Ciencia y Tecnología Del Medioambiente

unidad didáctica

Ciencia y Tecnología del Medioambiente Alfonso Contreras López Mariano Molero Meneses

Ingeniería Industrial

CIENCIA Y TECNOLOGÍA DEL MEDIO AMBIENTE

UNIDADES DIDÁCTICAS

Alfonso Contreras López Mariano Molero Meneses

CIENCIA Y TECNOLOGÍA DEL MEDIO AMBIENTE

UNIVERSIDAD NACIONAL DE EDUCACIÓN A DISTANCIA

UNIDAD DIDÁCTICA (0152501UD01A01) CIENCIA Y TECNOLOGÍA DEL MEDIOAMBIENTE Quedan rigurosamente prohibidas, sin la autorización escrita de los titulares del «Copyright», bajo las sanciones establecidas en las leyes, la reproducción total o parcial de esta obra por cualquier medio o procedimiento, comprendidos la reprografía y el tratamiento informático, y la distribución de ejemplares de ella mediante alquiler o préstamo públicos. © Universidad Nacional de Educación a Distancia Madrid, 2006 Librería UNED: Bravo Murillo, 38 - 28015 Madrid Tels.: 91 398 75 60 / 73 73 e-mail: [email protected] © Alfonso Contreras López y Mariano Molero Meneses ISBN: 978-84-362-5296-5 Depósito legal: M. 52.193-2009 Primera edición: septiembre de 2006 Segunda reimpresión: diciembre de 2009 Compuesto e impreso en Fernández Ciudad S. L. Coto de Doñana, 10. 28320 Pinto (Madrid) Impreso en España - Printed in Spain

ÍNDICE

PRÓLOGO.................................................................................................

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CAPÍTULO 1 Medio ambiente: Concepto, Interdisciplinariedad, Estado actual 1.1. CONCEPTO Y EXTENSIÓN DEL MEDIO AMBIENTE .......... 1.1.1. 1.1.2. 1.1.3. 1.1.4.

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Medio ambiente físico ..................................................... Ciencia y Tecnología Ambientales ................................... Química e Ingeniería del Medio Ambiente ..................... Formación Ambiental ......................................................

25 26 27 28

1.2. PROBLEMAS MEDIOAMBIENTALES PENDIENTES ............ 1.2.1. La explosión demográfica o superpoblación mundial . 1.2.2. La necesidad creciente de alimentos ............................ 1.2.3. Contaminación atmosférica .......................................... 1.2.4. Pesticidas ........................................................................ 1.2.5. Metales pesados ............................................................. 1.2.6. Contaminación del agua ................................................ 1.2.7. Contaminación por residuos sólidos ............................ 1.2.8. Aditivos alimentarios ..................................................... 1.2.9. Necesidad de nuevas fuentes de energía ....................... 1.2.10. Utilización creciente de productos químicos ............... 1.2.11. A modo de resumen ....................................................... EJERCICIOS de autocomprobación ....................................................... SOLUCIÓN a los ejercicios de autocomprobación ................................

29 30 32 33 35 37 39 40 40 42 46 46 47 49

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CAPÍTULO 2 Contaminación atmosférica. La atmósfera y los contaminantes atmosféricos 2.1. LA ATMÓSFERA .........................................................................

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2.1.1. Regiones de la atmósfera ................................................. 2.1.2. Balance térmico terrestre ................................................ 2.1.3. Química de la atmósfera ..................................................

60 62 66

2.2. CONTAMINANTES ATMOSFÉRICOS .......................................

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2.2.1. Clasificación general de los agentes contaminantes ...... 2.2.1.1. Clasificación de los contaminantes químicos .. 2.2.2. Fuentes de contaminantes atmosféricos ........................ 2.2.3. Contaminantes mayoritarios y minoritarios ................... 2.2.3.1. Monóxido de carbono ........................................ 2.2.3.2. Dióxido de azufre ............................................... 2.2.3.3. Óxidos de nitrógeno ........................................... 2.2.3.4. Partículas en suspensión ................................... 2.2.3.5. Hidrocarburos .................................................... 2.2.3.5.1. El smog fotoquímico ......................... 2.2.3.6. El Plomo ............................................................. 2.2.4. Episodios agudos de contaminación atmosférica .......... EJERCICIOS de autocomprobación ....................................................... SOLUCIÓN a los ejercicios de autocomprobación ................................

68 69 71 73 74 75 78 80 82 83 85 86 90 92

CAPÍTULO 3 Contaminación atmosférica II. Dispersión de contaminantes y métodos de control 3.1. METEOROLOGíA Y DISPERSIÓN DE CONTAMINANTES ... 105 3.2. MEDIDA DE LA CALIDAD DEL AIRE ...................................... 110 3.3. CONTROL DE LA CONTAMINACIÓN DEL AIRE .................... 113 3.3.1. Métodos utilizados en el control de partículas ............... 3.3.2. Métodos y equipamientos utilizados para evitar la emisión de contaminantes gaseosos a la atmósfera ............. 3.3.2.1. Absorción ............................................................ 3.3.2.2. Adsorción ............................................................ 3.3.2.3. Condensación ..................................................... 3.3.2.4. Oxidación y Reducción ......................................

116 122 122 124 127 129

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3.3.3. Control de las emisiones procedentes del escape de automóviles ........................................................................... 130 EJERCICIOS de autocomprobación ....................................................... 134 SOLUCIÓN a los ejercicios de autocomprobación ................................ 136 CAPÍTULO 4 El agua: estado natural. Propiedades. Contaminantes. Análisis 4.1. INTRODUCCIÓN ........................................................................ 149 4.2. CICLO HIDROLÓGICO O CICLO DEL AGUA .......................... 153 4.3. COMPOSICIÓN, ESTRUCTURA Y PROPIEDADES DEL AGUA

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4.4. COMPOSICIÓN Y CONTAMINACIÓN DE LAS AGUAS NATURALES .................................................................................... 4.4.1. Residuos con requerimiento de oxígeno ......................... 4.4.2. Patógenos .......................................................................... 4.4.3. Nutrientes ......................................................................... 4.4.4. Salinidad ........................................................................... 4.4.5. Metales pesados ............................................................... 4.4.6. Compuestos orgánicos traza ........................................... 4.4.7. Petróleo ............................................................................. 4.4.8. Sustancias radiactivas ...................................................... 4.4.9. Contaminación térmica ................................................... 4.4.10. Sedimentos .....................................................................

161 162 163 164 165 165 166 167 168 169 170

4.5. CONSIDERACIONES GENERALES SOBRE EL PROCESO ANALÍTICO DE MUESTRAS ACUOSAS ................................... 170 4.5.1. 4.5.2. 4.5.3. 4.5.4. 4.5.5.

Toma de muestras ............................................................ Métodos volumétricos de análisis ................................... Espectrofotometrías de absorción .................................. Espectrofotometría de absorción atómica ..................... Cromatografía líquida de alta resolución .......................

171 171 172 174 174

4.6. PARÁMETROS UTILIZADOS PARA DETERMINAR LAS CARACTERÍSTICAS FÍSICAS Y BIOLÓGICAS DE UN AGUA ..... 175 4.6.1. Parámetros físicos ............................................................ 4.6.2. Parámetros químicos ....................................................... 4.6.3. Parámetros microbiológicos ............................................ EJERCICIOS de autocomprobación ....................................................... SOLUCIÓN a los ejercicios de autocomprobación ................................

175 177 182 184 186

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CAPÍTULO 5 Tratamiento de aguas y aguas residuales 5.1. INTRODUCCIÓN ........................................................................ 197 5.2. TRATAMIENTO DE AGUAS PARA CONSUMO HUMANO ...... 198 5.2.1. Eliminación de partículas sedimentables ....................... 198 5.2.2. Dureza de un agua. Métodos de ablandamiento de aguas.. 200 5.2.3. Desinfección de aguas para consumo humano .............. 204 5.3. TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES URBANAS ........... 205 5.3.1. 5.3.2. 5.3.3. 5.3.4.

Procesos de tratamiento primario .................................. Procesos de tratamiento secundario ............................... Procesos de tratamiento terciario ................................... Gestión de una planta depuradora de aguas residuales urbanas .............................................................................

208 210 217 218

5.4. TRATAMIENTO DE AGUAS PARA LA INDUSTRIA Y DE VERTIDOS INDUSTRIALES ............................................................. 219 5.4.1. Acondicionamiento del agua para uso industrial .......... 219 5.4.2. Tratamiento de aguas residuales de efluentes industriales... 221 EJERCICIOS de autocomprobación ....................................................... 227 SOLUCIÓN a los ejercicios de autocomprobación ................................ 230

CAPÍTULO 6 Residuos urbanos, industriales y radiactivos 6.1. LOS RESIDUOS SÓLIDOS: DEFINICIÓN, ORIGEN Y CLASIFICACIÓN .................................................................................... 245 6.2. RESIDUOS SÓLIDOS URBANOS .............................................. 246 6.2.1. Cantidades, composición y propiedades de los RSU ..... 6.2.2. Gestión de los Residuos Sólidos Urbanos ...................... 6.2.2.1. Vertedero controlado ......................................... 6.2.2.2. Tratamientos térmicos de Residuos Sólidos Urbanos ................................................................... 6.2.2.3. Separación y recuperación de las fracciones de los RSU para su aprovechamiento o reciclado . 6.2.3. Coste de la gestión de los RSU ........................................

247 249 252 254 257 264

6.3. RESIDUOS TÓXICOS Y PELIGROSOS ................................... 265 6.3.1. Definición y clasificación de un RTP .............................. 265

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ÍNDICE

6.3.2. Métodos de gestión de residuos tóxicos y peligrosos ..... 6.3.2.1. Depósitos de seguridad ...................................... 6.3.2.2. Tratamientos de los RTP .................................... 6.3.3. Gestión de los residuos industriales en España .............

266 267 270 271

6.4. RESIDUOS RADIACTIVOS ........................................................ 273 6.4.1. Disposición final de los residuos radiactivos ................. 276 EJERCICIOS de autocomprobación ....................................................... 279 SOLUCIÓN a los ejercicios de autocomprobación ................................ 281 CAPITULO 7 Contaminación por agentes físicos 7.1. CONTAMINACIÓN SONORA ..................................................... 293 7.1.1. 7.1.2. 7.1.3. 7.1.4.

Introducción ..................................................................... Características físicas del sonido .................................... Fisiología de la audición .................................................. Evaluación del nivel de ruido. Legislación .....................

293 294 301 303

7.1.4.1. Ambientes laborales ........................................... 304 7.1.4.2. Ambientes no laborales ...................................... 305 7.1.5. Prevención y protección frente a la exposición al ruido

307

7.2. CONTAMINACIÓN ELECTROMAGNÉTICA ............................ 308 7.2.1. Introducción ..................................................................... 308 7.2.2. Radiaciones ionizantes .................................................... 310 7.2.2.1. Efectos biológicos de las radiaciones ................ 7.2.2.2. Tipos de riesgos de exposición a radiaciones ionizantes ............................................................ 7.2.2.3. Magnitudes y unidades ...................................... 7.2.2.4. Límites máximos permisibles ............................ 7.2.2.5. Medidas preventivas ........................................... 7.2.2.6. Medida de la dosis de radiación ........................ 7.2.2.7. Plan de emergencia ............................................

312 314 314 315 316 318 318

7.2.3. Radiaciones no ionizantes ............................................... 319 7.2.3.1. 7.2.3.2. 7.2.3.3. 7.2.3.4.

Radiaciones ultravioleta (UV) ........................... Radiación visible ................................................ Radiación infrarroja (IR) ................................... Evaluación de riesgos por exposición a radiaciones ópticas y medidas de prevención y protección ................................................................

319 320 320

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7.2.4. Microondas (MW) ............................................................ 322 7.2.5. Campos electromagnéticos (CEM) .................................. 322 7.2.6. Radiaciones Láser ............................................................ 326 EJERCICIOS de autocomprobación ....................................................... 328 SOLUCIÓN a los ejercicios de autocomprobación ................................ 330 CAPITULO 8 Evaluación del impacto ambiental 8.1. INTRODUCCIÓN ........................................................................ 337 8.1.1. La evaluación del impacto ambiental y el desarrollo sostenible ............................................................................... 8.1.2. Significado del término impacto ambiental ................... 8.1.3. Otras definiciones relacionadas con la evaluación del impacto ambiental ................................................................ 8.1.4. Conceptos técnicos que aparecen el Real Decreto Legislativo 1302/1986 de 28 de junio de Evaluación del Impacto Ambiental. (BOE de 30 de junio de 1986) ............

339 339 341

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8.1.5. ¿Qué es la Evaluación de Impacto Ambiental? .............. 343 8.2. MARCO LEGAL DE LA EIA ....................................................... 344 8.2.1. Antecedentes ..................................................................... 345 8.2.2. Legislación nacional ........................................................ 347 8.2.2.1. Procedimiento Administrativo .......................... 348 8.3. ESTUDIOS DE IMPACTO AMBIENTAL ................................... 349 8.3.1. Elaboración de los Estudios de Impacto Ambiental ...... 8.3.1.1. Descripción del proyecto ................................... 8.3.1.2. Análisis de alternativas y justificación de la solución adoptada .................................................. 8.3.1.3. Inventario ambiental y descripción de las interacciones ecológicas o ambientales clave ................ 8.3.1.4. Identificación y valoración de impactos .......... 8.3.1.5. Establecimiento de medidas correctoras o protectoras ................................................................ 8.3.1.6. Plan de seguimiento y control ambiental ......... 8.3.1.7. Documento de síntesis .......................................

350 351 352 352 353 354 356 356

8.4. EVALUACIÓN AMBIENTAL ESTRATÉGICA ............................ 356 EJERCICIOS de autocomprobación ....................................................... 358 SOLUCIÓN a los ejercicios de autocomprobación ................................ 359

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BIBLIOGRAFÍA ................................................................................... 363 GLOSARIO DE TÉRMINOS ............................................................... 367 UNIDADES Y FACTORES DE CONVERSIÓN .................................. 377 ACTUALIZACIONES LEGISLATIVA ESPAÑOLA Y COMUNITARIA MÁS RELEVANTES RELATIVAS AL MEDIOAMBIENTE (20062009) ................................................................................................. 383

PRÓLOGO

El estudio del medio ambiente, entendido como el conjunto de interrelaciones entre el hombre y su entorno, necesita del concurso de las ciencias naturales y las tecnologías tanto como de la antropología, la historia, la economía, la filosofía y el derecho, lo que confiere a dicho estudio un carácter interdisciplinar evidente. El libro que presentamos pretende integrar en un solo texto las tres áreas más importantes de la ingeniería ambiental —aire, agua y residuos— a las que hemos añadido el estudio del ruido como un contaminante atmosférico más, así como el de las radiaciones que cada vez tienen más interés y el de una herramienta utilizada muy ampliamente para la gestión medioambiental como es la Evaluación del Impacto Ambiental. A lo largo de todo el texto hemos tratado de mantener un suficiente y uniforme rigor teniendo en cuenta todos los contenidos que debíamos incluir y el espacio que previamente nos habíamos fijado para ello. No olvidemos que el libro está pensado en su forma actual para servir de texto base a la asignatura cuatrimestral Ciencia y Tecnología del Medio Ambiente, que figura como troncal en el Plan de Estudios de la carrera de Ingeniero Industrial (quinto curso, 1.er cuatrimestre), por lo que hemos enfatizado en lo que son conceptos y definiciones y hemos incluido numerosas figuras y tablas que resultan muy adecuadas para condensar información diversa. Para un mejor aprovechamiento del tiempo que se dedique a su estudio, así como para facilitar la asimilación de contenidos, cada capítulo del libro incluye al final algunas cuestiones y ejercicios prácticos con su resolución para que el alumno pueda apreciar su grado de asimilación de los contenidos teóricos previamente estudiados.

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La bibliografía de los diferentes capítulos se ha agrupado y se presenta al final del libro en forma de breve selección de textos, algunos clásicos y otros más modernos, así como abundantes direcciones de Internet, puesto que este medio permite una aproximación a numerosas cuestiones relacionadas con los temas que se tratan en el texto que presentamos, siendo especialmente útiles para mantener al día la legislación que sea de aplicación. También se incluye un glosario de términos, muchos de los cuales aparecen en el libro, y un anexo sobre unidades y factores de conversión. Para finalizar esta presentación, indicar que nos daríamos por satisfechos si contribuimos a crear en los alumnos inquietud por lo temas ambientales, condición necesaria para enfrentarnos con posibilidades de éxito a la resolución de los problemas de nuestro medio ambiente que entre todos hemos creado, y que entre todos, estamos seguros, vamos a resolver. Los autores quieren, por último, expresar su agradecimiento a todos los compañeros del Departamento de Química Aplicada a la Ingeniería: M.a José Caselles, Pilar Contreras, Francisco Gomis, Rosa Gómez, Cipriano Martín y Jesús Sardá, por el apoyo y comprensión demostrados en todo momento, y de modo especial a Mario Grau por sus aportaciones en el capítulo 7, así como agradecer a Lucía Arias su extraordinaria labor de trasladar al ordenador todo el texto.

Capítulo 1 MEDIO AMBIENTE: CONCEPTO, INTERDISCIPLINARIEDAD, ESTADO ACTUAL

Objetivo general: En este tema se estudia el concepto del Medio Ambiente, se hace hincapié en su carácter interdisciplinar, y se pasa revista a algunos de los problemas medioambientales actuales. Objetivos específicos: 1. Establecer el concepto y extensión del Medio Ambiente. 2. Distinguir entre los factores físicos, biofísicos, sociales y culturales que intervienen en la definición del Medio Ambiente. 3. Resaltar el carácter multidisciplinar del estudio del Medio Ambiente. 4. Establecer las principales categorías de los problemas medioambientales pendientes. 5. Esquematizar el ciclo de un contaminante atmosférico tipo. 6. Clasificar las principales fuentes de contaminantes atmosféricos. 7. Explicar el significado medioambiental de los principales contaminantes del agua. 8. Justificar el origen de los metales pesados en el medioambiente. 9. Evaluar los problemas medioambientales relacionados con las diferentes fuentes energéticas. 10. Explicar los aspectos positivos y negativos que se derivan de la utilización creciente de productos químicos en el mundo actual.

