto, y especialmente en peces, se emplean ejemplares de talla reducida. En general, los requerimientos para la selección de las especies estándar incluyen una serie de aspectos difíciles de encontrar en un solo organismo. Entre estos, se citan en la literatura especializada los siguientes: • Amplia distribución geográfica y representatividad ecológica del área. Esto implica una disponibilidad permanente y un buen desarrollo de las poblaciones. • Reducida variabilidad genética y uniformidad de las poblaciones por ensayar. • Baja variabilidad en la tolerancia a tóxicos y alta sensibilidad. • Buen conocimiento biológico y ecológico de la especie. • Aceptable adaptabilidad del organismo a condiciones de laboratorio. Exceptuando algunas especies de Daphnia, no existen en Colombia organismos estándar para ensayos de toxicidad. Esta situación es particularmente crítica en el caso de especies ícticas y constituye un obstáculo para el avance de esta disciplina en el país. Es importante iniciar la reflexión sobre la necesidad de avanzar en el proceso de búsqueda de organismos autóctonos como estándares y en la unificación de procedimientos para la realización de ensayos de toxicidad en el ámbito nacional. Es indiscutible que la identificación de estándares, especialmente peces, exige un buen conocimiento sobre su autoecología. La carencia de información sobre la biología reproductiva y sobre el comportamiento de los peces bajo condiciones de laboratorio constituye un gran obstáculo para la determinación de especies potencialmente utilizables en ensayos de toxicidad. Es evidente que los requerimientos que deben cumplir los organismos estándar, definidos a escala internacional, son difíciles de reunir en una sola especie. No obstante, la gran diversidad de nuestro país y el avance en el conocimiento de los paquetes tecnológicos para la reproducción artificial de algunos peces favorecen el hallazgo de especies estándar en los órdenes regional y nacional. Es necesario iniciar la búsqueda de especies con ciclos de vida más cortos, que permitan también su utilización en pruebas de toxicidad crónica. Podría ▪  100

I ntroducción a la toxicología acuática

pensarse que una alternativa teórica es la selección de algunas formas ornamentales nativas de los Llanos Orientales. Es fundamental comenzar el proceso de estandarización de los métodos de laboratorio y adoptar un sistema de control de calidad entre las instituciones que podrían realizan actualmente ensayos de toxicidad en Colombia. La normativa ambiental de Colombia y específicamente de los límites máximos permisibles de sustancias tóxicas en los ambientes acuáticos está basada en criterios foráneos, que deben ser reformulados a partir del conocimiento de la sensibilidad real de algunos elementos de la biota autóctona. Para esto es necesario poseer resultados confiables sustentados en pruebas de toxicidad realizadas bajo condiciones estándar. 3.5 EVALUACIÓN DE LOS RESULTADOS DE TOXICIDAD Como se explicó anteriormente, los ensayos de toxicidad reportan los resultados de dos maneras: toxicidad aguda y toxicidad crónica. La toxicidad aguda produce efectos rápidamente (48 a 96 horas). El término aguda viene referido al concepto de ser una respuesta corta y no implica necesariamente la muerte de la especie. Se denomina LC50 a la concentración del efluente que produce una mortalidad del 50% de la población del ensayo, mientras que la EC50 es la concentración del efluente que produce efectos negativos apreciables en el 50% de la población. La toxicidad crónica es el efecto de la toxicidad que se mantiene durante un período más o menos largo de tiempo, a menudo, del orden de la décima parte de la vida media de la especie o incluso superior. Los efectos crónicos incluyen la muerte, la reducción en el crecimiento o la reducción en la tasa de reproducción. La CENO (concentración de efectos no observados) es la mayor concentración continuada medida de un efluente para la cual no se observa reacción crónica alguna en las especies ensayadas. Cuando no se dispone del valor de la CENO, sino que se tienen solamente EC50 o LC50, se estima la primera a partir de la relación empírica: CENO = EC50/10 ó LC50/10 Los datos de toxicidad se analizan empleando procedimientos estadísticos, básicamente. El método más simple para encontrar la LC50 es el método gráfico denominado Probit que se ilustra en el ejercicio 3.1, mientras que para la toxicidad crónica se emplean análisis de varianza y la comparación de múltiples medios de Duncan. ▪  101

C arlos A lberto Sierra R amírez

Es importante anotar que cuando se hacen pruebas de toxicidad a un efluente y no a una sustancia química en particular, los valores de las concentraciones resultantes se expresan en porcentaje (concentración en volumen). Por ejemplo, una LC50 de 6% para un efluente significa que la muestra fue preparada con 6 partes del efluente y completada a un volumen de 100 partes y que para dicha dilución se apreció la muerte del 50% de los organismos indicadores. Ejercicio 3.1 Análisis de los datos de toxicidad (Método Probit) • Determinar los valores de LC50 a 48, 60 y 96 horas, en porcentaje en volumen, para los datos que se presentan en el cuadro anexo. Concentración del desecho (% volumen)