1.1. CONCEPTO Y EXTENSIÓN DEL MEDIO AMBIENTE Puesto que las páginas que siguen se van a ocupar del estudio de la contaminación ambiental y los medios para corregirla, parece adecuado comenzar ocupándonos de lo que significa y abarca el término medio ambiente. Se entiende por medio ambiente un complejo entramado de relaciones entre factores físicos, biofísicos, sociales y culturales en el que ocurren las relaciones que conlleva la actividad humana y social. Los factores físicos se refieren a todo lo inerte presente en el planeta, los biofísicos abarcan todos los seres vivos, lo social se refiere a las estructuras organizativas de las especies, y lo cultural engloba finalmente todo lo hecho por el hombre. Podríamos por tanto resumir diciendo que el medio ambiente es el entorno en el que el hombre desenvuelve su vida, por lo que nada es absolutamente extraño al concepto de medio ambiente. Debido a su amplitud, el medio ambiente es una de las unidades de estudio más complejas que el hombre se puede plantear, ya que al abarcar los tres niveles epistemológicos conocidos, inerte, biofísico y comportamental, necesita del concurso de todas las ciencias y disciplinas existentes para su estudio. Una característica que conviene resaltar del concepto de medio ambiente es la de su globalidad. Existe, efectivamente, un único medio ambiente, pero esto no está reñido con que puedan considerarse ambientes específicos relacionados entre sí y con el todo global como consecuencia de las interrelaciones que, como ya hemos dicho, existen entre todos los integrantes del ambiente total. Quizás una aproximación más sencilla al concepto de medio ambiente la podamos obtener a través de nuestra Constitución. El artículo 45 de nuestra Carta Magna incluido en el Título I «De los Derechos y Deberes Fundamentales» capítulo III «De los principios rectores de la política social y económica», dice así:

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1. Todos tienen el derecho a disfrutar de un ambiente adecuado para el desarrollo de la persona, así como el deber de conservarlo. 2. Los poderes públicos velarán por la utilización racional de todos los recursos naturales, con el fin de proteger y mejorar la calidad de vida y defender y restaurar el medio ambiente, apoyándose en la indispensable solidaridad colectiva. 3. Para quienes violen lo dispuesto en el apartado anterior, en los términos que la ley fije, se establecerán sanciones penales o, en su caso, administrativas, así como la obligación de reparar el daño causado. ¿Qué entiende, por tanto, la Constitución española por medio ambiente? Según el primer párrafo se trataría del objeto de un derecho y un deber de todos, que abarcaría cuanto sirva para el desarrollo de la persona tanto mediata como inmediatamente. Una vez considerado el segundo párrafo, nos quedaría que el medio ambiente es una realidad a defender y a restaurar de la que tenemos el derecho a disfrutar y el deber de conservar —correspondiendo a los poderes públicos su defensa y restauración—, que tiene sentido en función del desarrollo de la persona y de la protección y mejora de la calidad de vida, y que posee un marcado contenido económico que se concreta en la utilización racional de todos los recursos naturales. Por último, al considerar los párrafos segundo y tercero, resulta que corresponde a los poderes públicos imponer sanciones penales o administrativas a quienes violen lo expuesto en el apartado dos. Además, del artículo de la Constitución comentado, se infiere una preocupación de todas las fuerzas sociales de nuestro país por el medio ambiente, hecho que es extrapolable, con matices, a todos los países del planeta. Baste como ejemplo el artículo 130 R del Acta Única de la UE que indica que «la acción de la Comunidad tendrá por objeto: — Conservar, proteger y mejorar la calidad de vida. — Contribuir a la protección de la salud de las personas. — Garantizar una prudente y racional utilización de los recursos naturales». La preocupación medioambiental a la que nos hemos referido se ha puesto también de manifiesto en diversos informes y reuniones. Refirámonos brevemente a los más importantes. El Informe 72 del MIT (Massachussets Institute of Technology) al Club de Roma titulado Los límites del crecimiento, basado en la dinámica

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de sistemas estableció interrelaciones a lo largo del tiempo entre las cinco grandes variables: número de habitantes, contaminación ambiental, reservas de materias primas, producción industrial y necesidades de alimentos, además de algunos otros supuestos igualmente razonados sobre el previsible crecimiento, resultando que en muy pocos decenios, antes del 2.100 en cualquier caso, tendría lugar una crisis mundial caracterizada por una carencia de materias primas y alimentos, y un nivel de contaminación tan elevado, que daría lugar a un colapso planetario. La opinión pública se dividió respecto a las previsiones del informe. Aparecieron voces que criticaban el pesimismo del Club de Roma —hoy en día nadie duda de su carácter pesimista—, pero muchas más admitieron que la situación era delicada y que la única manera de evitar la catástrofe pronosticada en el mismo era modificar nuestras formas de pensar y de actuar con objeto de preservar la calidad actual de nuestro entorno, ya que el ser humano ha perturbado el equilibrio ecológico general habiendo llegado a rebasar, en determinadas regiones, la capacidad asimiladora y regeneradora de la naturaleza. El informe tuvo una influencia notable sobre la Conferencia de Naciones Unidas para el Medio Ambiente Humano celebrada en Estocolmo en ese mismo año 1972 en la que, entre otras cosas, se llegó al convencimiento de que resultaba dudoso admitir que la Tierra pudiera soportar que los países menos desarrollados alcancen el grado de desarrollo que hoy presentan los países más industrializados utilizando los mismos métodos que estos últimos han empleado para alcanzar su actual nivel de bienestar. Los sistemas naturales están al límite de su capacidad de autoregeneración como consecuencia de una población creciente que cada vez produce y consume más. Los mismos autores de Los límites del crecimiento publicaron 20 años después una revisión del mismo titulado Más allá de los límites: Frente al colapso global, un futuro sostenible en el que hacen propuestas sobre los cambios que se han de producir en los comportamientos individuales y sociales para que sea posible un futuro sostenible. Muchas de las propuestas consideradas en este informe fueron admitidas por los participantes en «la Cumbre de la Tierra» celebrada en Río de Janeiro, en junio de 1992, en la que representantes de 175 países intentaron poner coto al actual deterioro ecológico de nuestro planeta mediante la firma de una serie de compromisos como la Agenda 21, el Tratado de Biodiversidad, el de los Cambios Climáticos, la Declaración de los Bosques y la Declaración de Río, que es de esperar produzcan a medio plazo los resultados que todos esperamos y la Tierra necesita. En la Tabla 1.1 se presentan los 27 Principios de la Declaración de Río:

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TABLA 1.1. Los 27 Principios de la Declaración de Río 1. Los seres humanos tienen derecho a una vida sana y productiva en armonía con la naturaleza. 2. Todos los Estados tienen el derecho soberano de explotar sus propios recursos y la obligación de no atentar contra el medio ambiente de países vecinos. 3. El derecho al desarrollo debe tener en cuenta el medio ambiente y las necesidades de las generaciones presentes y futuras. 4. La protección del medio ambiente debe ser parte integrante de los procesos de desarrollo, y no puede ser considerada aisladamente. 5. Los estados y los pueblos deben cooperar con la pobreza, condición indispensable del desarrollo sostenido. 6. Las medidas medioambientales y de desarrollo que adopten los países en vías de desarrollo deben tener en cuenta los intereses y las necesidades de todos los Estados. 7. Los países desarrollados deben reconocer su responsabilidad en la búsqueda internacional del desarrollo sostenido, debido a «las presiones que sus sociedades ejercer en el medio ambiente». 8. Los Estados deben reducir y eliminar los modos de producción y de consumo nocivos para el medio ambiente y promover políticas demográficas. 9. La cooperación científica y tecnológica debe facilitar la adopción, difusión y transferencia de tecnologías nuevas. 10. La información constituye la mejor forma de tratar los problemas ambientales. 11. Cada país debe promulgar medidas legislativas eficaces. Pero las normas internacionales no pueden imponer un coste económico social injustificado, sobre todo a los países en desarrollo. 12.

Las Medidas contra los problemas ecológicos transnacionales o mundiales deben acordarse con un consenso internacional.

13. Debe instaurarse un derecho internacional sobre la responsabilidad y la indemnización de los daños causados al medio ambiente. 14. Se prohíbe exportar de un país a otro cualquier actividad o sustancia que degrade el medio ambiente o sea nociva para la salud. 15. La ausencia de una certeza científica no debe servir como pretexto para aplazar la adopción de medidas efectivas para prevenir la degradación del entorno. 16 y 17. Estabilizar la contaminación a nivel internacional. Deben realizarse estudios sobre el impacto ambiental antes de implantar nuevas actividades que puedan provocar efectos nocivos importantes. 18 y 19. Los Estados deben notificar rápidamente cualquier catástrofe natural o situación de emergencia susceptible de dañar el medio ambiente, y en este caso la solidaridad internacional debe entrar en juego.

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(cont.) 20, 21 y 22. Las mujeres, los jóvenes, las comunidades autóctonas y otros colectivos locales juegan un importante papel en la protección del medio ambiente y tienen una función vital en el desarrollo sostenido. 23. La protección del medio ambiente y los recursos naturales de los pueblos sometidos a opresión, dominación y ocupación, no sufrirán menoscabo. 24. Los Estados protegerán el medio ambiente en tiempo de conflicto armado y participarán en la defensa medioambiental. 25. La paz, el desarrollo y la protección del medio ambiente son interdependientes e indisociables. 26. Todas las diferencias medioambientales deben resolverse pacíficamente de acuerdo con la Carta de la ONU. 27. Los Estados y los pueblos deben cooperar de buena fe y con un espíritu de solidaridad en la aplicación de los principios consagrados en la presente declaración y al desarrollo del derecho internacional de conseguir un desarrollo sostenido.

Entre ambos Informes han aparecido otros dos muy significativos, El Informe Global 2000 que se preparó a principios de los 80 a propuesta del entonces Presidente de los Estados Unidos Jimmy Carter, y el Informe Brundtland publicado en 1987 en el que se examinan los problemas más críticos del medio ambiente y el desarrollo en el planeta, y se formulan propuestas realistas para resolverlos y asegurar que el progreso humano se mantenga a través del desarrollo sin arruinar los recursos de las generaciones futuras. Consideremos brevemente el último informe por ser sin duda uno de los documentos más significativos a nivel medioambiental elaborados hasta el momento. Ante la evidencia de la degradación de la naturaleza, en especial en los países en desarrollo, el Gobierno de Noruega, consciente de la amenaza que para el mantenimiento de la vida en la tierra representaba tal degradación, propuso en 1984 a las Naciones Unidas la creación de una comisión para estudiar la situación del medio ambiente a escala mundial, y de aquella iniciativa nació la Comisión Mundial sobre Medio Ambiente y Desarrollo. Dicha Comisión, después de 3 años de intensos trabajos publicó en 1987 el informe Nuestro Futuro Común conocido como Informe Brundtland por haber sido la presidenta de la comisión elaboradora del mismo la Sra. Brundtland, entonces Jefa de la oposición noruega y luego Presidenta de dicho Gobierno en 1985.

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El Informe Brundtland acuñó definitivamente el término desarrollo duradero o sostenible (en castellano sería más adecuado sustentable) para referirse a un tipo de desarrollo «capaz de satisfacer las necesidades del presente, sin comprometer la posibilidad de que las futuras generaciones puedan satisfacer las suyas». Sin embargo, conviene señalar que el término desarrollo sostenible fue primeramente utilizado en el informe Estrategia para la conservación mundial que publicó en 1980 la Unión Internacional para la Conservación de la Naturaleza. Según este informe por desarrollo sostenible se entiende un tipo de desarrollo económico en el que los aspectos cualitativos priman sobre los cuantitativos y los aspectos medioambientales ocupan un lugar preferente. Sin intentar resumir aquí un informe tan importante como el informe Brundtland, si conviene indicar que las dos ideas alrededor de las cuales gira su contenido son de una parte que debemos ser capaces de satisfacer las necesidades básicas de todos los humanos, lo que significa dar prioridad a las necesidades de los más pobres, y de otra, que el desarrollo sostenible es posible si se contempla como un proceso de cambio de actitudes que es función en cada momento de la tecnología disponible y la organización social imperante, combinados con su impacto sobre los recursos medioambientales. Se trata por tanto de un informe razonablemente optimista que requiere para llevarlo a la práctica de una visión de futuro acertada y de una considerable cantidad de recursos económicos. A partir del informe Brundtland la definición de desarrollo sostenible ha sido adaptada a múltiples situaciones concretas ya que parece lógico que un modelo europeo de desarrollo sostenible no tenga que ser idéntico al aplicable en otras partes del mundo con características sociales diferentes a las que a la sociedad europea le son propias. En concreto, en la Comunidad Europea se trabaja con una definición de desarrollo sostenible que significa «maximizar los beneficios netos del desarrollo económico sin que varíen en el tiempo los servicios y la calidad del capital natural». La Sra. Thatcher en un discurso pronunciado en 1988 se refirió al desarrollo sostenible de una manera mucho más inteligible diciendo que «la tierra no puede ser el feudo de ninguna generación, lo único que tenemos es un arrendamiento de por vida con la obligación de mantenerla en perfecto estado». Resulta obvio que los países ricos, cuyas poblaciones han dejado de crecer y tienen unos estándares de vida suficientemente altos, tengan más fácil llevar a la práctica un desarrollo sostenible que los países pobres. Si nos referimos a la Comunidad Europea, donde la población dentro de 30 ó 40 años será similar a la actual, el concepto de desarrollo sostenible puede resultar adecuado, pero si lo aplicamos a naciones africanas

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o asiáticas que van a triplicar su población en igual lapso de tiempo, mejorando además su nivel de vida, difícilmente lo podrán conseguir en el marco de un desarrollo sostenible. Posteriormente a la cumbre de Río de Janeiro ha seguido la de Johannesburgo en 2002 con el objetivo de focalizar la atención del mundo en la solución de problemas tales como la mejora en la calidad de vida de los ciudadanos y la conservación de los recursos naturales en un escenario en el que el aumento de la población implica la necesidad de más alimentos, agua, viviendas, energía, saneamientos y puestos de trabajo. También ha servido dicha cumbre para que los dirigentes mundiales pasen revista a lo conseguido respecto a la ejecución de la Agenda 21 de la Cumbre de Río de Janeiro, y para proponer políticas que activen los aspectos que menos han avanzado desde entonces.

1.1.1. Medio ambiente físico El medio ambiente natural o medio físico abarca la atmósfera, hidrosfera y litosfera en las cuales están contenidos todos los recursos necesarios para el mantenimiento de la vida. La biosfera es una estrecha franja que rodea la superficie terrestre, en la que se desarrollan todas las formas de vida, incluido el hombre. Todos los materiales gaseosos, líquidos y sólidos necesarios para el sostenimiento de la vida —aire, alimentos y agua— provienen de la biosfera, y así mismo todos los desechos en forma gaseosa, líquida o sólida van a parar a la biosfera. Hasta tiempos recientes, la biosfera ha recibido y asimilado los desechos generados por el hombre, los animales y las plantas, pero hoy existe el convencimiento de que la capacidad de asimilación de la biosfera, aunque tremenda, no es infinita, y el sistema, que ha operado durante millones de años perfectamente, comienza a presentar síntomas de agotamiento debidos fundamentalmente al impacto del hombre sobre el medio ambiente. No es extraño por tanto que la administración responsable, reflexiva e inteligente de la Tierra, constituya uno de los grandes retos que tiene planteados la humanidad en los albores del siglo XXI. Pero no debemos considerar solamente el impacto del ser humano sobre el medio ambiente, también es muy importante el impacto del medio ambiente sobre el hombre. Efectivamente, determinados contaminantes del aire, agua, y suelo, pueden causarle enfermedades e incluso la muerte. Quizás hayan sido los efectos perjudiciales de la contaminación del aire los más difíciles de evidenciar de manera concluyente, pero varios episo-

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CIENCIA Y TECNOLOGÍA DEL MEDIO AMBIENTE

dios agudos de contaminación atmosférica han puesto de manifiesto en las últimas décadas que la calidad del aire se puede deteriorar lo suficiente como para constituir un riesgo cierto para la salud humana. Por lo que respecta al agua, desde hace mucho tiempo se conoce que constituye uno de los vectores más importantes para la transmisión de numerosas enfermedades no solamente por los contaminantes químicos o patógenos que pueda contener, sino también porque a través de la cadena alimentaria se pueden bioacumular determinados contaminantes.

1.1.2. Ciencia y tecnología ambientales En los últimos siglos el hombre ha venido dividiendo el conocimiento en sectores o parcelas que ha denominado ciencias o disciplinas, justificando este modo de proceder por la necesidad de profundizar en aspectos concretos del conocimiento, del que surgen las especialidades —profundos conocimientos, escasa cobertura— o divisiones de la Ciencia. Sin embargo, el parcelamiento de la ciencia que ha conducido a los más grandes logros y adelantos científicos, ha hecho que el hombre pierda la visión de conjunto de los fenómenos ligados a su existencia, lo que se traduce a veces, en que cada disciplina o ciencia investiga, proyecta, y ejecuta planes inconexos, como si se tratase de problemas totalmente diferentes y específicos de cada una de ellas. Hoy en día, la naturaleza interdisciplinar de la ciencia, y la importancia de unificar una serie de principios válidos para el conjunto de la misma, está fuera de toda duda, y precisamente éste es el caso de la ciencia del medio ambiente. Ante una evidente imposibilidad de las diferentes ciencias para enfrentarse por separado con la situación planteada por el creciente deterioro ambiental, surge una nueva visión del problema en forma de disciplina capaz de ocuparse de las interacciones del hombre con su ambiente de forma integral y globalista que no es más que la forma en que aborda el estudio del medio ambiente la ciencia que se conoce como ciencia del medio ambiente, y que, como hemos dicho, se ocupa del estudio de nuestro entorno y de sus interacciones con el hombre. Conocer los procesos medioambientales y la influencia que el hombre ejerce sobre ellos, requiere del conocimiento de varias de las ciencias naturales. Lógicamente la Química, la Física y la Biología son disciplinas básicas para entender los procesos a los que nos estamos refiriendo. Sin embargo, otras como la Geología, la Metereología, etc. ocupan también un lugar importante.

MEDIO AMBIENTE: CONCEPTO. INTERDISCIPLINARIEDAD. ESTADO ACTUAL

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No son sólo las ciencias naturales las que tienen que ver con la ciencia del medio ambiente. Decisiones políticas, legislativas y condiciones sociales, influyen de forma considerable sobre el impacto que el hombre ejerce sobre su entorno, por lo que también las Ciencias Políticas, el Derecho y la Sociología son ramas de la ciencia que es necesario tener en cuenta cuando nos ocupemos del estudio de la ciencia del medio ambiente. Precisamente por tratarse de una ciencia multidisciplinar es por lo que la ciencia del medio ambiente resulta difícil de estructurar para ser impartida en un curso universitario, ya que el profesor de la misma no puede ser experto en todas las materias que configuran el amplio abanico de disciplinas que se debería conocer para plantear, interpretar y resolver cualquier problema de índole medioambiental. Por lo que se refiere a la tecnología ambiental hay que decir que se ocupa de la aplicación de la tecnología a la resolución de los problemas medioambientales que surgen del propio desarrollo tecnológico. Ciencia y tecnología ambientales están totalmente relacionadas, ya que para solucionar un problema de índole ambiental necesitaremos primeramente un conocimiento profundo del mismo, que es, como hemos dicho, objeto de la ciencia del medio ambiente, para después, y como consecuencia del conocimiento anterior, aplicar la tecnología más adecuada para su resolución. De esta forma, ciencia y tecnología ambientales conjuntamente, tratarán de disminuir el impacto que de la actividad humana se derive para nuestro entorno. Además, si en algún caso no fuera suficiente para resolver un determinado problema con la aplicación de la mejor tecnología correctora disponible, se deberá recurrir a la legislación ambiental. No debemos olvidar en relación a este tema, que la actividad humana es ya hoy capaz de afectar a las condiciones básicas de supervivencia de nuestro planeta, por lo que debemos estar dispuestos a afrontar transformaciones sociales de importancia, si con la aplicación de la tecnología no fuera suficiente para conseguir unos parámetros de calidad ambiental compatibles con un desarrollo equilibrado de la humanidad.

1.1.3. Química e Ingeniería del Medio Ambiente Vamos, ahora, a precisar los contenidos de la química y la Ingeniería ambientales. La primera cuestión que se nos presenta al estudiar la química del medio ambiente es la de su definición, que por cierto no resulta fácil sobre todo si tenemos en cuenta la cantidad de contenidos diferentes que abarca.

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CIENCIA Y TECNOLOGÍA DEL MEDIO AMBIENTE

De forma muy simple podemos decir que la química medioambiental es «aquella parte de la química que se ocupa de los fenómenos químicos que ocurren en el medio ambiente», y si queremos ser más precisos, la definiremos como «aquella parte de la química que estudia los orígenes, transporte, destino, reacciones y efectos de las especies químicas presentes en el aire, agua y suelo, así como la influencia que la actividad humana juega sobre dichos procesos». Hay que resaltar que la química medioambiental se ocupa de sistemas naturales, y por tanto difíciles de definir, por lo que su estudio resulta más complejo que el de la química tradicional. Una de las misiones más importantes que la química medioambiental tiene encomendadas es la determinación de la naturaleza y cantidad de los diferentes contaminantes presentes en una muestra ambiental. Por tanto, el análisis químico es siempre un primer paso en cualquier investigación sobre química del medio ambiente. Sin embargo, como podemos imaginar, química ambiental no es lo mismo que química analítica, ya que la química ambiental no termina cuando se conocen los resultados analíticos, sino que continúa tratando de encontrar soluciones al problema medioambiental en estudio mediante la explicación de la naturaleza, reacciones, y transporte de la diferentes especies químicas presentes en el medio de donde obtuvimos la muestra analizada, así como mediante las medidas correctoras de carácter químico que sean de aplicación. Por su parte la Ingeniería Ambiental, según la División de Ingeniería Ambiental de la Sociedad Americana de Ingenieros Civiles (ASCE en inglés), tiene que ver con la solución de los problemas de sanidad medioambiental, especialmente con la provisión de aguas potables; la adecuada disposición o reciclado de las aguas residuales y de los residuos sólidos, así como del saneamiento necesario para ello; el control de la contaminación atmosférica acuosa y del suelo, y el impacto social y ambiental de las soluciones para conseguirlo. Además, también abarca todo lo relacionado con los problemas de ingeniería en el campo de la salud pública, la eliminación de los riesgos laborales para la salud, la provisión de un adecuado entorno en áreas urbanas, rurales y de recreo, y con los efectos de los avances tecnológicos sobre el medioambiente.

1.1.4. Formación ambiental La formación ambiental, como expresión de la metodología que la ciencia y tecnología ambientales deben utilizar para interpretar de forma sistemática los hechos concretos referentes a nuestro entorno, presenta una serie de características que podemos resumir de la siguiente forma:

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❑ Supone un aprendizaje continuo, que dura lo que la vida del individuo. ❑ Debe tener como objetivo básico la preservación del medio ambiente. ❑ Incluye a todos los miembros de la sociedad ya que cuantos más individuos preparados existan mayor seguridad tendremos acerca de las medidas medioambientales que se tomen. ❑ Constituye una formación que evolucionará de acuerdo con las modificaciones impuestas por los nuevos conocimientos. ❑ Como ya ha quedado indicado, se trata de una formación interdisciplinar que engloba investigación, docencia y divulgación. Las características comentadas sobre la formación ambiental, como es lógico, presentarán matices diferentes dependiendo del nivel educativo que se considere, debiendo ser en todos ellos las personas más capacitadas las que se ocupen de las enseñanzas medioambientales que de esta forma irán adquiriendo más importancia y consideración.

1.2. PROBLEMAS MEDIOAMBIENTALES PENDIENTES Hay que tener presente que los problemas medioambientales cambian rápidamente con el tiempo y lo que hoy resulta inabordable, puede mañana resolverse sin ninguna dificultad. Sin embargo los principios que se utilizan para resolver esos mismos problemas, que también varían con el tiempo, lo hacen a una velocidad mucho menor, por lo que serán a estos principios a los que dedicaremos mayor atención en nuestro estudio y no a la resolución de problemas medioambientales concretos. Normalmente, para definir los términos en que un problema medioambiental está planteado, es necesario contestar un buen número de cuestiones, muchas de ellas independientes de cual sea la naturaleza del problema. Por ejemplo: 1. ¿Cuál es la causa de la contaminación? 2. ¿De qué forma se distribuye el contaminante en el tiempo y en el espacio? 3. ¿Cuáles son las características del contaminante? 4. ¿Existe posibilidad de bioamplificación? 5. ¿Qué capacidad de descontaminación natural, respecto de ese contaminante, tiene el medio en que se produce la contaminación? Resulta obvio que cada una de estas preguntas podría dividirse a su vez en otras y estas en otras, que, como es lógico, nos permitirían una mayor concrección en la definición del problema en estudio.

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CIENCIA Y TECNOLOGÍA DEL MEDIO AMBIENTE

Tomemos como ejemplo el caso del DDT que sin duda representa el inicio de la era de los modernos pesticidas de contacto. El famoso DDT, diclorodifeniltricloroetano, anatemizado en la actualidad debido a su persistencia y bioamplificación, ha servido para evitar la pérdida de millones de toneladas de cereales y ha supuesto un gran servicio a la humanidad como consecuencia de su efectividad en el control de enfermedades transmitidas por insectos. Pues bien, la contestación a la anteriores cuestiones en el caso del DDT, como es de todos conocido, sería: el origen del DDT en el medio ambiente es consecuencia de la producción y aplicación como pesticida de dicho producto. El problema ambiental que el DDT representa está relacionado con su toxicidad, su baja biodegradabilidad y su bioamplificación a lo largo de la cadena trófica. La solución al problema que el uso de DDT plantea pasa: 1) por la introducción de algún otro pesticida alternativo de menor toxicidad, que no presente el problema de la bioamplificación, y que se degrade más fácilmente que el DDT; 2) porque su utilización, como es el caso, se prohíba por ley. Existen otras categorías de problemas medioambientales que no permiten un planteamiento tan simple como el que hemos utilizado para el caso del DDT. Se trata de problemas de índole universal como la superpoblación o la necesidad creciente de alimentos y recursos, que inciden de una manera general sobre la calidad de nuestro ambiente. Si bien la consideración de este tipo de problemas es propio de la ciencia medioambiental, vamos a referirnos a ellos aquí aunque de una manera muy concisa, al referirnos a los problemas medioambientales pendientes. Consideremos a continuación algunas de las categorías de problemas medioambientales que en la actualidad nuestro planeta tiene planteados.

1.2.1. La explosión demográfica o superpoblación mundial Como a nadie se le escapa, la incidencia de este factor sobre la calidad del medio ambiente es consecuencia del mayor número de agresores al mismo, lo cual se traduce en una mayor necesidad de recursos y en una mayor producción de residuos contaminantes. Podemos tener una idea aproximada de la magnitud del problema conociendo que la población mundial, que es hoy de algo más de 6.000 millones de habitantes, (el niño 6.000 millones nació el 12 de octubre de 1999), continuará aumentando durante los próximos años y será, según las previsiones de la División de Población de las Naciones Unidas de 8.500 millones en el 2.025 y de 10.000 millones dentro de cien años.

MEDIO AMBIENTE: CONCEPTO. INTERDISCIPLINARIEDAD. ESTADO ACTUAL

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Pero estas macrocifras cuando cobran su verdadero valor es cuando se las compara con las de un pasado más o menos cercano. Por ejemplo, en el año 2.000 nacieron aproximadamente los mismos niños que en los quince primeros siglos de la era cristiana, y eso pese a los programas de planificacion familiar. Además, el 95% de esos nacimientos se produjeron en los países menos desarrollados, por lo que algunos expertos se muestran preocupados ante la posibilidad de que el crecimiento demográfico de las naciones desarrolladas llegue a ser nulo, e insisten en la necesidad de adoptar medidas preventivas urgentes. En la Figura 1.1 se presenta el crecimiento de la población mundial y de la población total mundial desde el año 1950 al 2005, y las previsiones hasta el año 2050 según el U.S. Census Bureau. En España, según el Instituto Nacional de Estadística la población total, era a final de 2004 de casi 44 millones de habitantes, de los cuales los extranjeros empadronados ascendían a 3,69 millones, o un 8,4% de la población total. Conviene resaltar de estos datos que sólo seis años antes, en 1998, el número de inmigrantes representaban sólo el 1,6% de la población total. Por lo que respecta al crecimiento de la población española en un futuro próximo, diversos estudios la sitúan en una horquilla que va de los 53 millones con 15 millones de extranjeros en el año 2050, a los 43 millones y 6,4 millones de inmigrantes, que prevé la oficina de estadística de las UE, Eurostat, para el mismo año.

Crecimiento en millones

800

8

600

6

400

4

200

2

0 1570

1800

1850

1900 Año

1950

2000

2050

Población en miles de millones

10

1000

0

Crecimiento de la población mundial Población total mundial

FIGURA 1.1. Crecimiento de la población mundial y de la población total mundial durante el periodo 1950-2005 y previsiones hasta el año 2050.

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1.2.2. La necesidad creciente de alimentos La superpoblación que acabamos de comentar, conlleva una mayor demanda de alimentos, lo que representa una fuerte presión sobre los recursos naturales que se traduce en una masiva incorporación de tierras para el cultivo mediante la tala indiscriminada de masas forestales, en mayores necesidades de aguas para riego, en la construcción de presas, y en el uso indiscriminado de biocidas y fertilizantes, así como en la introducción de nuevas variedades de especies de más rendimiento, monocultivos etc., todo lo cual tiene una influencia negativa sobre el medio ambiente pues lleva consigo, por ejemplo, la salinización de suelos, la contaminación de acuíferos, la eutrofización de lagos y la aparición de especies resistentes a los biocidas. El reto planteado a la agricultura del futuro no es sólo el de dar de comer a los 10.000 millones de habitantes que habrá dentro de cien años, sino también el de lograr el nivel de producción suficiente con un deterioro del ambiente menor del actual. ¿Qué técnicas serán necesarias para conseguir todo eso? Aunque se podrían señalar un buen número de innovaciones, destacaremos tres categorías en razón de su importancia: las que reducen el deterioro medioambiental de los biocidas y fertilizantes, las que reducen la demanda de agua para riego, y las que inciden en el aumento del rendimiento de los cultivos. En la Tabla 1.2 se presentan datos de la FAO sobre la producción mundial del trigo, cereales secundarios (cebada, maíz, etc.), y arroz en los últimos años, expresados en millones de toneladas.

TABLA 1.2. Producción mundial del trigo, cereales secundarios (cebada, maíz, etc.) y arroz en los últimos años, expresados en millones de toneladas

Producción total1 Trigo Cereales secundarios Arroz (elaborado) Países en desarrollo Países desarrollados 1

2003/04

2004/05

2005/06

Variación de 2004/05 vs 2005/06 (%)

1891,8 560,6 939,9 391,2 1.051,0 840,8

2.054,2 625,9 1023,3 405,0 1.076,7 977,5

1.983,5 614,1 958,3 411,1 1.081,6 901,9

–3,4 –1,9 –6,4 1,5 0,5 –7,7

Los datos se refieren al año indicado en primer lugar

MEDIO AMBIENTE: CONCEPTO. INTERDISCIPLINARIEDAD. ESTADO ACTUAL

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1.2.3. Contaminación atmosférica Los problemas de la contaminación del aire tienen que ver de una parte con los cambios climáticos a los que pueden dar origen y de otra con los efectos perjudiciales, locales o globales, de los diferentes contaminantes atmosféricos. En la Figura 1.2 se presenta el ciclo típico de un contaminante atmosférico. La actividad humana puede influir sobre las condiciones climáticas de los próximos años de varias formas. Una de ellas es como consecuencia del incremento de la concentración atmosférica del anhídrido carbónico, CO2, originado en la combustión de diferentes materiales, lo que lleva consigo una mayor absorción de la radiación infrarroja que escapa de la tierra y, por tanto un aumento de la temperatura en la atmósfera y en la tierra que eventualmente podría causar la fusión de los casquetes polares. Se supone que del año 1968 al 2000, el incremento de temperatura por este efecto ha sido de unos 0,5 oC. Otra forma de influir la contaminación atmosférica sobre el clima, en este caso disminuyendo la temperatura terrestre, es consecuencia del incremento de la reflexión de la radiación solar debido a la mayor cantidad de partículas en la atmósfera. También con carácter macroecológico son de destacar los problemas de la lluvia ácida, el deterioro de la capa de ozono, y el smog fotoquímico. A nivel local la emisión de contaminantes es de la mayor importancia. En la Tabla 1.3 se presentan los contaminantes atmosféricos más frecuentes, sus fuentes y efectos.

Transformaciones secas Concentración en el aire Mezcla inicial

Transporte y difusión Mecanismo de limpieza

Emisiones totales

Origen natural

Transformaciones húmedas

Origen antropogénico

Deposición seca

Deposición húmeda

FIGURA 1.2. Ciclo de un contaminante atmosférico tipo.

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TABLA 1.3. Fuente, propiedades, efectos y concentraciones de los contaminantes atmosféricos más frecuentes Contaminante

Origen

Propiedades

Efectos

Niveles de concentración

SO2

Combustibles fósiles

Gas incoloro, olor Daña la sofocante, muy vegetación y los soluble en H2O materiales. Tóxico

≥ 25 μg/m3 en ciudades

SO3

Combustibles fósiles

Solubles en agua Altamente para formar corrosivo H2SO4

≥ 25 μg/m3 en ciudades

CO2

Combustibles fósiles

Incoloro e inodoro

Posibles efectos sobre el balance término terrestre

0,032%

CO

Vehículos

Incoloro e inodoro

Tóxico

≥ 20 μg/m3 en ciudades

NO2

Vehículos

Color marrón o naranja

Tóxico. Formación del smog fotoquímico

≥ 75 μg/m3 en ciudades

NO

Vehículos

Incoloro

Se producen en la combustión a altas T. y P.

≥ 200 μg/m3 en ciudades

O3

Combustibles fósiles, industria, vehículos

Altamente reactivo

Se produce durante el smog fotoquímico, daña la vegetación y los materiales

≥ 50 μg/m3 en ciudades

Diversas dependiendo de su origen

Pueden transformarse en oxidantes fotoquímicos

Variables dependiendo del hidrocarburo

Vehículos, CxHy Hidrocarburos industria, fuentes naturales Partículas

Combustibles fósiles, industria, partículas

Diversas dependiendo de su origen

Pueden causar problemas respiratorios

≥ 40 μg/m3 en ciudades

HF

Industria (Refino del aluminio)

Incoloro, olor punzante

Tóxico

Local

MEDIO AMBIENTE: CONCEPTO. INTERDISCIPLINARIEDAD. ESTADO ACTUAL

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Para controlar los efectos nocivos de la contaminación atmosférica sobre las personas, demás seres vivos y patrimonio cultural surgen los estándares de calidad del aire que son valores que no deben sobrepasarse en ningún caso. Los estándares españoles de calidad del aire, aparecieron por primera vez en el BOE de 22 de abril de 1975, habiendo sido modificados varias veces desde entonces, siendo en estos momentos los Reales Decretos 1073/2002 y 1796/2003 los que fijan dichos valores. Las sociedades modernas, especialmente las industrializadas, han basado su crecimiento económico en la utilización de grandes cantidades de energía, provenientes en su mayor parte de los combustibles fósiles. Así, por ejemplo, en el momento actual alrededor del 80% de la demanda de energía mundial se cubre con carbón, petróleo, y gas natural. En el caso concreto de España, los consumos de dichos combustibles respecto de la energía primaria utilizada, que fue en 2005 de unos 463 exajulios y será de 646 en 2020, representaron en el año 2005 un 80,2% del total. Conviene por otra parte señalar, que la utilización de los combustibles fósiles además de los problemas de contaminación atmosférica a que dan lugar, son origen de frecuentes tensiones políticas y económicas a nivel internacional debido a la desigual distribución geográfica de dichos recursos, lo que conlleva un abastecimiento inseguro de los mismos. Otros dos problemas muy importantes relacionados con los combustibles fósiles son el cercano agotamiento de sus reservas, especialmente en el caso del petróleo, y el que su combustión significa la destrucción de una materia prima importantísima para la industrial química.

1.2.4. Pesticidas El problema medioambiental más importante derivado de la utilización de los pesticidas químicos es consecuencia de la baja biodegradabilidad de muchos de ellos, lo que origina su acumulación en el medio ambiente con efectos a largo plazo desconocidos. Otros problemas también importantes relacionados con su uso son: su toxicidad intrínseca, sus posibilidades de bioamplificación, su falta de especificidad respecto del organismo a eliminar, y la resistencia de éste último al producto. Conviene recordar que el primer pesticida moderno fue el DDT, al que ya nos hemos referido, que se utilizó por el ejército aliado durante la segunda guerra mundial para controlar el tifus y la malaria. Después de la guerra se empleó también en usos agrícolas, y como consecuencia de su bioamplificación en la mayoría de los países su uso está prohibido.

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CIENCIA Y TECNOLOGÍA DEL MEDIO AMBIENTE

Hoy en día a nivel fitosanitario se utiliza el concepto de gestión integrada de plagas, integrated pest control, que en definitiva significa la utilización de todos los medios disponibles para la lucha contra las plagas, eliminando al máximo los plaguicidas químicos. Para tener una idea de lo que el mercado de la protección fitosanitaria representa en España, en la Figura 1.3 se presentan las cifras en miles de toneladas que el consumo de productos fitosanitarios ha supuesto durante el año 2003 por Comunidades Autónomas. En la Tabla 1.4 se presentan las propiedades más relevantes desde un punto de vista medioambiental, de diversos grupos de pesticidas químicos que han aparecido con posterioridad a la introducción del DDT. Toneladas 0

1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000

Andalucía

7029

Aragón

1123

Asturias 36 Baleares

144

Canarias

554

Cantabria 29 Castilla y León

500

Castilla-La Mancha

1330

Cataluña

1716

Extremadura

1723

Galicia

268

La Rioja

391

Com. Madrid

129

Com. Murcia

2004

Navarra 155 País Vasco Com. Valenciana

136 4532

FIGURA 1.3. Datos del consumo de productos fitosanitarios en España por Comunidades Autónomas durante el año 2003 expresados en toneladas.

MEDIO AMBIENTE: CONCEPTO. INTERDISCIPLINARIEDAD. ESTADO ACTUAL

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TABLA 1.4. Propiedades de interés medioambiental de los principales grupos de pesticidas químicos Clase

Ejemplos

LD50 mg/Kg (ratas)

Persistencia (vida media)*

Toxicidad

Hidrocarburos clorados

Aldrín DDT Lindano

40 250 125

Persistentes. (Dos Relativamente a cinco años) baja para el hombre

Compuestos órgano fosforados

Paration Malation

8 1500

Degradables. (Una a diez semanas)

Alta para el hombre y otros animales

Carbamatos

Carbaril Zectran

540 30

Degradables. (Una semana)

Diversas dependiendo del caso concreto

Fenoxiherbicidas

Acido 2,4 diclorofenoxiacético. Acido 2,4,5 triclorofenoxiacético.

— —

Moderadamente Baja para el degradables. (Dos hombre y otros a cuatro meses) animales

* La vida media es el tiempo que tarda en degradarse la mitad de la cantidad aplicada.

1.2.5. Metales pesados En realidad el término metales pesados se refiere, más que a su densidad, a que sus efectos medioambientales sean similares a los que se derivan de la utilización del plomo y mercurio. En este sentido, el cadmio, por ejemplo, es un metal pesado desde el punto de vista de contaminación ambiental, mientras que por tener una densidad inferior a la del hierro no lo sería. El conocimiento exacto de los efectos medioambientales de los metales pesados y sus compuestos resulta muy complejo como consecuencia, entre otras cosas, del hecho de que varios de ellos, en pequeñas concentraciones, son esenciales para la vida, y porque algunos de sus compuestos se transforman naturalmente en otros de muy diferente toxicidad. Parece lógico pensar que la presencia de estos metales en el medio ambiente va a incrementarse en el futuro debido al previsible aumento en el precio del petróleo, lo que originará un aumento en el empleo del carbón como fuente de energía, y como consecuencia, mayores emisiones de estos metales a la atmósfera. Por otra parte, también es lógico pensar en

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CIENCIA Y TECNOLOGÍA DEL MEDIO AMBIENTE

un aumento del precio de muchos de estos metales, debido a su escasez o a las dificultades para su extracción, por lo que se recuperarán mayores cantidades de algunos de ellos, lo cual, desde un punto de vista medioambiental, resultará muy adecuado. En la Tabla 1.5 se presentan las fuentes y efectos sobre la salud de algunos metales pesados presentes en el medio ambiente. TABLA 1.5. Origen y efectos sobre la salud de algunos metales pesados presentes en el medio ambiente Elemento

Origen

Efectos

Arsénico

Minería. Pesticidas. Residuos quí- Tóxico. Posiblemente cancerígeno. Dermatitis. Melanosis. micos.

Berilio

Combustión del carbón. Industria Toxicidad aguda y crónica. Posiblemente cancerígeno. Afecciones pulmonares. nuclear y del espacio.

Cadmio

Combustión del carbón. Residuos Enfermedades cardiovasculares. Hipertensión. Reemplaza bioquímicamente al mineros. Chapado de metales. cinc. Desordenes gastrointestinales.

Mercurio

Combustión del carbón. Residuos Toxicidad aguda y crónica. Temblores. Erupciones cutáneas. Alucinaciones. industriales. Mineria.

Níquel

Combustión del carbón. Aditivos Cáncer de pulmón. Dermatitis. Dolores de cabeza. Náuseas. de la gasolina. Catalizadores.

Antimonio

Industria del esmaltado de loza. Patología cardíaca. Composición tipográfica.

Selenio

Combustión del carbón, y petró- Esencial a pequeñas concentraciones y tóxico a altas concentraciones. Posibleleo. mente cancerígeno. Depresiones. Hemorragias nasales.

Manganeso

Minería. Residuos industriales. Esencial para el ser humano a nivel traza. A altas concentraciones puede causar Aleaciones. daños en el sistema nervioso. Fiebres. Neumonía.

Plomo

Combustión de las gasolinas plo- Tóxico. Anemia. Enfermedades del riñón y del sistema nervioso. Convulsiones. madas. Industria. Pinturas.

Vanadio

Combustión del carbón y petró- Inhibe la formación de fosfolípidos y los enlaces S - aminoacido. leo. Industria.

Platino

Catalizadores de combustión.

Conjuntivitis, dermatitis crónica y asma bronquial.