No. Organismos

12

No. Organismos sobrevivientes 24 h

60 h

96 h

20

8

2

0

10

20

10

5

0

8

20

13

8

0

6

20

16

11

0

4

20

20

16

5

2

20

20

20

14



Solución: Dado que los ensayos de toxicidad siguen un modelo dosis-respuesta sigmodal, la LC50 se determina utilizando un papel de probabilidad siguiendo el siguiente procedimiento.



1. Calcular los porcentajes de los organismos que murieron.



▪  102

(%) Organismos muertos

Concentración del desecho (% volumen)

No. Organismos

24 h

60 h

96 h

12

20

60*

90

100

10

20

50

75

100

8

20

35

60

100

6

20

20

45

100

4

20

0

20

75

2

20

0

0

30

* Ejemplo de cálculo: % organismos muertos a las 24 h = (20-8)*100/20 = 60%

I ntroducción a la toxicología acuática



2. Representar gráficamente la concentración de agua residual en porcentaje de volumen (escala logarítmica), frente al porcentaje de animales que sobrevivieron el ensayo (escala de probabilidad), tal como se muestra en la figura E3.1.



3. Ajustar los puntos a una recta, acentuando la importancia de los puntos situados entre los porcentajes de mortalidad 16 y 84.



4. Para la curva de 48 h, como no se realizaron observaciones a esta hora, se interpola la línea entra los resultados para 24 y 60 h.

Figura E3.1 Cálculo de LC50 para el ejercicio 3.1



Fuente: elaboración propia.

5. Calcular la concentración del agua residual empleando el percentil 50. De acuerdo con la figura E3.1, los valores estimados de LC50 son 8,3% para 48 h, 6,5% para 60 h y 3,5% para 96 h.



Comentario. Las estimaciones del valor de LC50 obtenidas por métodos gráficos suelen coincidir bastante con los valores que se obtienen con métodos de análisis más complejos. Es conveniente resaltar que no es posible establecer límites de confianza para los métodos gráficos de análisis. –v–

3.5.1 Unidades de toxicidad Dado que los ensayos de toxicidad generalmente se realizan en el laboratorio, es necesario pasar los datos de toxicidad a las condiciones de campo o reales. Para ello se ha implementado el concepto de unidades de toxicidad (UT). La ▪  103

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UT representa el grado de toxicidad de un efluente o la concentración de una sustancia expresada como una fracción de la toxicidad medida (1/LC50). La toxicidad expresada en UT resulta más visual y los resultados más prácticos de interpretar ya que el valor numérico de las UT se incrementa con el aumento de la toxicidad. Por ejemplo, en el ejercicio 3.2 se observa cómo es más práctico expresar los resultados en UT que en dosis (LC50 ó CENO). La toxicidad más alta correspondió al valor más alto de UT (38,1 UTa) y no se tiende a escoger como más tóxico al efluente de mayor concentración (LC50 igual a 18,66). Tanto las normas como los criterios de calidad están formulados basándose en las unidades de toxicidad. Se define como UTa (unidad tóxica aguda) a la concentración verdadera medida o prevalente de un tóxico o sustancia en particular dividida por el umbral LC50 de dicha sustancia (por ejemplo, la concentración medida en un cuerpo de agua dividida entre la LC50). Para el caso de los efluentes, esta relación se calcula con referencia a la concentración inicial del efluente (la concentración real equivale al 100% del mismo). Por ejemplo, para convertir una LC50 de 2,59 en UT, simplemente se dice: una dilución de 2,59 en 100 corresponde a 1 UT, para el 100% de la muestra, ¿a cuántas UT corresponderán? Lo anterior permite definir las UTa de la siguiente manera: 100% UTa = (3.1) LC50 Por otro lado, la UTc (unidad tóxica crónica) se define como el inverso de la dilución del efluente para la cual no se observa respuesta alguna en ninguno de los organismos al final del período de exposición crónica o continua. 100% UTc = (3.2) CENO En general, con base en los resultados de la toxicidad aguda y empleando las UTa, la clasificación de los efluentes se puede determinar de acuerdo con los valores presentados en la tabla 3.1; relaciones menores a 1 indican niveles no letales, y mayores a 1, valores letales. Tabla 3.1 Clasificación de toxicidad basada en UTa

▪  104

Toxicidad (UTa)