MEDIO AMBIENTE: CONCEPTO. INTERDISCIPLINARIEDAD. ESTADO ACTUAL

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1.2.6. Contaminación del agua Los problemas de la contaminación del agua los podemos dividir en varios grupos. Los más importantes son: los que tienen que ver con el consumo y concentración del oxígeno necesario para la vida acuática y la biodegradación de la materia orgánica, los relacionados con la descarga de nutrientes procedentes de los fertilizantes —que son la causa de la eutrofización—, los derivados de la contaminación del mar por grandes masas de hidrocarburos procedentes por ejemplo de diversos accidentes de buques petroleros, y los que se refieren a la contaminación por compuestos tóxicos tales como pesticidas, bifenilos policlorados, metales pesados, etc. En la Tabla 1.6 se presenta una clasificación general de los contaminantes hídricos. TABLA 1.6. Clasificación general de los contaminantes acuosos Características toxicológicas

Clase de contaminante Elementos traza

Muchos de ellos esenciales a niveles bajos pero tóxicos a niveles altos

Compuestos organometálicos

Tóxicos

Contaminantes inorgánicos

Tóxicos para la flora y fauna acuática

Nutrientes de las algas

Eutrofización

Radionúclidos

Tóxicos

Exceso de acidez, alcalinidad, Calidad del agua salinidad Materia orgánica

Calidad del agua. Nivel de oxígeno

Contaminantes orgánicos

Tóxicos

Pesticidas

Tóxicos

Bifenilos policlorados

Posibles efectos biológicos

Patógenos

Efectos sobre la salud

Detergentes fosforados

Eutrofización

Sedimentos

Calidad del agua

Masas de hidrocarburos

Efectos sobre la fauna

Aumento de la temperatura

Disminución de la concentración de oxígeno disuelto

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1.2.7. Contaminación por residuos sólidos La producción de residuos sólidos per cápita se ha incrementado notablemente en las últimas décadas, llegando en la actualidad, en los países más ricos, a los 1.000 kg por habitante y año de forma directa, cifra que pasa a ser de 20 toneladas, si consideramos además los residuos producidos de forma indirecta. Por afectarnos a todos muy directamente, los residuos sólidos urbanos representan un apartado muy importante dentro del tema general de residuos que estudiaremos en el capítulo VI. En la Tabla 1.7 se presenta la tasa diaria de producción actual de residuos urbanos en diferentes países. TABLA 1.7. Tasa de Producción de RSU en distintos países expresados en kg/persona/día España............................................................................... Europa ............................................................................... EE UU ................................................................................ Países Subdesarrollados ...................................................... Media Mundial ...................................................................

1,1-1,8 kg/P.d 1,0-2,1 kg/P.d 2,0-2,9 kg/P.d 0,3-0,6 kg/P.d 0,6-2,0 kg/P.d

1.2.8. Aditivos alimentarios En el mundo se utilizan más de 2.000 compuestos químicos como aditivos alimentarios por lo que resulta de vital importancia conocer el riesgo para la salud humana que implica su uso, lo que resulta una labor complicada que puede llevar muchos años de investigación ya que incluye conocer además sus efectos a largo plazo. En la Tabla 1.8 se presentan las clases más importantes de aditivos alimentarios y sus aplicaciones. La Comisión del Codes Alimentarius, creada en 1963 por la FAO y la OMS define como aditivo alimentario «toda sustancia que no es normalmente consumida en tanto que alimento en sí y que habitualmente se utiliza como ingrediente característico de un alimento; tanto si tiene valor nutritivo como si no, se adiciona intencionadamente al alimento, con una finalidad tecnológica o organoléptica, en una determinada etapa de la fabricación, transformación, preparación, tratamiento, empaquetamiento, transporte o almacenamiento de dicho alimento; determina o puede determinar (directa o indirectamente) su incorporación o la de sus deri-

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vados al alimento, o puede afectar de alguna otra manera a las características de este alimento». La expresión no se aplica a las sustancias añadidas a los alimentos con la finalidad de mantener o mejorar las propiedades nutritivas. Al hablar de aditivos alimentarios, dos conceptos muy importantes son: las dosis tecnológicamente útil, que indica la dosis que permite obtener el efecto deseado, y la dosis diaria admisible que es aquella que puede ingerirse sin que aparezcan efectos adversos. TABLA 1.8. Principales clases de aditivos alimentarios y ejemplos de cada uno de ellos Ejemplo

Clase Antioxidantes

Butilhidroxianisol, galatos, gas nitrógeno

Colorantes

Caramelo, rojo de remolacha, colorantes orgánicos sintéticos

Emulgentes y estabilizantes

Mono y diglicéridos de ácidos grasos alimenticios, lecitinas

Enzimas

Glucosa-isomerasa, pectinmetilesterasa

Potenciadores de sabor

Glutamato monosódico

Aromatizantes

Vainillina, acetato de etilo

Auxiliares de panificación

Pirofosfato sódico, fosfato aluminínico sódico

Edulcorantes sintéticos

Sacarina, ciclamatos

Controladores de pH

Acido acético, carbonato cálcico

Conservantes

Benzoato sódico, dióxido de azufre, ácido sórbico

Espesantes y gelificantes

Alginatos, gomas, pectinas, celulosa y derivados

Estimulantes

Cafeína

Secuestrantes

Ácido etilendiamintetraacético , (AEDT)

Antiaglutinantes

Fosfato tricálcico

Acidificantes

Ácido cítrico, ácido tartárico

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CIENCIA Y TECNOLOGÍA DEL MEDIO AMBIENTE

1.2.9. Necesidad de nuevas fuentes de energía No parece descabellado pensar que nos encontramos al final de una era en la que hemos dispuesto de una energía barata, abundante y fácilmente adaptable a todos los aspectos de nuestra vida, y que comienza otra en la que va a ser necesario dedicar los máximos esfuerzos y recursos a la búsqueda de fuentes de energía diferentes de los combustibles fósiles y al ahorro energético, entendiendo éste como una forma de utilización más inteligente de la energía, mediante la mejora de la eficiencia energética de los procesos industriales y domésticos de consumo. Se trata por tanto de sustituir un sistema energético muy adecuado pero que al final se acaba, por otro más compatible con el medio ambiente, del que se deriva una mayor diversificación energética, una menor dependencia en el suministro, el desarrollo de nuevas tecnologías, y en el que los recursos energéticos son mucho más abundantes y están más homogéneamente repartidos. Estas fuentes diferentes de los combustibles fósiles son de dos clases, unas ya completamente disponibles y otras que lo estarán en un futuro inmediato. Unas y otras pueden agruparse de la forma siguiente: • Procedentes directamente del sol: (solar térmica y solar fotovoltáica). • Procedentes indirectamente del sol: (energía hidroeléctrica, eólica, biomasa, etc.). • Consecuencia del efecto gravitatorio de la luna y el sol, de alguna forma también solar indirecta: (energía mareomotriz). • Producto de las reacciones químicas que suceden naturalmente en el interior de la tierra: (energía geotérmica). • Reacción nucleares: (energía de fisión y de fusión). Las fuentes energéticas citadas, a excepción de las nucleares, se conocen en conjunto como energías renovables y se definen como aquellas fuentes de energía que se encuentran a disposición del ser humano de forma natural y continua o repetitiva para que éste las pueda aprovechar y transformar en energía útil. Su característica fundamental es que se renuevan ininterrumpidamente por lo que pueden considerarse inagotables. Precisamente serán estas fuentes de energía las que contribuyan cada vez en mayor proporción a satisfacer las crecientes necesidades energéticas mundiales. Para hacernos una idea clara de lo que la energía procedente del Sol representa, baste decir que la radiación solar absorbida por la Tierra anualmente es más de 15.000 veces superior a las necesidades mundiales de energía útil en igual período de tiempo.

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Otra «fuente de energía» que cada día está adquiriendo más importancia es el ahorro energético. Los avances tecnológicos pueden rebajar considerablemente la cantidad de energía necesaria para proporcionar un determinado nivel de vida mitigando al mismo tiempo los problemas derivados del consumo energético. Las inversiones destinadas a mejorar el rendimiento energético pueden ayudarnos a reducir la demanda de combustibles fósiles y ahorrar inversiones de capital y ganar tiempo para el desarrollo de nuevas técnicas de suministro, haciendo posible un crecimiento de bienes y servicios con un consumo estable de energía. Es lógico, por tanto, que en la actualidad se estén dedicando muchos esfuerzos a conseguir un mejor aprovechamiento energético. A nivel nacional, la promoción de las energías renovables se ha visto favorecida principalmente como consecuencia de la Ley del Sector Eléctrico de 27 de noviembre de 1997 del MINER, que incluye un Régimen Especial para la Promoción de las Energías Renovables en el que se garantiza la adquisición de la energía eléctrica que produzcan a un precio que asegure su viabilidad económica. Esta misma Ley estableció la necesidad de elaborar un Plan de Fomento de este tipo de energías (que fue aprobada en el Consejo de Ministros del día 20 de diciembre de 1999 como Plan de Fomento de las Energías Renovables) con el objetivo principal de alcanzar una contribución de las mismas al balance energético nacional del 12% para el año 2010, lo que representa de una parte duplicar su importancia cuantitativa en sólo 10 años, y de otra cumplir con los objetivos del Libro Blanco para una Estrategia Comunitaria y Plan de Acción (Comisión de las Comunidades Europeas, Bruselas 26 de Noviembre de 1997) que fija igual porcentaje para la contribución de las energías renovables al balance de energía de la Unión Europea en la misma fecha. Debe quedar claro, sin embargo, que este tipo de políticas energéticas, no alcanzarán por si solas la promoción de las energías renovables. Son necesarios, además, avances tecnológicos que den lugar a un abaratamiento de las mismas, y un reconocimiento social que fomente su utilización en aquellos sectores en los que pueden resultar más adecuadas. A todo lo cual podría añadirse la necesidad de que en el precio de los combustibles fósiles se consideren los daños medioambientales inherentes a su extracción, transporte, almacenamiento y utilización, así como los importantes beneficios derivados de una mayor utilización de las energías renovables, no sólo en cuanto a emisiones, sino también como consecuencia de una menor dependencia de importaciones energéticas, y por tanto, de una mayor seguridad en el abastacemiento. Las energías renovables también tienen sus inconvenientes, entre ellos son de destacar su carácter intermitente y la imposibilidad de su utilización

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directa para el transporte. Los anteriores inconvenientes hacen imprescindible un sistema energético intermedio o vector energético que sirva de nexo entre las energías renovables y los diferentes sectores de consumo. La electricidad es uno de esos sistemas, puesto que puede producirse a partir de cualquier tipo de energía y es utilizable en la mayoría de los casos de forma eficiente y versátil a nivel de consumo final. No obstante, para determinadas aplicaciones sería más conveniente disponer de un combustible, y en otros casos, por ejemplo el transporte aéreo, un combustible es del todo necesario. Si a ello unimos que la electricidad no es almacenable de forma conveniente y que da lugar a pérdidas significativas durante el transporte, resulta obvio que la electricidad no será el único vector energético en el futuro. El hidrógeno es otro de los sistemas energéticos intermedios que puede ser el complemento ideal a la electricidad ya que representa una serie de propiedades tales como fácilmente almacenable, transportable, no contaminante —puesto que durante su utilización no produce ningún tipo de contaminación—, fácil de producir, renovable, independiente de los recursos primarios, aplicable de diversas formas y más eficiente que los combustibles actuales. Debido a que para la obtención del hidrógeno se necesita energía, es por lo que al hidrógeno se le considera un vector energético más que una fuente de energía. Además, por tratarse de un combustibles secundario o forma sintética de energía, debe ser producido a partir de fuentes de energía primaria. Una vez producido, el hidrógeno puede sustituir sin ninguno de sus inconvenientes a los combustibles fósiles en todas sus aplicaciones, no siendo necesario para ello modificar excesivamente las tecnologías existentes. España, con niveles de insolación superiores a los 15 MJ/m2/día de irradiación global horizontal y vientos en numerosos puntos por encima de los 10 m/s, está perfectamente dotada para este nuevo sistema energético sol-hidrógeno, lo que sin duda podría a corto plazo disminuir nuestra dependencia energética exterior, que es hoy del 67,6%, y a más largo plazo convertimos en un país exportador de energía. Por lo que respecta al transporte y almacenamiento del hidrógeno, por tratarse de un gas, puede ser transportado y almacenado mediante las mismas tecnologías que hoy se utilizan para el gas natural. También es posible licuar el hidrógeno y transportarlo o almacenarlo en dicho estado de agregación. Para el almacenamiento de pequeñas cantidades pueden también utilizarse otros métodos. (Formación de hidruros metálicos, adsorción sobre carbono, nanofibras de grafito, nanotubos de carbón, etc.).

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De las aplicaciones del hidrógeno (recordemos que el hidrógeno puede sustituir a los combustibles fósiles en todos y cada una de las aplicaciones de estos), vamos a referirnos solamente a su utilización en el transporte. Dos tipos diferentes de vehículos accionados únicamente con hidrógeno se están investigando: los que utilizan motores de combustión interna, y los que emplean células de combustible. Los primeros sólo producen vapor de agua y NOX, que además puede ser controlado hasta niveles muy bajos por métodos conocidos. Los que utilizan células de combustible eliminan por completo las emisiones de NOX. El interés del hidrógeno en aviación es consecuencia de su elevada energía por unidad de masa, lo que se traduce en una mayor capacidad de carga y pasajeros, a la vez que en recorridos más largos sin repostar. Por lo que se refiere a los programas espaciales, todos los vuelos se han llevado a cabo utilizando el mismo combustible: el hidrógeno líquido. De hecho, la Administración Nacional para la Aeronáutica y Espacio, NASA, de los EE UU, es el mayor consumidor de hidrógeno del mundo. Otra cuestión interesante a considerar en el caso del hidrógeno son los riesgos inherentes a su utilización. Debe quedar claro en este caso que, aunque puede parecer que el hidrógeno es más peligroso que el gas natural o la gasolina, dicha percepción no está justificada ni por sus propiedades físicas y químicas ni por sus muchos años de utilización a nivel industrial o doméstico. Lo que si es verdad es que todos los combustibles químicos, incluidos el hidrógeno, el gas natural y la gasolina, son potencialmente peligrosos, debiendo ser manejados con cuidado. ¿Por qué no se ha impuesto todavía un sistema con tantas ventajas? Lógicamente hay razones de tipo económico, pero además, existen otros obstáculos que dificultan el paso a este nuevo sistema como son la inexistencia de una infraestructura adecuada y un rechazo por parte del gran público que tiene su origen fundamentalmente en una falta de información ecuánime sobre el particular. Podemos por tanto concluir que el sistema energía solar-hidrógeno es un sistema permanente de energía, capaz de satisfacer todas las necesidades energéticas de la sociedad en el momento actual, y previsiblemente en el futuro, sin causar daños al medio ambiente, siendo en la actualidad el único sistema energético que permite un desarrollo sostenible, por lo que deberíamos contribuir todos, de forma activa, a su implantación gradual pero inmediata.

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1.2.10. Utilización creciente de productos químicos El día 24 de febrero de 1983 el número de sustancias químicas registradas en el Chemical Abstracts Service de la American Chemical Society era de seis millones, de las que el 1% son de uso corriente. En la actualidad el Chemical Registry de la Asociación Americana de Química (www.cas.org) contiene información sobre más de 20,8 millones de sustancias químicas. La producción y manipulación de tan elevada cantidad de sustancias químicas corresponde a la Industria Química que por este motivo es acusada sin razón, cada vez con más fuerza, de hacer este planeta inhabitable. Tres son los tipos de problemas ambientales que surgen en la actividad industrial química. De una parte la fabricación de productos intrínsecamente peligrosos hace que la Industria Química pueda ser considerada por muchos como la causante del envenenamiento progresivo de la humanidad. De otra parte, los procesos de fabricación suponen un riesgo en sí mismos para los trabajadores y los habitantes de las zonas próximas. Por último, hay que considerar los inevitables accidentes, que tratados por una prensa poco preparada contribuyen a dañar la imagen pública de este tipo de industria. No debe pues extrañarnos que el hombre actual esté atemorizado por el gran número de sustancias químicas que le rodean y ante las que se siente inerme, lo que ha dado lugar a la aparición de una especie de enfermedad, la «quimiofobia», que se traduce en una reacción negativa espontánea del individuo hacia los productos químicos y por ende hacia la Industria Química, que los fabrica y maneja. Ahondando más sobre esta actitud, quizá llegáramos a la conclusión de que la «quimiofobia» no es más que una manifestación particular de un rechazo generalizado del ser humano a todo lo que signifique riesgo. Pero sin riesgo no hay progreso y el progreso significa asumir riesgos.

1.2.11. A modo de resumen Una vez hechas estas sucintas consideraciones sobre algunas de las categorías de problemas medioambientales que nuestro planeta tiene planteados, a las que sin duda se podrían añadir otras también muy importantes como la desertización, la disminución de la diversidad biológica, la desforestación, el aumento de las radiaciones ionizantes y no ionizantes, el ruido, etc., vamos a ocuparnos en los próximos capítulos del estudio del aire, el agua y los residuos desde una perspectiva química y de ingeniería ambiental, para después estudiar la contaminación física por el ruido y las radiaciones, y la evaluación del impacto ambiental, con lo que pretendemos abarcar los principales capítulos que se tratan en los libros de ingeniería ambiental.

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EJERCICIOS DE AUTOCOMPROBACIÓN 1. Enunciar los principales problemas macroecológicos derivados de la contaminación atmosférica. 2. Constitución Española y Medio Ambiente. 3. Repercusiones medioambientales de la tala de bosques. 4. Enuncie tres de los principales compromisos de la Cumbre de la Tierra celebrada en Río de Janeiro. 5. ¿Qué se entiende por Biosfera? 6. Aditivos alimentarios. Clasificación. 7. Pesticidas. Tipos y toxicidad relativa de los mismos. 8. Principales problemas de la contaminación del agua. 9. Ventajas e inconvenientes de los sistemas alternativos de producción de energía. 10. Problemas derivados de la utilización creciente de productos químicos. 11. El consumo mundial de petróleo puede estimarse en 85 millones de barriles/d. ¿Qué dimensiones debería tener un tanque cilíndrico cuya altura sea igual a su diámetro, que contuviese el petróleo consumido en un año? Si todo el petróleo se utilizase para generar electricidad, ¿cual sería la cantidad equivalente de Uranio-235 necesaria para producir la misma cantidad de energía? Se supone que la eficiencia de ambos procesos es del 33%. Datos: Potencia calorífica del petróleo 35 MJ/l. Energía de fisión del U-235, 82 TJ/kg. 1 Barril = 0,159 m3. Densidad del petróleo 987 kg/m3. 12. Una muestra de aire se analiza a 0 o C y 101,33kPa de presión y resulta que contiene 9 ppm de CO. Se pide: Cuál será la concentración en microgramos por m3 (μg/m3). 13. Estimar los porcentajes de saturación de carboxihemoglobina en sangre de una persona situada en una zona de tráfico intenso en la que se alcanza una concentración de CO en aire de 100 ppm, y en una zona libre de contaminación con una concentración de CO ≤ 1 ppm. Se

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conoce que la relación de equilibrio de carboxihemoglobina (COHb) y oxihemoglobina (O2 Hb) en sangre, viene dada por la expresión: [COHb] P = 210 CO [O2Hb] PO2

donde PCO y PO2 son las presiones parciales del CO y del O2 en el aire respirado. Considerar que el porcentaje en volumen del O2 del aire es del 21% (210000 ppm). 14. Una central térmica produce 100 MW al día. Opera con una eficiencia del 33%, consume un gas licuado de petróleo formado por 80% de propano y 20% butano (en peso). Calcular el incremento de concentración en CO2 que se produciría en un día suponiendo que se concentra en una semiesfera de 10 km de diámetro en cuyo centro se sitúa la central. Se sabe que los calores de combustión del propano y del butano son respectivamente 2220 kJ/mol y 2880 kJ/mol. 15. Si asumimos que un motor mal ajustado que funciona en un garaje quema la gasolina según la reacción: C8 H18 + (17/2) O2 → 8 CO + 9 H2O. ¿Cuántos gramos deberá quemar para que se alcance el valor de 1.000 ppm de CO en volumen, expresada en CN (101,33 kPa y 0 oC)? El garaje tiene unas dimensiones de 5 × 3 × 3 m.

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SOLUCIÓN A LOS EJERCICIOS DE AUTOCOMPROBACIÓN 1. Los principales problemas macroecológicos derivados de la contaminación atmosférica son los siguientes: — El efecto invernadero. Debido principalmente al CO2, y en menor medida al CH4 y a los FCCs. — La lluvia ácida. Debido a los óxidos y oxiácidos de azufre y nitrógeno. — El smog fotoquímico. Debido a los óxidos de nitrógeno y a los hidrocarburos. — La degradación de la capa de ozono. Debido a los FCCs y a los óxidos de nitrógeno. A todos ellos habría que añadir los problemas derivados de las emisiones de los contaminantes más frecuentes a nivel local. 2. El artículo 45 de la Constitución Española de 1978 en su Título I «De los Derechos y Deberes Fundamentales», Capítulo III «De los Principios Rectores de la Política Social y Económica», define los principios básicos y responsabilidades de la conservación del Medio Ambiente como sigue: 1. Todos tienen derecho a disfrutar de un ambiente adecuado para el desarrollo de la persona, así como el deber de conservarlo. 2. Los poderes públicos velarán por la utilización racional de todos los recursos naturales con el fin de proteger y mejorar la calidad de vida y defender y restaurar el medio ambiente, apoyándose en la indispensable solidaridad colectiva. 3. Para quienes violen lo dispuesto en el apartado anterior, en los términos que la ley fije, se establecerán sanciones penales o, en su caso, administrativas, así como la obligación de reparar el daño causado. 3. El principal problema derivado de la tala de bosques consiste en el incremento local y zonal del contenido en CO2 de la atmósfera como consecuencia de la combustión total o parcial de la masa forestal y de la disminución de la fotosíntesis. Un segundo problema es la drástica disminución de la biodiversidad de flora y fauna, con una acelerada desaparición de especies animales y vegetales. Otra consecuencia importante es la disminución de la capacidad de retención de agua por el suelo, que desembocaría en cambios climáticos más o menos localizados, que finalizarían en la desertización de la zona talada.