LC 50

Clasificación

>4

>25

2–4

50 – 25

Tóxico

1,33 – 1,99

75 – 50

Moderadamente Tóxico

< 1,33

< 75

Muy Tóxico

Ligeramente Tóxico

I ntroducción a la toxicología acuática

Fuente: http://www.bvsde.paho.org/bvsaidis/mexico13/068.pdf

Adicionalmente, se ha acostumbrado a expresar la toxicidad utilizando la relación entre la toxicidad aguda y la toxicidad crónica (ACR). De manera simple, se define la ACR como el cociente entre LC50/CENO. En la práctica, la relación ACR varía ampliamente dependiendo de las especies utilizadas en el bioensayo y de los tóxicos presentes, motivo por el cual este parámetro ha perdido últimamente validez para determinar la toxicidad de los efluentes. Para el caso del efecto de mezclas de compuestos tóxicos cuyas unidades de toxicidad individuales son conocidas, se pueden estimar las unidades de toxicidad de la mezcla como la suma de las UT de cada compuesto. El valor de las UT también indica la dilución necesaria para alcanzar un nivel tóxico. Ejercicio 3.2 Interpretación de los resultados de un ensayo de toxicidad • Se realizó un ensayo de toxicidad utilizando tres diferentes especies de bioindicadores. Con base en el cuadro anexo, analizar los resultados obtenidos. Exposición

Control de supervivencia (%)

Mysidopis bahía

96 h

100

18,66

Cyprinodon variegatus

96 h

100

> 100

48/148 h

100

2,59

Especie

Porcentaje de efluente LC50 ó EC50

Champia parvula

CENO



Mysidopis bahía

7d

82

6,0

Cyprinodon variegatus

7d

98,8

15,0

Champia parvula

7d

100

1,0

Solución: 1. Unidades de toxicidad aguda y crónica Especie

Mysidopis bahía Cyprinodon variegatus Champia parvula



UTa

UTc

100/18,66 = 5,36

16,67

No aplica

6,67

38,1

100

Como puede observarse, la especie más sensible corresponde a la especie Champia parvula porque obtuvo los valores más altos de las UT.

2. Clasificación tóxica ▪  105

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Como las UTa son mayores de 4, el efluente estudiado se puede considerar fuertemente o muy tóxico de acuerdo con la clasificación de la tabla 3.1

3.5.2 Aplicación de los resultados de los ensayos de toxicidad Los criterios de calidad del agua aseguran la protección de los usos específicos del agua, estableciendo normas y límites para la presencia de tóxicos. Estos límites incluyen criterios cuantitativos (concentraciones permisibles de tóxicos), temporales (período de tiempo durante el cual se mantiene la concentración media de los agentes tóxicos en las aguas descargadas) y frecuenciales (expresando la frecuencia con que pueden ser sobrepasados los límites sin que ello produzca un impacto intolerable sobre la comunidad ecológica de las aguas receptoras). Los criterios actuales sobre el control de la calidad del agua protegen los ecosistemas contra los efectos agudos por medio de los Criterios de Máxima Concentración (CMC) y frente a efectos crónicos a largo plazo por medio de los Criterios de Concentración Continua (CCC). Estos criterios suelen aplicarse una vez mezclados el efluente y las aguas receptoras. Los criterios habituales constan de una concentración límite, un período de tiempo de concentración mantenida y una frecuencia de retorno. Normalmente, la CMC hace referencia a la concentración media en cuatro días que no puede ser superada más de una vez cada tres años, mientras que la CCC es la concentración media horaria que no puede ser superada en más de una ocasión cada tres años. 3.5.2.1 Aplicación de los datos para la protección contra la toxicidad aguda. Para proteger el agua contra los efectos agudos de la toxicidad, el CMC no debe exceder las 0,3 UTa de los resultados del ensayo más sensibles de los realizados, es decir, el CMC se calcula como: CMC = UTa * FD ≤ 0,3 * UTa (3.3) En la ecuación (3.3), FD corresponde al factor de dilución. En los vertimientos a lagos o al mar, el FD se define como la dilución alcanzada en el supuesto de que se den las peores condiciones ambientales en la zona cercana al lugar donde se produce el vertimiento, y donde la mezcla y la dilución del efluente se obtienen a partir del momento inicial y la aparición de la descarga sobre la superficie del agua. En los vertimientos a los ríos, se toma para el valor de FD la dilución que se alcanza en la frontera de la zona de mezcla. A partir de diversos ensayos de toxicidad de efluentes para períodos de exposición de 96 horas, se ha podido comprobar que el factor 0,3 cubre el 91% de los cocientes LC50/LC1, donde LC1 es la concentración del efluente que causa la muerte al 1% de la población del ensayo. Por lo tanto, para la protección frente a los efectos agudos, la CMC no deberá exceder el valor de 0,3UTa para la más sensible de las especies ensayadas. Ello quiere decir que el valor del CMC se aproxima al de LC1. ▪  106