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4. Tres de los compromisos más importantes de la Declaración de Río son: 1.o El Tratado de la Biodiversidad. 2.o El Tratado de los Cambios Climáticos. 3.o Los Principios de la Declaración de Río relativa a la preservación del Medio Ambiente. (27 principios). 5. Se define la biosfera como la parte de la tierra donde se desarrolla la vida animal y vegetal. La biosfera ocupa una estrecha franja que rodea a la superficie terrestre. Todos los materiales gaseosos, líquidos y sólidos necesarios para el sostenimiento de la vida, así como los desechos de los procesos metabólicos naturales o artificiales se encuentran o acumulan en la biosfera. En conclusión la biosfera se comporta al mismo tiempo como fuente de materias primas y como sumidero de desechos. 6. Los aditivos alimentarios son compuestos o preparados, sin valor nutritivo, que se adicionan intencionadamente a los alimentos y que sirven para mejorar o conservar su calidad y sus características organolépticas. Se suelen clasificar en base a la función que realizan en los siguientes tipos: antioxidantes, colorantes, emulgentes y estabilizantes, enzimas, potenciadores de sabor, aromatizantes, auxiliares de panificación, edulcorantes sintéticos, controladores de pH, conservantes, espesantes y gelificantes, estimulantes, secuestrantes, antiaglutinantes y acidificantes. Si bien en el mundo actual los aditivos alimentarios son cada vez más utilizados, también es verdad que cada vez hay un mayor rechazo social hacia ellos, debido a que en la mayoría de los casos no se conocen suficientemente sus efectos toxicológicos a largo plazo. Numerosos organismos internacionales relacionados con la alimentación y la salud (FAO, OMS, FDA), han propuesto el establecimiento de una «Dosis Diaria Admisible» DDA para los aditivos alimentarios que se define como «La dosis máxima diaria que podría ser ingerida de un aditivo sin que se produzcan efectos adversos sobre la salud a corto o largo plazo». La determinación de la DDA no es tarea fácil, ya que debe realizarse por experimentación en animales y extrapolación posterior al hombre con los coeficientes de seguridad adecuados. 7. Los pesticidas son compuestos químicos de estructura compleja que se utilizan para el control de plagas. Se clasifican en base a su grupo funcional, siendo los más importantes los Organoclorados (Derivados clorados de los hidrocarburos), los Organofosforados (ésteres orgá-

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nicos del ácido fosfórico) y Carbamatos (Derivados del ácido carbámico). Otro tipo importante lo constituyen los derivados del ácido fenoxiacético, utilizados ampliamente como herbicidas. Respecto a su toxicidad para el hombre se clasifican en cuatro clases de acuerdo con su DL-50 (Dosis letal al 50% por vía oral). CLASE A: CLASE B: CLASE C: CLASE D:

De baja peligrosidad Nocivos Tóxicos Muy tóxicos

> 2000 mg/kg 2000-200 mg/kg 200-20 mg/kg < 20 mg/kg

Ejemplos característicos de cada clase serían: CLASE A: CLASE B: CLASE C: CLASE D:

Acido 2,4 – fenoxiacético (>2000 mg/kg) Carbaril (540 mg/kg) Lindano (125 mg/kg) Paratión (8 mg/kg)

8. Los problemas de la Contaminación del Agua pueden agruparse en 5 grupos: — Problemas relacionados con la concentración de oxígeno en el agua. — Problemas de eutrifozación debidos al aporte de nutrientes procedentes de detergentes y fertilizantes. — Problemas de contaminación por productos químicos tóxicos: pesticidas, bifenilos policlorados, metales pesados, etc. — Problemas de contaminación del agua de mar por vertidos de petróleo. — Problemas relacionados con la existencia de patógenos. 9. Se definen como energías alternativas aquellas nuevas fuentes, que pueden sustituir a las energías clásicas (madera, carbón, petróleo, fisión nuclear, etc.). Las más prometedoras son: Fusión Nuclear Ventajas: — Combustible prácticamente ilimitado (D2O del agua del mar). — Menor peligrosidad de los residuos radiactivos que los producidos en la fisión nuclear. — Obtención de hidrógeno, como subproducto que podría utilizarse como combustible limpio.

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Desventajas: — Posibilidad de aplicación aún lejana. Sólo se han realizado reacciones de fusión a pequeña escala. — Los problemas tecnológicos de su aplicación comercial, todavía no se han comenzado ni siquiera a plantear. Energía Solar (Directa e Indirecta) Ventajas: — Combustible ilimitado — Seguridad y limpieza. Desventajas: — Muy bajo rendimiento en la transformaciones a otro tipo de energía. — Costes de mantenimiento elevado. — Problemas de almacenamiento. Energía Geotérmica Ventajas: — De fácil transformación en energía eléctrica. — Fuente casi ilimitada. Desventajas: — Los depósitos geotérmicos están situados de forma aleatoria. — Dificultades en la explotación tecnológica. (Problemas de corrosión de materiales). 10. Con frecuencia a la Química se le considera por muchos como la responsable directa del deterioro del medio ambiente, debido a la producción de ingentes cantidades de productos químicos más o menos tóxicos o peligrosos. Los tipos principales de problemas ambientales que son consecuencia de la actividad industrial se pueden concretar en: 1.o La fabricación de productos intrinsecamente peligrosos, ya sea como productos intermedios, o en algunos casos como productos finales. 2.o Los problemas de exposición a dichos productos no solo de los trabajadores que intervienen en el proceso productivo sino también de los habitantes de las zonas próximas.

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3.o Los problemas derivados de posibles accidentes de los que pueden resultar afectados, en mayor o menor grado, un amplio sector de población, que se conocen cómo «Accidentes mayores». 4.o Los problemas derivados de los residuos, procedentes de la producción y/o utilización de estos productos, en especial los de bioacumulación en la cadena alimentaria. Sin embargo, como se dijo en la Conferencia sobre el Medio Ambiente Humano celebrada en Estocolmo en 1972, la pobreza y la escasez de recursos son los mayores contaminantes actuales de la Humanidad que no podrán ser erradicados sin la valiosa ayuda de la Ciencia y la Tecnología, de las que la Industria Química es una parte muy importante. 11. Solución: El consumo anual de petróleo será: 85 · 106 (Barr/d) · 0,159 (m3/Barr) · 365 (d/a) = 4,93 · 109 m3/a Las dimensiones del tanque (D = Diámetro) serán: V = (3,1416 D3/4) = 4,93 · 109 m3 D = 1,845 · 103 m La cantidad de energía generada por el petróleo sería: 4,93 · 109 (m3/a) · 103 (L/m3) · 35 · 106 (J/L) 0,33 = 5,70 · 1019 J/a La cantidad equivalente de U-235 será: U − 235 =

5, 70 ⋅ 1019 J / a = 2,10 ⋅ 106 ( kg / a) de U-235 8, 2 ⋅ 1013 J / kg ⋅ 0, 33

En tanto que los Kg de petróleo serán: 4,93 · 109 (m3/a) · 987 (kg/m3) = 4,86 · 1012 kg/a 12. Solución: La relación entre las expresiones de la concentración en ppm y en μg/m3, puede deducirse aplicando la ecuación general de los gases y viene dada por: M ⋅ 103 ⋅ ppm, donde 22, 4 M = Masa Molecular del contaminante μg / m3 =

En este caso una concentración de 9 ppm equivale a: 9 ⋅ 28 CO = ⋅ 103 = 11250 μg / m3 22, 4

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13. Solución: a) Las presiones parciales de CO y O2 serán respectivamente Pco = 100 RT y Po2 = 210000. RT, por lo tanto: 100 [COHb] = 210 ⋅ 210000 [O2Hb]

y por otra parte [COHb] + [O2Hb] = 1, luego [COHb] sat = 9,1%

b) Análogamente para una concentración de CO de 1 ppm tendremos: 1 [COHb] = 210 ⋅ 210000 [O2Hb] [COHb] + [O2Hb] = 1, luego [COHb]⋅ < 0,1%

Se observa la enorme diferencia en el grado de oxigenación de la sangre en uno y otro caso. 14. Solución: El calor de combustión de 1 kg de gas licuado sería: 800 g ⋅ 2220 kJ 1 mol 200 g ⋅ 2880 kJ 1 mol ⋅ + ⋅ = 50, 295 kJ / g mol 44 g mol 58 g o bien < > 50295 kJ/kg

Por tanto los kg de gas consumidos para producir 100 MW serán: 100 ⋅ 106 J/s = 6, 02 (kg/s) 50295 kJ/kg ⋅ 103 J/kJ ⋅ 0,33

Las reacciones de combustión son: C3H8 + 5 O2 → 3 CO2 + 4 H2O C4 H10 + 13 / 2 O2 → 4 CO2 + 5 H2O

Los kg de CO2 producidos por segundo por el propano serán: 6, 02 ⋅ 0, 80 kg 3 ⋅ 44 ⋅ = 14, 46 kg/s CO2 s 44

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y los kg de CO2 producidos por el butano: 6, 02 ⋅ 0, 20 kg 4 ⋅ 44 ⋅ = 3, 65 kg/s CO2 s 58

Los Kg de CO2 totales serán: 14, 46 + 3, 65 = 18,11 kg/s de CO2 < > 1,56 ⋅ 106 kg/d de CO2

El volumen de la semiesfera será: V=

π D3 = 2, 61 ⋅ 1011 m3 6 2

El incremento de la concentración de CO2 será: ΔCO2 =

1, 56 ⋅ 106 kg = 5, 97 ⋅ 10 −6 kg/m3 2,61 ⋅ 1011 m3 < > 5,97 mg/m3

15. Solución: Volumen del garaje: V = 5 ⋅ 3 ⋅ 3 = 45 m3

Para alcanzar una concentración de 1000 ppm, necesitaríamos un volumen de CO en CN (P = 101,33 kPa y t = 0 oC) de: V=

1000 ⋅ 45000 = 45 l de CO 106

que equivale a: 45 l ⋅ 28 (g/mol) = 56,25 g de CO 22,4 (l/mol)

Teniendo en cuenta la reacción de combustión: C8H18 + (17 / 2) O2 → 8CO + 9 H2O

Los 56,25 gramos de CO equivalen a: 56, 25 ⋅ 114 = 28,6 g de gasolina 224

Capítulo 2 CONTAMINACIÓN ATMOSFÉRICA. LA ATMÓSFERA Y LOS CONTAMINANTES ATMOSFÉRICOS

Objetivo general: En este tema se estudia la atmósfera, su composición, propiedades y regiones, así como los principales contaminantes atmosféricos y sus fuentes. Objetivos específicos: 1. Relacionar la variación de la presión y temperatura atmosféricas con la altura. 2. Justificar el valor de la temperatura en la superficie terrestre. 3. Conocer las principales reacciones fotoquímicas que ocurren en la atmósfera. 4. Distinguir los componentes naturales de la atmósfera de los contaminantes atmosféricos. 5. Justificar los diversos métodos utilizados en la clasificación de contaminantes. 6. Definir los conceptos de emisión e inmisión. 7. Conocer los efectos de los contaminantes atmosféricos sobre el ser humano y su medio ambiente. 8. Relacionar la aparición del « smog fotoquímico» con la circulación de vehículos automóviles y la luminosidad atmosférica. 9. Establecer la relación entre el tamaño de partícula y los efectos biológicos que produce. 10. Justificar las características comunes a todos los episodios agudos de contaminación atmosférica.

2.1. LA ATMÓSFERA La atmósfera es la envoltura gaseosa que rodea nuestro planeta aislándole del ambiente hostil del espacio exterior. Los gases que constituyen la atmósfera se encuentran confinados en una determinada región espacial, en virtud de la fuerza atractiva originada por el campo gravitatorio terrestre. La atmósfera absorbe los rayos cósmicos y gran parte de la radiación ultravioleta, sirviendo de escudo protector contra sus efectos. También desempeña un papel esencial en el mantenimiento del balance térmico de la tierra y actúa como un componente básico del ciclo hidrológico, ya que transporta agua desde los océanos a la tierra y actúa como condensador de una gigantesca máquina térmica, que toma calor del Sol. La atmósfera es una fuente que provee del CO2 necesario para la fotosíntesis de las plantas, del O2 preciso para la respiración de la mayor parte de los seres vivos y del N2 con que determinadas bacterias inician la síntesis de proteínas. La composición local de la atmósfera varía con la altitud y latitud y, para un punto dado, con la estación del año, actividad solar, etc. Además de los componentes indicados en la Tabla 2.1, el aire atmosférico contiene cantidades variables de vapor de agua, que oscilan entre un 0,1 y un 5 por 100 en volumen. El aire atmosférico está formado, por tanto, por dos componentes mayoritarios, nitrógeno y oxígeno, así como por tres componentes minoritarios, argón, dióxido de carbono y vapor de agua, estando presentes a nivel de trazas una gran variedad de sustancias.

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TABLA 2.1. Composición del aire natural seco Sustancia Nitrógeno ..................... Oxígeno ....................... Argón........................... Dióxido de carbono....... Neón ............................ Helio ............................ Metano ......................... Kriptón ......................... Hidrógeno ....................

%volumen 78,08 20,95 9,34. 10–1 3,14. 10–2 1,82. 10–3 5,24. 10–4 2,00. 10–4 1,14. 10–4 5,00. 10–5

Sustancia Oxido nitroso ................ Dióxido de nitrógeno ..... Monóxido de carbono ... Xenón........................... Amoníaco ..................... Dióxido de azufre.......... Ozono.......................... Iodo ............................. Otros hidrocarburos ......

%volumen 2,5. 10–5 ~ 10–5 ~ 10–5 8,7. 10–6 ~ 10–6 ~ 2. 10–6 Trazas Trazas Trazas

2.1.1. Regiones de la atmósfera En la atmósfera de nuestro planeta pueden distinguirse cinco regiones, denominadas troposfera, estratosfera, mesosfera, termosfera o ionosfera y exosfera. Las características más importantes de las primeras se indican en la Figura 2.1. Troposfera, estratosfera y mesosfera presentan una composición prácticamente constante en el tiempo, por lo que en conjunto se denominan homosfera, en tanto que la composición de las dos últimas experimenta grandes variaciones, recibiendo en conjunto el nombre de heterosfera. En la troposfera la composición del aire seco es muy homogénea, debido a la intensa mezcla provocada por la constante circulación de masas de aire. El contenido de vapor de agua, sin embargo, varía grandemente a causa de la formación de nubes, precipitaciones, y evaporación desde las grandes masas de aguas superficiales. En la troposfera la temperatura del aire desciende desde el nivel del mar hasta el borde exterior o tropopausa. La especie química más característica de la estratosfera es el ozono, que es producido por la reacción fotoquímica O2 + hv → O · + O · en la que la longitud de onda λ de la radiación excitante debe ser menor de 242 nm, seguida de la reacción: O · + O 2 + M → O3 + M en la cual M representa cualquier especie tal como N2, O2, que absorba el exceso de energía que acompaña a la reacción. La región en la cual se encuentra la máxima concentración de ozono es la comprendida entre 25-30 km de altura (ozonosfera).

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110 Termosfera

N2, O+2, O+ O, NO, O2, e–

100

Mesopausa

90

0,0001

N2, O2, O+2, NO+

70 Mesosfera

0,01

60 Estratopausa 50

0,1

Estratosfera 40

N2, O2, O3, (NH4)2SO4

30 20

Tropopausa 10

N2, O2, H2O, Ar, CO2

Troposfera 200

250 Temperatura en ˚K

Presión en kPa

0,001

80

Altura en km.

61

1

10

100

300

FIGURA 2.1. Temperatura, presión y especies químicas más importantes en cada región atmosférica.

Los mecanismos y velocidades de formación del ozono estratosférico son bien conocidos, sin embargo no ocurre lo mismo con los mecanismos naturales por los que el ozono es removido. Reacciones de descomposición del ozono que ocurren en la atmósfera son: O3 + hν → O2 + O · el oxígeno atómico producido reacciona con el ozono para dar oxígeno molecular y atómico. O3 + O · → O2 + 2O Los freones catalizan la reacción anterior de la forma siguiente: O3 + Cl ⋅ → Cl O ⋅ + O2 Cl O ⋅ + O → Cl ⋅ + O2

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Hoy se piensa que el agente más importante para llevar a cabo la descomposición del ozono estratosférico es el óxido nítrico según la cadena de reacciones O3 + NO → NO2 + O2 NO2 + O ⋅ → NO + O2

La destrucción del escudo protector constituido por la ozonosfera permite a esta radiación, de probados efectos cancerígenos, alcanzar la superficie terrestre, de ahí la importancia de mantenerla intacta. Debido a la absorción de luz ultravioleta por el ozono, la temperatura en la estratosfera aumenta con la altitud. En la mesosfera la temperatura decrece nuevamente con la altitud, siendo las especies químicas más características además del O, los cationes O+2 y NO+, difundidos desde la termosfera, en donde la absorción de radiaciones de alta energía, con longitud de onda menor de 100 nm, genera iones diversos y oxígeno atómico, siendo característico de la termosfera el que la concentración de oxígeno atómico sea muy superior a la del oxígeno molecular. La termosfera resulta ser prácticamente opaca a la radiación de longitud de onda menor de 200 nm y, como consecuencia de la absorción de radiaciones, la temperatura aumenta con la altitud hasta alcanzar valores del orden de los 1.200 oC. Ha de hacerse notar que a esta altitud el aire está extremadamente enrarecido, por lo que el valor indicado se ha deducido a partir de la energía cinética media de las partículas. La exosfera es el límite exterior de la atmósfera, y en ella algunas partículas adquieren energía suficiente como para describir órbitas hiperbólicas y escapar de la atracción del campo gravitatorio terrestre, penetrando en el espacio exterior. De forma análoga, otras partículas procedentes del espacio exterior son atrapadas por la gravitación terrestre, por lo que en la exosfera tiene lugar un cierto intercambio de masa con el exterior. Por lo que se refiere a la presión atmosférica, varía de una manera uniforme desde 1 atmósfera a nivel del mar (101,33 kPa), a valores inferiores a 10–5 kPa en los límites de la termosfera, que corresponde, como ya se ha indicado, a una atmósfera muy enrarecida.

2.1.2. Balance térmico terrestre El sol se comporta como un inmenso reactor nuclear, en el que mediante reacciones de fusión se produce un continuo desprendimiento de energía, que es irradiada hacia el espacio exterior en forma de ondas

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electromagnéticas. La distribución espectral de estas ondas corresponde muy aproximadamente a la radiación emitida por un cuerpo negro a 6000 K. La cantidad de radiación emitida por un cuerpo negro por unidad de superficie (E) viene dada por la ley de Stefan E = σT4 donde σ es una constante y T la temperatura absoluta de la superficie emisora. La energía emitida lo es en un amplio margen de longitudes de onda λ, como se ve en la Figura 2.2, y puede ser dividida en las siguientes tres regiones espectrales: • Longitudes de onda > 0,7 μm correspondientes a radiación infrarroja que suponen un 48% del total. • Longitudes de onda de 0,4 a 0,7 μm, región del visible, que representan un 43% del total. • Longitudes de onda < 0,4 μm que corresponden a las radiaciones ultravioleta, y de rayos X, que constituyen el 9% de la radiación total emitida. Aproximadamente el 99% de la radiación emitida por el sol corresponde a las longitudes de onda comprendidas entre 0,15 y 4 μm, estando el máximo de emisión a unos 0,5 μm (luz azul-verdosa). Una superficie expuesta perpendicularmente a los rayos del sol a la distancia que separa el sol de la tierra recibiría, de no existir atmósfera, una energía de 1,34 kW/m2, valor que se denomina constante solar.

0

0,4

Infrarojo

Visible

Energía

Ultravioleta

Si toda la energía anterior alcanzara la superficie terrestre y fuera retenida, haría mucho tiempo que la tierra se hubiera vaporizado. Afortunadamente existe un sistema complejo de factores que mantiene el balance térmico terrestre en los límites necesarios para que existan unas condiciones climáticas que permitan la vida en la tierra.

0,8 1,2 1,6 Longitud de onda en μm

2,0

2,4

2,8

FIGURA 2.2. Distribución de la intensidad de radiación con la longitud de onda para un cuerpo negro cuya superficie está a 6.000 K (temperatura de la capa exterior del sol).

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De forma simplificada, los mecanismos por los que la temperatura media de la tierra se mantiene en los valores actuales, son los siguientes: Alrededor del 50% de la radiación incidente sobre la tierra llega a la superficie terrestre bien directamente o después de ser dispersada por las nubes, los gases atmosféricos, o las partículas. El otro 50% es reflejado directamente por la atmósfera, o bien es absorbido por ésta y después emitido al espacio. De la radiación incidente sobre la superficie terrestre, una fracción es reflejada en ella constituyendo el albedo, en tanto que el resto es absorbida, y se utiliza en provocar el movimiento de las masas de aire, mantener el ciclo hidrológico, y proveer de energía a todos los procesos vitales que ocurren en la tierra. El poder reflexivo de la superficie varía de unos puntos a otros según se indica en la Tabla 2.2, observándose que las zonas provistas de vegetación presentan un valor local de albedo muy inferior a las desertizadas. Para la tierra en su conjunto, conocido como, albedo planetario, el valor es aproximadamente del 15%. TABLA 2.2. Albedos de diferentes superficies Superficie Nieve fresca Nieve primavera Arena Masas forestales y vegetación Tierra seca Ciudades y rocas Tierra húmeda Agua en calma

Albedo en % Más del 90 40 35 10-25 12-20 12-18 10 2

Si comparamos la longitud de onda de la radiación emitida por la superficie terrestre, con respecto a la que recibe del sol, comprobaremos que ésta última es menor. De hecho, como ya hemos dicho, el máximo de emisión de la radiación procedente del sol corresponde a 0,5 μm, región visible, mientras que la radiación emitida por la superficie terrestre tiene un máximo de intensidad a unos 10 μm, región infrarroja. Es decir, la tierra pierde energía en forma de radiación electromagnética de más pequeña energía por fotón, lo cual es muy importante para mantener el balance térmico terrestre, ya que el dióxido de carbono y el vapor de agua contenidos en la atmósfera son bastante transparentes para la radiación de longitud de onda comprendida en la región del visible, donde está contenida la mayor parte de la radiación solar, mientras que presentan una absorción impor-

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tante para la radiación infrarroja emitida por la superficie terrestre, que de otra manera se perdería en el espacio. Sin esa absorción de la radiación infrarroja, la temperatura media de la superficie terrestre sería de –40 oC. En concreto el dióxido de carbono que absorbe intensamente entre 12 y 16,3 μm juega un papel muy importante en mantener el balance térmico, tanto es así, que existe gran preocupación sobre los problemas que se pueden derivar de un incremento en los niveles de dióxido de carbono en la atmósfera, lo que provocaría un ligero aumento de la temperatura terrestre. Este es el conocido efecto invernadero originado primeramente por la combustión de los combustibles fósiles y por la desforestación del planeta. En la Figura 2.3 se representa de forma esquemática el efecto invernadero y en la Tabla 2.3 las características de los principales gases invernadero. TABLA 2.3. Características de los principales gases invernadero Magnitud

CO2

N2O

CH4

CFC-11

CFC-12

Concentración en ppm en (v/v). Época preindustrial

280

0,28

0,79

Concentración en ppm en (v/v). En la actualidad

353

0,31

1,72 0,28 × 10–3 0,48 × 10–3

Tiempo de residencia en años

230

160

14,4

60

120

Potencia de calentamiento global relativo (en base a pesos)

1

180

10

1.300

3.700

Potencia de calentamiento global relativo (en base a moles)

1

180

3,87

4.000

10.000

Contribución al total del efecto invernadero (% medios)

50

6

18

14*

Incremento anual (% medio)

0,5

0,25

0,9

4*

0

0

* Todos los CFCs.

Radiación solar

Radiación infraroja

Radiación reflejada Atmósfera

FIGURA 2.3. Representación esquemática del efecto invernadero.

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2.1.3. Química de la atmósfera Puesto que la atmósfera es parcialmente transparente, todos sus componentes se ven sometidos a una exposición prolongada a la radiación solar, cuya absorción puede originar reacciones químicas que no tendrían lugar en las mismas condiciones de temperatura en ausencia de luz, lo que pone de manifiesto la importancia de este tipo de reacciones en el análisis de la dinámica atmosférica. Estas reacciones reciben el nombre de reacciones fotoquímicas y juegan un papel importante en la composición y propiedades de la atmósfera. En las reacciones fotoquímicas hay una primera etapa de excitación de una especie química mediante la absorción de un fotón de radiación electromagnética de longitud de onda adecuada. La especie excitada es inestable y se descompone espontáneamente de diversas maneras dando lugar a diferentes tipos de reacciones fotoquímicas: luminiscencia, fotosensibilización, fotoionización o fotodisociación, por citar solo las más importantes. Veamos a continuación algunas de estas reacciones. En las reacciones de luminiscencia, la especie activada se estabiliza mediante la emisión de radiación electromagnética de longitud de onda en la zona visible del espectro electromagnético. Dicha emisión se puede realizar de dos maneras, inmediatamente después de la absorción y recibe el nombre de fluorescencia, o al cabo de un cierto tiempo y recibe el nombre de fosforescencia. Por ejemplo: Etapa 1a Etapa 2a

NO2 + hν → NO*2 NO*2 → NO2 + hv’

donde ν ≠ ν′

A veces la primera etapa se produce mediante una reacción química. En este caso el fenómeno se denomina quimiluminiscencia. Por ejemplo: Etapa 1a Etapa 2a

O3 + OH → OH* + O2 + O OH* → OH + hν

La luminiscencia y la quimiluminiscencia son los responsables de diversos fenómenos luminosos en el cielo. En la fotosensibilización hay una transferencia intermolecular de energía de la especie activada a otra especie química: O*2 + Na → O2 + Na* Esta reacción es responsable del fenómeno de luminiscencia que puede aparecer en atmósferas marinas. En otros casos se produce una transferencia intramolecular: XY* → X*Y

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Este es el caso de la isomerización espontánea del o-nitrobenzaldehído a ácido o-nitrosobenzoico. La fotoionización consiste en la salida de un electrón de la especie activada, con lo que se produce su ionización. Por ejemplo: N*2 → N+2 + e– Los iones formados en estos procesos son muy reactivos, por lo que únicamente existen en las altas regiones donde la atmósfera está suficientemente enrarecida, y el recorrido medio de las especies es relativamente grande. Estas reacciones tienen una notable influencia sobre el campo magnético terrestre, cuya manifestación más conocida son los cinturones de Van Allen. Por último, las moléculas excitadas pueden originar un fenómeno de fotodisociación produciendo átomos y radicales libres. Por ejemplo: O*2 → O + O CH3 − CHO* → CH3 + ⋅ CHO

Estas especies poseen electrones desapareados, son extraordinariamente reactivas y pueden participar en reacciones en cadena de gran importancia en la química atmosférica. También es de gran relevancia el efecto catalítico que ejercen ciertas especies sobre el equilibrio de formación/descomposición del ozono indicado anteriormente.

2.2. CONTAMINANTES ATMOSFÉRICOS Contaminar, según el diccionario de la Real Academia Española de la Lengua, significa alterar la pureza de alguna cosa, como las aguas, el aire, los alimentos, etc. De acuerdo con esta definición, contaminación ambiental será alterar, deteriorando, nuestro medio ambiente, y contaminante atmosférico, cualquier agente que altere la pureza de la atmósfera. La contaminación atmosférica ha sido definida en términos mucho más específicos por numerosos autores y Organismos, recogiéndose a continuación algunas de estas definiciones, que pueden considerarse como más completas. Así para la ASTM (American Society for Testing and Materials) la contaminación atmosférica es la presencia en la atmósfera de sustancias no deseables, en concentraciones, tiempo y circunstancias tales que pueden afectar significativamente al confort, salud y bienestar de las personas o al uso y disfrute de sus propiedades.

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La norma francesa NF-X-43001 establece que contaminación atmosférica es la presencia de impurezas en el aire que pueden provocar un perjuicio notable para la salud, la comodidad o los bienes humanos. Esta contaminación puede deberse a gases, vapores, partículas sólidas o líquidas e incluso a radiaciones. En España la Ley 38/1972, de 22 de diciembre, de Protección del Ambiente Atmosférico (B.O.E. n.o 309, de 26 de diciembre de 1972), en el punto segundo de su artículo primero, establece que «se entiende por contaminación atmosférica, la presencia en el aire de materias o formas de energía que impliquen riesgo, daño o molestia grave, para las personas y bienes de cualquier naturaleza», definición que se ha mantenido en el artículo 1 punto 2.o de la Ley 16/2002 de 1 de julio de Prevención y Control Integrados de la Contaminación, que hoy por hoy sirve como primera referencia en los temas de control de la contaminación atmosférica. Rasgo común de las definiciones anteriores es que todas ellas hacen referencia a los perjuicios ocasionados por los agentes contaminantes tanto sobre las personas, como sobre sus pertenencias. Esto significa que la mera presencia en el aire de sustancias extrañas a su composición habitual no debe interpretarse en sí como una contaminación, sino en cuanto que dicha presencia sea susceptible de afectar de alguna manera al hombre o sus propiedades. En este sentido apunta también, de forma más explícita, la definición dada por el Consejo de Europa, al determinar que sólo cuando los conocimientos científicos actuales permitan establecer de forma clara el efecto perjudicial de un determinado agente, es dado considerarlo como contaminante.

2.2.1. Clasificación general de los agentes contaminantes De acuerdo con sus características, los agentes contaminantes pueden clasificarse en tres grandes grupos: agentes contaminantes biológicos, físicos y químicos. Los contaminantes biológicos son agentes vivos, tales como virus, bacterias, hongos, insectos, etc. En determinados ambientes laborales pueden cobrar gran importancia, siendo causa de diversas enfermedades profesionales, como el ántrax, la brucelosis, etc., pero a nivel atmosférico global no se consideran. Los agentes contaminantes físicos son manifestaciones energéticas agresivas, que pueden tener lugar en el medio ambiente y ser causa de alteraciones de la salud. Dentro de este campo pueden considerarse las

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radiaciones, tanto corpusculares como electromagnéticas, el ruido, las vibraciones o las excitaciones térmicas. En general pueden considerarse contaminantes de influencia muy localizada. Finalmente, los agentes contaminantes químicos incluyen todas aquellas sustancias contaminantes que carecen de vida propia, constituyendo este grupo el objetivo fundamental de los siguientes apartados.

2.2.1.1. Clasificación de los contaminantes químicos No es fácil establecer una clasificación de los diferentes contaminantes químicos dada su variedad y la diversidad de los efectos que producen, debido a lo cual se han intentado diversas clasificaciones. Aquí se hará referencia sólo a dos de ellas, que atienden a su estado de agregación y a su importancia cuantitativa. a) Clasificación según el estado de agregación Los contaminantes químicos pueden encontrarse en el ambiente como sólidos, líquidos y gases, y en la atmósfera, en concreto, se encuentran formando un sistema aire-agente contaminante y, según el estado de agregación de este último, dan origen bien sea a aerosoles o bien a sistemas gas-aire. Los sistemas gas-aire son homogéneos y están formados por la disolución de contaminantes diversos, perteneciendo a esta categoría agentes químicos de gran importancia cuantitativa, como los óxidos de azufre, los óxidos de nitrógeno o el monóxido de carbono. Los aerosoles son una dispersión de partículas sólidas o líquidas, finamente divididas, en un medio gaseoso. El margen de tamaños corresponde a velocidades de sedimentación despreciables. Pueden clasificarse, a su vez, en las siguientes categorías: 1) Sistemas sólido-aire: Polvo (Dust): Suspensión de partículas de pequeño tamaño, entre 10–3 μm, y 102 μm, y forma totalmente irregular, que proceden de una disgregación, trituración o pulverización. Fibra (Fibre): Suspensión de partículas procedentes de una disgregación, cuya longitud supera en cinco veces a las otras dimensiones. Hollin (Soot): Suspensión de partículas ricas en carbono, de pequeño tamaño y forma aproximadamente esférica, que proceden de una combustión incompleta.

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Humo (Fume): Suspensión de partículas de tamaño inferior a 1 μm, procedentes de la condensación de vapores producidos en procesos industriales o de combustión. Humo (Smoke): Término que describe productos residuales de la combustión (cenizas), inquemados, o ambos. Pueden ser sólidos o líquidos. 2) Sistemas líquido-aire: • Niebla (Mist): Suspensión de gotitas líquidas originadas por la condensación de vapor de agua sobre partículas higroscópicas suspendidas en el aire que actúan como núcleos de condensación. Su margen de tamaños es amplio y oscila entre 10–2 μm y 5.102 μm. • Bruma (Fog): Suspensión de gotitas líquidas, originadas por condensación de vapores o por dispersión de agua, visibles a simple vista. En días de mucho calor puede también originarse por la volatilización de aceites esenciales de la vegetación. • Calina húmeda (Damp Haze): Formada por pequeñas gotitas de agua o por particulas muy higroscópicas en el aire y que reducen algo la visibilidad horizontal. La niebla y la bruma dan a la atmósfera un aspecto opalescente, en tanto que las partículas que originan la calina producen un color azulado cuando se ven sobre un fondo oscuro, o, amarillento, cuando se ven sobre un fondo claro. • «Smog»: Es un término derivado de los vocablos ingleses «smoke» y «fog», que se aplica para designar una combinación de bruma natural y humos. Cuando se intensifica por procesos fotoquímicos originados por la radiación solar, se denomina «smog» fotoquímico o bruma fotoquímica. b) Clasificación según su importancia cuantitativa Según su importancia cuantitativa los agentes químicos se clasifican en contaminantes mayoritarios o minoritarios. Estos últimos se vierten a la atmósfera en pequeñas cantidades, aunque su presencia a nivel de trazas puede ya originar efectos contaminantes, en tanto que los primeros se vierten a la atmósfera en cantidades fabulosamente grandes. Entre los contaminantes mayoritarios se encuentran los óxidos de azufre, los óxidos de nitrógeno, el monóxido de carbono, las partículas en suspensión y los hidrocarburos. En la Tabla 2.4 se presentan las principales fuentes de emisión de estos contaminantes y los porcentajes de las mismas correspondientes a fuentes naturales y antropogénicas. Entre los contaminantes minoritarios más corrientes se encuentran los metales y compuestos metálicos, el cloro molecular y el cloruro de hi-

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drógeno, los compuestos de flúor, los sulfuros de hidrógeno y de carbono, el ozono, así como compuestos orgánicos diversos. TABLA 2.4. Contaminantes atmosféricos mayoritarios. Emisiones natural y antropogénica % del total de las emisiones de Contaminante

Principales fuentes de las emisiones de origen antropogénico expresados en %

Origen natural

Origen antropogénico

Partículas

89

11

Industria Combustión en fuentes fijas

51 26

Dióxido de azufre

55

45

Combustión en fuentes fijas (principalmente carbón) Industria

78 18

Transporte * Incendios agrícolas

75 9

Transporte * Combustión en fuentes fijas

52 44

Transporte * Industria Evaporación de disolventes orgánicos

56 16

Monóxido de Carbono

91

9

Dióxido de nitrógeno

—

100

Hidrocarburos

84

16

9

* Principalmente vehículos automóviles.

2.2.2. Fuentes de contaminantes atmosféricos La contaminación atmosférica surge por emisión de materiales a la atmósfera, ya sea desde un foco, o conjunto de focos, pudiendo ser éstos localizados o difusos, y constituyendo los materiales emitidos la denominada emisión primaria. La emisión secundaria resulta de la primaria como consecuencia de transformaciones químicas. El concepto de inmisión, por otra parte, hace referencia a la concentración de contaminantes, procedentes de las diversas fuentes, a nivel del suelo. En la Tabla 2.5 se representan las emisiones totales en España de diversos contaminantes mayoritarios para los años 2000 y 2003, último disponible a la entrega del original, expresados en miles de toneladas, y en la Figura 2.4. las reducciones conseguidas en los países de la UE desde 1990 al 2000 para las emisiones de SO2, NOx, COVs y NH3, y las previsiones hasta 2020 de acuerdo con la directiva sobre techos nacionales de emisión.

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TABLA 2.5. Emisiones totales en miles de toneladas, de diversos contaminantes mayoritarios en España. Años 2000 y 2003 Contaminante

Emisiones Totales en miles de toneladas

Oxido de azufre Oxido de nitrógeno Monóxido de carbono Compuestos orgánicos volátiles (no metánicos)

Año 2000

Año 2003

1.592 1.299 3.706

1.343 1.562 2.594

2.620

2.735

La emisión de monóxido de carbono se debe fundamentalmente al transporte, siendo los vehículos accionados por motor de explosión y que emplean gasolina como combustible, los principales responsables de la misma. Cuando el combustible es GLP, gases licuados del petróleo, la emisión de CO es mucho menor, aunque sigue siendo de cierta importancia. Los vehículos accionados por motor Diesel emiten cantidades de CO muy inferiores, aunque en este caso es más importante la emisión de óxidos de azufre y de humos. Los generadores de calor son los responsables fundamentales de la emisión de óxidos de azufre, debido a la mayor proporción de este elemento en los combustibles empleados. La emisión de hidrocarburos se produce como resultado de combustiones incompletas o de evaporaciones desde los depósitos de combusti25000 SO2 NOx VOCs NH 3

Kilotoneladas

20000 15000 10000 5000 0

1990

2000

2010

2020

Año

FIGURA 2.4. Reducción en los paises de la UE-25 de las emisiones de SO2, NOx, COVs y NH3 de 1990 a 2000, y las previsiones hasta el 2020 de acuerdo a la directiva sobre techos nacionales de emisiones

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ble, siendo también en este caso el transporte, la actividad fundamentalmente responsable. Los óxidos de nitrógeno se producen como resultado de la combinación del nitrógeno y del oxígeno del aire, a las altas temperaturas que se alcanzan en los procesos de combustión. Finalmente cabe señalar que el empleo de gasolina plomada como combustible para motores de explosión, es responsable de la contaminación por plomo. Se calcula que la combustión de 100 litros de gasolina etilada, que corresponden a un recorrido entre 1.000 y 1.500 km, origina algunas decenas de gramos de plomo. Hay que indicar, sin embargo, que las cantidades de plomo en la atmósfera están disminuyendo en todos los países como consecuencia de las legislaciones más restrictivas respecto al contenido en alquilos de plomo de las gasolinas, y la utilización masiva de gasolinas no plomadas.

2.2.3. Contaminantes mayoritarios y minoritarios Refirámonos primeramente al CO2. El anhídrido carbónico no se ha considerado tradicionalmente como un contaminante puesto que es un componente natural del aire, y en proporciones normales no es nocivo para los seres vivos siendo necesario además para la fotosíntesis en las plantas. Sin embargo, como consecuencia de la combustión de los combustibles fósiles, su concentración en la atmósfera está creciendo en los últimos tiempos de forma muy importante (360 ppm en 1990 y aumentos de 1,3 a 3 ppm anualmente dependiendo de los escenarios que se consideren) siendo en el año 2005 según el Centro Nacional Oceánico y Atmosférico de EE UU de 381 ppm. Todo lo cual ha llevado a que, desde hace algún tiempo, el CO2 se considere un contaminante por las alteraciones que puede provocar debido a su importancia como gas de efecto invernadero que ya hemos comentado. Sólo añadir que se trata del contaminante mayoritario por excelencia del que se emitieron a nivel mundial unos 23000 millones de toneladas el año 2000 y para el que se preven emisiones de 44000 millones de toneladas el año 2030. Excluido el CO2, las emisiones de CO, NOx, hidrocarburos, SOx y partículas suponen más del 90% del problema de la contaminación atmosférica mundial, por lo que seguidamente vamos a considerar brevemente cada uno de los contaminantes citados que son los conocidos como contaminantes mayoritarios. También vamos a referirnos al plomo, que por

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muchos autores se considera dentro de aquellos, siendo sin duda, por afectar a un gran número de personas y por las cantidades que de él se emiten a la atmósfera, el contaminante metálico más importante por el momento. Existen, como ya hemos dicho, otros compuestos que son insignificantes como contaminantes atmosféricos, globalmente hablando, pero que pueden tener importancia a nivel local, y que también merecerían un estudio detallado. Una consideración especial, por sus efectos sobre la capa de ozono, debería dedicarse a los clorofluocarbonos, CFCs conocidos genéricamente como freones. Por otra parte, cuando después consideremos la materia particulada, lo haremos sin entrar a considerar su naturaleza química, que deberían tratarse más en profundidad. Conscientes de los objetivos que pretendemos con este libro, no vamos a considerar los contaminantes minoritarios de forma individual.