I ntroducción a la toxicología acuática

Para aclarar el concepto de la dilución o factor de dilución (FD) se ilustra el siguiente ejemplo: un efluente descarga en un río sus aguas residuales. Si por cada unidad de volumen de agua que vierte el efluente, el receptor tiene un volumen de agua 10 veces mayor en el sitio de descarga, se dice que la dilución es 1 en 10, es decir que FD es igual a 0,1. 3.5.2.2 Protección contra la toxicidad crónica El criterio de concentración continua previene los efectos crónicos o a largo plazo en el entorno exterior de la zona inicial de mezcla, o zona de influencia de los vertimientos. Para conseguir la protección frente a los efectos crónicos, el CCC no debe exceder el valor de 1,0 UTc donde, UTc es el valor obtenido a partir de los resultados de los ensayos de la más sensible de entre al menos tres especies ensayadas.

CCC = UTc * FD ≤ 1.0 * UTa

(3.4)

Para comprobar si se cumplen las condiciones establecidas por las normas, deben comprobarse los criterios de toxicidad (tanto UTa como UTc) expresados en unidades de toxicidad del efluente. La aplicación de estos criterios se ilustra en el ejercicio 3.3. Ejercicio 3.3 Aplicación de los resultados de ensayos de toxicidad1 • Para un efluente tratado que se vierte en el mar, se consigue una dilución de 1:20. Se llevan a cabo ensayos de toxicidad con el efluente de la planta de tratamiento de aguas residuales empleando tres especies marinas. A partir de los resultados de los ensayos de toxicidad aguda y crónica que se proporcionaron en el ejercicio 3.2, se ha podido constatar que la Champia parvula es la especie que presenta mayor sensibilidad frente a la toxicidad aguda (2,59% de efluente) medido a partir del EC50 siendo también la especie más sensible frente a la toxicidad crónica (1,0 %) medida con base en la concentración de efecto no observado (CENO). Comprobar el cumplimiento ambos criterios el CMC y CCC.



Solución: 1. Chequeo del cumplimiento del criterio CMC i) A partir de los datos correspondientes a la especie más sensible, se obtiene el número de unidades de toxicidad aguda (UTa) empleando la ecuación (3.1) UTa = 100/LC50 = 100/2,59 = 38,6 unidades 1

Ejercicio adaptado de la referencia 6.

▪  107

C arlos A lberto Sierra R amírez



ii) El CMC establece que no se deben sobrepasar las 0,3 UTa (11,58) necesarias para el cumplimiento del criterio CMC. Como la dilución es 1 en 20, FD es igual a 1/20.



CMC = UTa * FD ≤ 0,3 UTa



38,6/20 ≤ 0,3 (38,6)



1,93 ≤ 11,58



El CMC (1,93) es considerablemente inferior a las 0,3 * UTa (11,58). Lo anterior significa que se cumple el criterio CMC, es decir, el ecosistema acuático está protegido contra la toxicidad aguda.



2. Chequeo del cumplimiento del criterio CCC



i) A partir de los datos correspondientes a la especie más sensible, se obtiene el número de unidades de toxicidad crónica (UTc) empleando la ecuación (3.2).

UTc/CENO = 100/1,0

ii) El criterio de concentración continua (CCC) establece que no se debe sobrepasar de 1,0 unidades de toxicidad crónica. Con FD igual a 1/20, el CCC es:

CCC = UTc*FD ≤ 1,0 UTc 100/20 ≤ 1,0(100) 5 ≤ 100 El CCC (5) es considerablemente inferior a las 1*UTc (100). Lo anterior significa que se cumple el criterio CCC, es decir, el ecosistema acuático está protegido contra la toxicidad crónica. –v– Ejercicio 3.4 Importancia de incluir las pruebas de toxicidad en un estudio de calidad del agua • En un estudio de control de vertimientos a una corriente de agua, los resultados de la caracterización de diferentes tipos de industrias y dos colectores de aguas residuales (uno industrial y el otro doméstico) se incluyen en cuadro anexo. Las concentraciones están dadas en mg/L a excepción de los SSed están expresados en mL/L y la toxicidad en UT. Analizar el cumplimiento de los límites permisibles y la importancia de la toxicidad. ▪  108

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Descargas

pH

ToC

NT

PT

SST

DBO5

SSed

UT

DQO

1

11,03

27,3

43,6

3,8

10.770

201

475

11,4

685,44

2

11

42,4

43,4