2.2.3.1. Monóxido de carbono En áreas urbanas la fuente principal de monóxido de carbono en el aire es el tráfico rodado, esencialmente los vehículos automóviles accionados por motores de explosión y en proporción bastante menor los accionados por motor Diesel. Por tanto, los máximos niveles de CO se producen en áreas congestionadas durante las horas punta, cuando, por otra parte, es mayor el número de personas que están expuestas a este contaminante. En tales ocasiones no es extraño que los niveles de inmisión alcancen valores entre 50 y 100 ppm, que ya afectan significativamente a la salud humana. Como consecuencia de la utilización de catalizadores en los coches, las emisiones totales de CO debidas al tráfico han disminuido notablemente en los últimos años, y seguirá disminuyendo, como consecuencia de los cada vez más estrictos niveles de exigencia para los gases de escape de los automóviles. El origen natural más importante de CO en la atmósfera es la oxidación del metano formado en la descomposición anaerobia de la materia orgánica procedente de los restos de seres vivos. Otra fuente natural de emisión de monóxido de carbono son los grandes incendios de áreas forestales, sabanas, etc. El mecanismo natural previsto para la eliminación del CO es su oxidación a CO2 en las capas altas de la atmósfera mediante la acción de radicales hidroxilo, oxígeno atómico, ozono, etc. También existen en el

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suelo determinados microorganismos que lo transforman en CO2 o en CH4. El principal efecto del monóxido de carbono sobre el hombre y otros animales superiores, es el interferir el transporte de oxígeno por la sangre, ya que reacciona con la oxihemoglobina de ésta, formando carboxihemoglobina que no es apta para transportar oxígeno. O2Hb + CO ⇔ COHb + O2 (K ≅ 210)

Los primeros síntomas de la intoxicación aguda con CO corresponden a una reducción de la consciencia, que se relaciona con el origen de muchos accidentes de tráfico. Para concentraciones crecientes se producen, en primer lugar, trastornos en las funciones del sistema nervioso central, así como disfunciones cardíacas y pulmonares y después coma, fallo respiratorio y muerte. Calles con densidades altas de tráfico pueden presentar concentraciones de 100 ppm de CO, y cantidades aún mayores pueden acumularse en túneles con insuficiente ventilación. Para esos niveles de inmisión ya son observables efectos tales como somnolencia, dolor de cabeza, vértigos y fatigas. Cuantitativamente hablando podríamos concretar de la manera siguiente: Menos de 50 ppm no se observan efectos; de 50 a 100 ppm se observan pequeñas molestias; de 100 a 700 ppm se presentan fuertes dolores de cabeza, reducción de la consciencia, alteraciones del sistema nervioso central. Por último, con más de 700 ppm se producen fallos respiratorios y finalmente la muerte. Otro punto importante a considerar relacionado con los efectos del monóxido de carbono es que puede causar efectos crónicos sobre la salud vagamente definidos, pero que inciden de forma apreciable sobre ésta.

2.2.3.2. Dióxido de azufre Las fuentes principales de SO2 en la atmósfera son la combustión de carbones y de productos derivados del petróleo, tal y como se aprecia en los datos consignados en la Tabla 2.6. Por otra parte, a la atmósfera llega gran cantidad de sulfuro de hidrógeno, procedente de la descomposición de la materia orgánica, que es rápidamente oxidado, H2S + 3/2 O2 → SO2 + H2O

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TABLA 2.6. Contribución aproximada al total de las emisiones de SO2 en EEUU, de las principales fuentes de emisión expresadas en tanto por ciento Fuentes de emision de SO2 Combustión de carbones Combustión de refinados de petróleo Procesos de refinado de petróleo Tratamiento de minerales Varios (Producción de coque, fabricación de H2SO4, incineración de resíduos, etc.)

% 58,2 19,6 5,5 12,2 4,5

El dióxido de azufre es oxidado a trióxido de azufre por el oxígeno atómico o molecular, en este último caso por medio de una reacción fotoquímica. El SO3 formado se disuelve en el vapor de agua formando ácido sulfúrico, componente de la lluvia ácida, o bien forma sulfatos por reacción con el amoniaco o con sales metálicas. La oxidación del dióxido de azufre a trióxido es una reacción exotérmica, SO2 + 1 / 2 O2 ⇔ SO3 ΔH0 < 0

por lo que la conversión de equilibrio disminuye al aumentar la temperatura. Así por ejemplo, por debajo de 400 oC la conversión de equilibrio es casi completa, mientras que a 900 oC no se forma apenas SO3. Lo anterior explica que durante la combustión, se forme casi exclusivamente SO2, produciéndose la oxidación de este gas por el oxígeno procedente del exceso de aire empleado, sólo al enfriarse los humos. Sin embargo, a temperaturas por debajo de 400 oC, la velocidad de reacción es muy pequeña y la cantidad de trióxido de azufre formado no es, en general, importante. La oxidación del SO2 puede ser catalizada por la presencia en los humos de partículas sólidas que contengan óxidos de metales pesados, como óxido férrico, óxido cúprico o pentóxido de vanadio, consiguiéndose en estos casos conversiones prácticamente totales. La presencia en los humos de óxidos de metales pesados suele ser importante en la combustión de algunos carbones y en la del gasóleo, siendo poco probable en la de fracciones más ligeras del petróleo. Los efectos del SO2 sobre el hombre y otros animales superiores se manifiestan fundamentalmente sobre el aparato respiratorio. A concentraciones de 10 ppm produce irritación de nariz y garganta, incremen-

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tando la secreción mucosa y dificultando la respiración. A concentraciones más elevadas origina edema pulmonar y de glotis y a concentraciones de 400 ppm causa la muerte en menos de una hora. En el caso de personas con alteraciones respiratorias o circulatorias, puede producirse la muerte por irritación pulmonar prolongada. Debe tenerse en cuenta que todas las concentraciones citadas son muy superiores a las existentes normalmente en la atmósfera. En la Figura 2.5 se muestran los efectos de la presencia de SO2 en el aire sobre el hombre. Puede observarse que exposiciones continuadas de varios años a niveles de inmisión tan bajos como 0,1 ppm, provocan ya alteraciones detectables en el organismo humano. En cuanto a sus efectos sobre los animales, cabe decir que, en general, son análogos a los citados para el hombre, resultando ser las aves domésticas las más afectadas. En las plantas, el dióxido de azufre produce lesiones con carácter generalmente local, comunicando a las zonas afectadas una coloración característica de tonos amarillos y rojizos. La sensibilidad de las distintas plantas a este contaminante es muy variada, dependiendo además de la intensidad de luz, humedad relativa, temperatura, etc.

40 a

Tiempo de exposición

10 a 1 año

A

B

C

1 mes 4d 1 día 8h

10,0

5,0

2,0

1,0

0,5

0,2

0,1

0,02

0,01

0,005

5 min

Concentración de SO2 (ppm)

FIGURA 2.5. Efectos sobre el hombre de la presencia de SO2 en el aire. Zona A. Sin efectos perjudiciales. Zona B. Alteraciones comprobadas en el organismo. Zona C. Aumento de la morbilidad y mortalidad.

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Dentro de las especies vegetales particularmente sensibles al SO2 pueden citarse la alfalfa, el algodón, las judías, las lechugas y las espinacas. Dentro de las especies forestales, las coníferas se ven particularmente afectadas, pues la presencia de SO2 disminuye su contenido en clorofila. Por lo que respecta a los efectos del SO2 sobre los materiales hay que resaltar que los aerosoles de ácido sulfúrico atacan rápidamente los materiales de construcción especialmente los que contienen carbonatos como es el caso del mármol, piedra caliza, pizarra, etc. El sulfato de calcio, yeso, que se forma, desaparece con el agua de lluvia como consecuencia de su solubilidad, quedando afectados de esta forma los edificios y monumentos. También se ven afectados los materiales metálicos, en los que el SO2 aumenta sus velocidades de corrosión, en especial cuando la humedad relativa supera el 70%.

2.2.3.3. Óxidos de nitrógeno Los tres óxidos de nitrógeno que se encuentran normalmente en la atmósfera son el óxido nitroso N2O, el óxido nítrico NO y el dióxido de nitrógeno NO2. A los dos últimos normalmente se hace referencia en contaminación atmosférica, como NOx. El óxido nitroso, N2O, se produce en la naturaleza por procesos microbiológicos, por lo que es un componente normal en las atmósferas no contaminadas, en las que aparece en concentraciones de 0,25 ppm. En condiciones ordinarias es un gas incoloro, de olor débil y agradable y sabor algo dulce. Se trata de un gas poco reactivo cuya concentración decrece rápidamente con la altitud, debido a la reacción fotoquímica siguiente: N2O + hν → N2 + O y a otras reacciones con el oxígeno atómico N2O + O → N2 + O2 N2O + O → 2NO Por encima de 500 oC se descompone espontáneamente en nitrógeno y oxígeno, por lo que es raro encontrarlo entre las emisiones debidas a los procesos de combustión. Cuando se respira por breve tiempo produce un estado de excitación histérica, acompañado frecuentemente de una estrepitosa hilaridad, seguida de efectos anestésicos, motivo por el cual fue denominado gas hilarante.

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El óxido nítrico, NO, gas incoloro e inodoro y el dióxido de nitrógeno, NO2, gas de olor picante y color pardo-rojizo, son importantes contaminantes atmosféricos, a los que solemos referirnos en conjunto como NOx. Prácticamente todos los NOx de origen antropogénico son resultado de la combustión de combustibles fósiles tanto en instalaciones fijas como móviles. En la Tabla 2.7 se presentan las emisiones totales en España para el NOx expresados en miles de toneladas, para diversos años del periodo 1990-2004, el valor techo previsto para el año 2010, y el porcentaje de reducción en el periodo 2000-2010 necesario para conseguirlo. TABLA 2.7. Emisiones históricas totales de NOx en España en miles de toneladas, valor techo de emisiones previsto para el año 2010, y porcentaje de reducción en el periodo 2000-2010 necesario para conseguirlo Año Contaminante 1990 1993

1998

2000

2004

2010

1221 1256

1246

1318

970

847

NOx

% Reducción necesaria 2000-2010 36,3%

La mayoría del NOx es emitido en forma de NO, debido a la reacción N2 + O2 ⇔ 2NO

cuya velocidad y conversión de equilibrio se incrementan al elevarse la temperatura del proceso. Este óxido nítrico se oxida posteriormente según un proceso complejo y no totalmente conocido, de acuerdo con la reacción global que se favorece a temperaturas bajas. NO + 1 / 2 O2 → NO2

El dióxido formado es removido de la atmósfera fundamentalmente como ácido nitrico y nitratos. En cuanto a los efectos sobre la salud humana de estos compuestos, el óxido nítrico actúa como el monóxido de carbono, reduciendo el transporte de oxígeno por parte de la hemoglobina sanguínea. Sin embargo, en una atmósfera contaminada la concentración de NO es normalmente menor que la de CO, por lo que el efecto de éste último sobre la hemoglobina es el más importante. Los efectos tóxicos del NO2 son superiores a los del NO y varían, lógicamente, con el grado de exposición. Para exposiciones menores de una

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hora, un nivel de 50 a 100 ppm de NO2 causa una inflamación del tejido pulmonar que dura seis a ocho semanas, pasadas las cuales, el individuo normalmente se recobra; mientras que concentraciones de 150 a 200 ppm producen lesiones irreversibles que conducen a la muerte en un plazo de tres a cinco semanas, reduciéndose dicho plazo después de exposiciones a 500 ppm o superiores. Un efecto indirecto de los NOx puede aparecer a través de la destrucción de la ozonosfera, que como se recordará absorbe la peligrosa radiación ultravioleta de longitudes de onda comprendidas entre 220 y 330 nm, lo que se traduciría en un incremento notable en el número de casos de cáncer de piel. Por dicha razón resultan particularmente peligrosas las emisiones de NOx de los motores a reacción que impulsan los aviones comerciales, que vuelan a una altura aproximada de unos 11.000 m siguiendo rutas prácticamente fijas. No debe terminarse la referencia al efecto contaminante de los óxidos de nitrógeno, sin mencionar que contribuyen a la lluvia ácida y que desempeñan un importante papel en la aparición del «smog» fotoquímico, que será posteriormente estudiado. Por otra parte, el N2O contribuye, aunque en pequeña proporción, al efecto invernadero.

2.2.3.4. Partículas en suspensión Algunos autores engloban a los sistemas sólido-aire y líquido-aire, que son denominados en conjunto aerosoles, bajo el nombre genérico de materia particulada. Cuando las partículas poseen carga eléctrica se denominan micelas y su tamaño suele ser inferior a 0,1 μm, o bien materia suspendida, con tamaño inferior a 10 μm. A su vez esta última puede clasificarse en inhalable, con tamaño entre 5 y 10 μm, y respirable, con tamaño inferior a 5 μm. Las partículas suelen clasificarse de acuerdo a sus características físicas, químicas o biológicas. Las características físicas incluyen tamaño, modo de formación y propiedades de sedimentación y ópticas. Las características químicas se refieren principalmente a su composición inorgánica y orgánica, mientras que las características biológicas hacen referencia a su posibilidad de clasificación como bacterias, virus, esporas, pólenes, etc. En la Figura 2.6 se presenta el tamaño de algunos tipos de partículas. Existe una gran variedad de fuentes naturales que contribuyen a la presencia de materia particulada en la atmósfera. Pueden citarse las brumas marinas, las erupciones volcánicas, los incendios naturales, los vientos terrestres, los pólenes, etc. Entre las fuentes debidas a la actividad humana, las más importantes a nivel local son las combustiones, y diversos procesos industriales como cementeras, parques de carbones, etc.

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Efecto más perjudicial sobre los pulmones Polvo de cemento

Humo de tabaco

Cenizas de carbón Humos de aceite Cenizas volantes Emisiones de coches

Partículas resuspendidas del suelo

Niebla de SO2

Niebla Lluvia Polen Pelo humano Arena de playa Brumas marinas

0,01

0,1

1 10 100 Tamaño de partícula en μm

1000

10000

FIGURA 2.6. Tamaño de algunos tipos de partículas. La zona rayada representa los márgenes de tamaño que afectan más negativamente a los pulmones.

Las partículas de tamaño inferior a los 10 μm, que se conocen en conjunto como materia suspendida, son las más peligrosas, puesto que son las únicas capaces de alcanzar los alvéolos pulmonares. Por medio del estudio de muestras de tejido pulmonar de individuos expuestos durante toda su vida a riesgo pulvígeno, se ha calculado la distribución por tamaños de las partículas retenidas por el tejido pulmonar. Los resultados de estos estudios indican que el 50% son partículas de tamaño inferior a 0,5 μm, y el otro 50% son, prácticamente, partículas cuyo tamaño está comprendido entre 0,5 μm y 5 μm. Solo un 0,2% es mayor de 5 μm, y un 0,002% supera los 10 μm. Respecto a las partículas en suspensión es importante conocer el Real Decreto 1073/2002 que adapta la Directiva 1999/30/CE relativa a los valores límites de dióxido de azufre, dióxido de nitrógeno y óxidos de nitrógeno, partículas y plomo en el aire ambiente. Las partículas inhalables son retenidas, en su casi totalidad por la región naso-faríngea y por el epitelio ciliado que recubre los bronquios, siendo eliminadas con las correspondientes secreciones mucosas.

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También se ha estudiado la retención de fibras, encontrándose que la inmensa mayoría de las que acceden a los alvéolos pulmonares son de longitud inferior a 50 μm, resultando despreciable la proporción de las que presentan una longitud superior a 200 μm. La composición química de la materia particulada es muy diversa y sirve para caracterizar el foco emisor. En el caso de atmósferas urbanas su composición es fundamentalmente materia orgánica, así como compuestos de nitrógeno, azufre y de diversos metales, en especial el plomo. Los efectos biológicos causados por las partículas van desde procesos leves, como la simple irritación por depósito en ojos y conductos nasales, pasando por daños de mayor o menor extensión en piel y mucosas a causa de una acción química o puramente mecánica, hasta alteraciones graves del organismo. La principal vía de entrada de las partículas en la especie humana es a través del tracto respiratorio. Las partículas más pequeñas alcanzan los pulmones y son retenidas allí. El sistema respiratorio posee mecanismos para eliminar la materia particulada. Efectos secundarios de las partículas, pero dignos de mención son que reducen la visibilidad, y que actúan como catalizadores de diversas reacciones químicas que ocurren en la atmósfera. No podemos terminar estas consideraciones sobre las partículas atmosféricas, sin referirnos a su importancia, junto con los óxidos de azufre, en la formación del llamado «smog» sulfuroso que ha sido la causa principal de numerosos episodios agudos de contaminación atmosférica como ahora veremos.

2.2.3.5. Hidrocarburos Estas sustancias contienen solo los elementos hidrógeno y carbono, estando relacionado su estado físico con su masa atómica y estructura molecular. Desde el punto de vista de la contaminación ambiental los más importantes son los más volátiles, si bien formando parte del material particulado pueden encontrarse hidrocarburos aromáticos policíclicos sólidos que se sabe son cancerígenos. La mayor parte de los hidrocarburos que se emiten a la atmósfera son de origen natural, habiéndose estimado que sólo la séptima parte proceden de la actividad humana. Los bosques de coníferas y las grandes manchas arbóreas emiten gran cantidad de hidrocarburos y aceites esenciales,

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en especial terpenos. También recibe la atmósfera gran cantidad de metano, como consecuencia de la descomposición anaerobia de los restos orgánicos procedentes de animales y vegetales, originando el llamado gas de los pantanos. Las cantidades de metano que se liberan a la atmósfera anualmente en el mundo se ha estimado en unos 540 millones de toneladas dentro de un rango entre 440 y 640.

{

}

bacterias 2 CH2O ⎯ ⎯⎯⎯ → CO2 + CH 4

Como consecuencia de la actividad humana, la mayor parte de los hidrocarburos emitidos lo son por los automóviles en áreas de alta densidad de población, habiéndose comprobado, además, que un 45 por 100 de los emitidos por éstos presentan una alta reactividad, en tanto que sólo el 15 por 100 de los hidrocarburos emitidos por las restantes fuentes tienen una reactividad equivalente. La contaminación atmosférica debida a los hidrocarburos es grave no tanto por los efectos de los hidrocarburos en sí, como por contribuir a la formación del llamado «smog» fotoquímico, del que nos vamos a ocupar a continuación. También conviene resaltar la contribución importante del CH4 al efecto invernadero. En la actualidad se utiliza con gran profusión el término Compuestos Orgánicos Volátiles (COVs) para referirse a un amplio grupo de compuestos orgánicos que incluye hidrocarburos (alcanos, alquenos y aromáticos), compuestos oxigenados (alcoholes, aldehídos, cetonas, ácidos y éteres) y compuestos halogenados. El metano es uno de los principales componentes de los COVs y normalmente se considera de forma individual ya que además sus efectos son fundamentalmente sobre el calentamiento terrestre.

2.2.3.5.1. El smog fotoquímico Como acabamos de indicar, la mayor incidencia de los hidrocarburos en los procesos de contaminación atmosférica se produce a través de la formación del smog fotoquímico o bruma fotoquímica. El smog fotoquímico se produce cuando en la atmósfera existen hidrocarburos, óxidos de nitrógeno y condiciones atmosféricas propias de los anticiclones estacionarios, es decir, fuerte radiación solar, inversión térmica intensa y a baja altitud, humedad relativa elevada, y calma atmosférica en las primeras horas de la mañana. La formación de smog fotoquímico sigue un mecanismo que encierra las siguientes etapas:

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1) Emisión de NOx e hidrocarburos a la atmósfera, produciéndose una acumulación de estos productos durante las horas nocturnas. 2) Absorción de luz solar, causando la fotodisociación del dióxido de nitrógeno y produciendo oxígeno atómico muy reactivo, con la generación simultánea de especies oxidantes, que incluyen oxígeno atómico, oxígeno molecular activado y ozono, NO2 + hν → NO + O* O2 + O* + M → O3 + M 3) Oxidación de los hidrocarburos presentes en la atmósfera, originando una gran variedad de productos, tales como aldehídos, cetonas, ácidos, peróxidos, etc. O* + RH → productos de oxidación. O3 + RH → productos de oxidación. La condensación de los aldehidos y cetonas formados origina aerosoles, de olor característico, que limitan fuertemente la visibilidad. Otra clase de compuestos formados son lacrimógenos, como el nitrato de peroxiacetilo, PAN en inglés, o el nitrato de peroxibenzoílo, PBN en inglés, que producen una fuerte irritación de los ojos. 4) Dispersión de los contaminantes en la atmósfera. Las reacciones químicas indicadas en la etapa tercera se dan a título de ejemplos sobre procesos que pueden aparecer durante la misma, pero debe resaltarse la extraordinaria complejidad del fenómeno, en el que tienen lugar multitud de reacciones simultáneas no muy bien conocidas. Los efectos más notables de la bruma fotoquímica sobre los seres humanos consisten en la irritación de ojos, garganta y vías respiratorias, con incremento en el número de procesos asmáticos, habiéndose determinado también que concentraciones de oxidantes por encima de 200 μg/m3 originan una disminución en el rendimiento de los atletas. En animales de laboratorio se ha comprobado que acelera el envejecimiento y provoca alteraciones cromosómicas. Los oxidantes originan también daños importantes en las plantas, que van desde el colapso completo de las células, a incrementos en el tiempo de crecimiento y reducción en el rendimiento de las cosechas. Para algunas especies vegetales muy sensibles, el daño puede ocurrir después de una exposición de 8 horas a niveles de ozono de 60 μg /m3, reduciéndose el tiempo indicado si en la atmósfera hay presente simultáneamente algo de SO2.

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Los compuestos análogos al PAN dañan las hojas de las plantas, detectándose sus efectos en algunos casos después de exposiciones a 50 μg /m3 durante 5 horas. También son considerables las pérdidas que origina el ozono al deteriorar diversos materiales, como el caucho natural, debido a los procesos de ozonólisis que origina.

2.2.3.6. El plomo Los alquilos de plomo utilizados para mejorar el Indice de Octano de las gasolinas son la fuente más importante del plomo en la atmósfera ya que representan del 80 al 90% del total de las emisiones de plomo. En los últimos años, como ya hemos indicado, la concentración de plomo en aire ha disminuido notablemente al haberse rebajado los contenidos máximos permitidos de plomo en gasolina y utilizarse cada vez más las gasolinas sin plomo. No obstante la contribución del plomo en aire al total del plomo absorbido por el hombre sigue siendo importante. Por lo que respecta a la toxicología del plomo, se sabe que se trata de un tóxico sistémico que afecta principalmente los sistemas hematopoyético, nervioso y renal. Se ha propuesto un modelo tricompartimiental para explicar la ingestión, absorción y metabolismo del plomo inorgánico en el organismo. El primer compartimiento se puede asimilar a la sangre y contiene de 1 a 1,5 mg de plomo. Existe un intercambio constante de plomo entre este compartimiento y los otros dos a los que nos vamos a referir a continuación. El segundo compartimiento estaría constituido por los tejidos blandos: riñón, hígado, médula ósea, piel, etc., con un contenido total en plomo de unos 0,6 a 1,3 mg. El tercer compartimiento lo formarían los tejidos duros del organismo, principalmente huesos y dientes. Su contenido total sería de unos 100 mg. En cada uno de los tres compartimientos el plomo tiene una determinada vida media de permanencia, que es diferente según los distintos autores y que va de 20 a 35 días en el primer compartimiento, de 100 a 200 días en el segundo y de 3 a 20 años en el tercero. La determinación de plomo en sangre (PbB) sigue siendo un valor analítico muy válido que se relaciona muy bien con la mayoría de los indicadores biológicos. Niveles por encima de 70 μg /100 ml dan lugar a síntomas claros de intoxicación. Hay que hacer constar, sin embargo, que las concentraciones de plomo en sangre reflejan bien la exposición reciente al plomo, pero no sirven como indicador de exposiciones anteriores, pu-

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diendo ocurrir por este motivo que un paciente presente niveles de plomo en sangre normales y a la vez signos claros de intoxicación.

2.2.4. Episodios agudos de contaminación atmósferica Varios sucesos especialmente graves relacionados con la contaminación atmosférica han servido para llamar la atención sobre los daños que la contaminación del aire puede causar a la especie humana, habiéndose puesto de manifiesto de una manera concluyente, que la calidad del aire se puede deteriorar lo suficiente como para afectar más o menos gravemente nuestra salud. Valle del Mosa, Bélgica, 1930 El lunes 1 de diciembre de 1930 la zona del valle del Mosa fue invadida por una niebla que permaneció toda la semana, sufriendo además las consecuencias de una inversión de temperaturas (aunque volveremos sobre este término en el Capítulo III, digamos ahora que es la situación que se presenta cuando el aire atmosférico aumenta su temperatura con la altura). En este valle de unos 4 km de largo con colinas de unos 90 m, existían un gran número de plantas industriales como hornos de coque, fábricas de vidrio, fundiciones de acero, hornos de reducción de cinc y una fábrica de ácido sulfúrico. Tres días después de la aparición de la niebla, los habitantes de la región empezaron a sufrir afecciones de las vías respiratorias, contabilizándose 60 muertos, lo que significó unas 10 veces las cifras habituales para esa época del año. Los casos mortales se produjeron principalmente entre personas de edad avanzada que padecían alguna enfermedad crónica del corazón o los pulmones. Sin embargo, toda la población presentó los síntomas de la enfermedad. Las autopsias confirmaron que el agente causante había sido una sustancia química irritante, o una mezcla, que actuó sobre el epitelio respiratorio. Las sustancias químicas responsables de la enfermedad debieron ser el dióxido de azufre, cuyo contenido, por medidas posteriores, se estimó de 25 a 100 mg/m3 (9,6-38,4 ppm), y los aerosoles de trióxido de azufre. También pudieron contribuir otros compuestos como los fluoruros. Donora, Pensilvania, 1948 En la mañana del martes 26 de octubre de 1948 en la ciudad de Donora, se registró una inversión de temperatura, así como una calma atmosférica caracterizada por una velocidad del viento prácticamente nula. Dicha situación se prolongó por una semana.

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La ciudad de Donora está situada en un valle cerrado del río Monongahela, existiendo colinas de hasta 100 m. Las instalaciones industriales cercanas eran una fundición de acero, una instalación de cinc y una planta de ácido sulfúrico. En aquella época vivían en Donora unas 14.000 personas de los que más de la mitad sufrieron afecciones del aparato respiratorio y se produjeron 20 muertes, cuando lo normal hubieran sido dos. En la mayoría de los casos la enfermedad empezó al tercer día del episodio. Entre los que murieron, varios padecían enfermedades cardíacas o respiratorias. Las autoridades sanitarias hicieron un estudio meticuloso para tratar de relacionar los efectos producidos sobre la salud de las personas y animales domésticos, con la naturaleza y cantidad de los contaminantes en el aire, y las condiciones meteorológicas existentes en el momento de producirse los hechos que comentamos. Las autopsias revelaron irritaciones del tracto respiratorio. Por medidas posteriores se llegó a la conclusión de que la concentración de dióxido de azufre había sido de 1,4 a 5,5 mg/m3 (0,5 a 2,0 ppm). Los meteorólogos se ocuparon del estudio de las condiciones atmosféricas locales durante aquellos días. De todos estos estudios se concluyó que la enfermedad fue producida por el dióxido de azufre y sus productos de oxidación. Londres, Inglaterra, 1952. Del 5 al 9 de diciembre de 1952 la mayor parte de las islas británicas estaban cubiertas por una niebla densa e inversión de temperatura. Una de las áreas afectadas más severamente fue Londres, que está ubicado en un ancho valle del río Támesis. A las doce horas de que una espesa niebla cubriera la ciudad, gran número de habitantes comenzó a presentar problemas respiratorios, ocurriendo además durante el episodio un mayor número de fallecimientos, (de 3.500 a 4.000 muertes más que de ordinario). La enfermedad se presentaba de modo brusco y la mayoría de los casos graves se produjeron al tercer o cuarto día de haber aparecido la niebla casi siempre entre personas de edad avanzada que padecían bronquitis crónica, asma u otras afecciones pulmonares o del corazón. De particular interés fue comprobar que el mayor número de fallecimientos continuó hasta pasadas varias semanas pese a mejorar las condiciones atmosféricas. Se observó una buena correlación entre las tasas de morbilidad y mortalidad correspondientes a los días del suceso, con las cantidades de dióxido de azufre y de partículas en el aire. También se puso de mani-

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fiesto que del total de contaminantes, un 60% provenía de las calefacciones domésticas. Otros episodios agudos de contaminación atmosférica han sido los de Nueva York (1953), Nueva Orleans (1958), Mineápolis (1956), diversas poblaciones (1962) y Tokio (1970). De todos los episodios agudos de contaminación atmosférica estudiados puede concluirse que la calidad del aire de ciudades muy pobladas e industrializadas puede afectar más o menos gravemente la salud de sus habitantes. Existen, además varias coincidencias en todos los casos referidos que son: • Nunca los aumentos de mortalidad y morbilidad se han apreciado mientras estaba ocurriendo el episodio. • Las condiciones metereológicas existentes al producirse los sucesos, reducían el volumen de aire en el que los contaminantes se podían diluir. • La mayoría de los episodios comentados han ocurrido existiendo en el aire pequeñas gotitas de agua, y además parece que se potenciaron los efectos de aerosoles y contaminantes gaseosos. • Antes de 1952 no se realizaron determinaciones de los contaminantes durante los días en que se produjeron las intoxicaciones. • En todos los lugares donde han ocurrido los incidentes a los que nos hemos referido, la investigación retrospectiva ha demostrado que ya se habían producido episodios similares con anterioridad. Además de los episodios comentados, vamos a terminar este apartado refiriéndonos a algunos de los más importantes accidentes que se han producido en la industria química y de los que también se han originado situaciones de contaminación atmosférica agudas. Poza Rica, Méjico, 1950 En este caso el accidente se produjo por la descarga de un gas tóxico a la atmósfera desde una sola fuente. Se trataba de una planta para recuperar azufre a partir de gas natural. La noche del 21 de noviembre de 1950 entró en funcionamiento parte de la planta, uno de cuyos fines era separar el sulfuro de hidrógeno, que después se concentraba para quemarlo. El tiempo era brumoso, con vientos débiles y pequeña inversión térmica. En un momento determinado se produjo un escape inadvertido de H2S que duró unos 20 minutos y al poco tiempo los habitantes cercanos a la fábrica sufrieron los síntomas propios de la inhalación de sulfuro de hidrógeno, que son: pérdida de olfato, tos, disnea, irritación de la conjuntiva, nauseas y vómitos, intenso dolor de cabeza y vértigos. Se

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produjeron 320 hospitalizaciones y 22 muertos. El gas tóxico afectó a personas de todas las edades. En la única autopsia que se practicó se observó congestión y hemorragia de los pulmones con ligero edema. Flixboroug, Reino Unido, 1973 Se trataba de una planta química que fabricaba caprolactama, un precursor químico para la fabricación del nylon. La tarde del sábado 1 de junio de 1974 se produjo accidentalmente el vertido de 40 toneladas de ciclohexano que dieron lugar a una nube de vapor de unos 150 m de diámetro que al contacto con alguna fuente de ignición explotó y destruyó completamente la planta dando lugar a la muerte de 28 trabajadores y 36 heridos. Los resultados habrían podido ser mucho peores si el accidente llega a ocurrir en un día laborable. El fuego continuó durante 10 días más y unos 1800 edificios de los alrededores de la planta en un radio de kilómetro y medio fueron dañados. Seveso, Italia, 1976 En este caso el origen del accidente fue la explosión en una planta que fabricaba el bactericida hexaclorofeno debida al aumento de temperatura en uno de los reactores, lo que dio lugar a la producción accidental y posterior emisión a la atmósfera de unos dos kilos de un compuesto muy venenoso, el 2,3,7,8-tetracloro-dibenzo-p-dioxina o simplemente dioxina. La dioxina se produjo durante la hidrólisis del tetraclorobenceno a triclorofenol y aún hoy siguen sin aclararse las causas. Como consecuencia del accidente no hubo ninguna victima, y si 193 casos de enfermos menos graves, se evacuaron más de 750 personas, muriendo del orden de 3000 animales de granja y otros 70.000 se sacrificaron para evitar que la dioxina entrara en la cadena alimentaria. El suelo afectado se sometió a un proceso de limpieza tan a fondo que hoy presenta niveles de dioxina más bajos que los normales. Bhopal, India, 1984 Se considera por muchos motivos como el peor accidente industrial de la historia. Ocurrió el 3 de Diciembre de 1984. La causa fue la emisión accidental a la atmósfera de varias toneladas de isocianato de metilo procedentes de una industria de fabricación de pesticidas como el Sevin (N-metilcarbamato de α-naftilo). El isocianato de metilo es un líquido incoloro altamente inflamable que se evapora rápidamente cuando se expone al aire produciendo un gas más pesado que aquel que fue el que originó lesiones pulmonares a casi medio millón de personas, de las cuales murieron más de 15.000.

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EJERCICIOS DE AUTOCOMPROBACIÓN 1. Regiones de la atmósfera. Características más importantes de cada una de ellas. 2. Factores que determinan el balance térmico en nuestro planeta. 3. Reacciones más importantes que se producen en la alta atmósfera. 4. Defina los términos: niebla, bruma, calina, y smog. 5. ¿Cuáles son las principales fuentes del monóxido de carbono en la atmósfera? ¿Qué efectos tóxicos produce este contaminante en la especie humana? 6. ¿Qué se entiende por contaminante secundario? Ponga un ejemplo característico. 7. Defina y diferencie los términos: emisión e inmisión. 8. ¿Cuales son los dos tipos más importantes de «smog» y qué condiciones atmosféricas favorecen cada uno de ellos? 9. ¿Qué fenómeno se conoce como efecto invernadero?¿Cual es su causa? ¿Qué contaminantes atmosféricos son los principales responsables? 10. ¿Cual es la fuente principal del plomo en la atmósfera? 11. Estimar la densidad de partículas por centímetro cúbico (moléculas o iones) en la atmósfera: al nivel del mar (P = 101,33 kPa y 25 oC); a 25 km de altura en la ozonosfera (P = 2,42 kPa y –30 oC); y a 160 km de altura en la ionosfera (P = 2,42 10–7 kPa y 200 oC). DATOS: R = 0,082 atm.l/mol.K. Número de Avogadro NA = 6,023.1023 moléculas/mol. 12. La ciudad de Madrid tiene aproximadamente 1,5 millones de vehículos registrados. La media de emisión de NOx es de 2,6 g por vehículo y km y la de hidrocarburos (HC) de 1,3 g. Suponiendo que cada vehículo hace un recorrido medio de 15 km/día, calcular la cantidad en volumen de NOx y HC emitidos a la atmósfera por día en Madrid. DATOS: Masas moleculares medias de NOx y HC: 40 y 84 g/mol respectivamente.

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13. Calcular las concentraciones de NO, NO2 y NOx en mg/m3 y en ppm, emitidos por una central térmica que consume 100 t/día de un combustible con la siguiente composición: 85,6% C, 12,5% H, 1,5% O y 0,4% N. Suponer que todo el nitrógeno del combustible se transforma en NO, que a su vez se oxida en la atmósfera a NO2 con un rendimiento del 90%. Suponer también que en las condiciones de la combustión no se produce la oxidación del N2 del aire. El consumo de aire es un 50% superior al estequiométrico. DATOS: 1atmósfera = 101,33 kPa. R = 0,082 atm.l/mol.K 14. El análisis de un carbón arroja los siguientes resultados: 84% C, 2% H, 1% N, 3% O, 2% de S, cenizas 4% y humedad 4%. Se quema para generar vapor de agua en una caldera a razón de 1 tm/h. Se pide: 1. Cantidad de aire necesaria en m3/h en condiciones normales, CN. 2. ¿Cuál será la composición en volumen de los gases emitidos por la chimenea, si se quema con un 40% en exceso de aire? Suponga que todo el nitrógeno contenido en el carbón se desprende como nitrógeno molecular. Datos: Composición del aire: 21% O2 y 79% de N2 15. Para analizar las emisiones de contaminantes por una chimenea de una central térmica se realizan las siguientes mediciones, con los resultados que se indican en cada caso: 1. Para la determinación de partículas emitidas, se utiliza una sonda isocinética (ver glosario de términos), con las siguientes condiciones de muestreo: caudal de captación 10 l/min., tiempo de muestreo 1,5 horas. Presión: 101,7 kPa y a una de temperatura de los gases 105 oC. Las partículas retenidas sobre el filtro arrojan un peso de 18,2 μg. 2. Por otra parte para la determinación de SO2 se toma una muestra en las mismas condiciones sólo que muestreando únicamente durante 20 min. El aire conteniendo el SO2 se hace burbujear sobre un frasco lavador en el que existe una solución acuosa en medio ácido de agua oxigenada que oxida el SO2 a H2SO4 (considere que este proceso se produce al 100%). Finalizada la toma de muestra se enrasa a 100 ml y una alicuota de 20 ml se precipita con solución acuosa de BaCl2, obteniéndose un precipitado de BaSO4, que una vez filtrado y seco pesa 46,4 μg. Se pide: a) Determinar las concentraciones de partículas y SO2 en el aire emitido por la chimenea en condiciones estándar (1 atmósfera = 101,33 kPa y 25 oC). b) Comparar los valores obtenidos, con los valores máximos permitidos, que se estiman como 150 μg /m3 para partículas y 80 μg /m3 para SO2 respectivamente.

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SOLUCIONES A LOS EJERCICIOS DE AUTOCOMPROBACIÓN 1. Las regiones más importantes de la atmósfera partiendo del nivel del suelo serían las siguientes: Troposfera: Es la zona donde se desarrolla la vida sobre la tierra, concretamente en las zonas más bajas de la misma. Alcanza una altura de 8 a 10 km. Los componentes gaseosos más importantes son: N2, O2, H2O, Ar, Y CO2, además de los contaminantes ambientales debidos a fuentes naturales y antropogénicas. En esta zona la temperatura decrece uniformemente con la altura alcanzando un valor mínimo de aproximadamente –55 oC. El límite de esta zona recibe el nombre de Tropopausa. Estratosfera: Es una amplia zona, con una altura comprendida entre los 10 km (Tropopausa) y los 52 km (Estratopausa). Los componentes químicos son los mismos que en la Troposfera, a los que debemos añadir el ozono, que alcanza su máxima concentración a una altura de 25 km. Esta zona de máxima concentración recibe el nombre de ozonosfera y actúa de escudo protector frente a las radiaciones ultravioletas procedentes del sol. En la estratosfera la temperatura crece de forma más o menos uniforme hasta alcanzar en la estratopausa una temperatura de alrededor de 273 K. Mesosfera: Comprendida entre la estratopausa y la mesopausa (de los 52 a los 90 km). La temperatura en esta zona decrece de manera uniforme hasta los 100 K. Los componentes químicos mayoritarios son moléculas neutras o ionizadas (N2, O+2, NOx). Termosfera: Va desde la mesopausa hacia el exterior sin límite definido. En esta zona la temperatura crece rápidamente como consecuencia de las reacciones fotoquímicas que se producen. La composición de la atmósfera en esta zona está formada casi exclusivamente por átomos, moléculas ionizadas, y electrones. A veces las zonas más superiores tanto de la Mesosfera como de la Termosfera reciben el nombre de Ionosfera, que alude a su composición. La Termosfera limita con lo que algunos autores denominan Exosfera, que propiamente ya no forma parte de la atmósfera. 2. Los factores que determinan el balance térmico terrestre son: por una parte la radiación solar incidente, de una longitud de onda alrededor de 0,5 μm, de la que el 50% llega a la tierra, bien directamente o por dispersión a través de las nubes. El otro 50% de la radiación solar incidente es reflejada por la atmósfera o bien absorbida y después reemitida sin llegar a la tierra.

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Del 50% de radiación que llega a la tierra el 15% es reflejada en la superficie y el 45% absorbida. Por otra parte la radiación absorbida por la tierra es emitida posteriormente hacia la atmósfera en forma de radiación infrarroja (l~ 10 μm), una parte importante de la cual es retenida y devuelta a la superficie terrestre por las nubes y ciertos gases (CO2, CH4, N2O, O3) que ejercen un efecto invernadero. Por todo ello la tierra tiene una temperatura media de unos 33 oC más caliente que si no existiese el efecto de estos gases. Es evidente que la magnitud del efecto invernadero depende de la concentración en la atmósfera de los gases que lo producen, por lo que un incremento en su concentración, en especial del CO2, llevaría consigo un aumento de la temperatura terrestre que acarrearía cambios climáticos muy importantes. 3. Las reacciones más importantes que se producen en la alta atmósfera, son reacciones fotoquímicas, siendo las más importantes: Fotoexcitación: consiste en la absorción de un fotón por una partícula (átomo o molécula) pasando a un estado de excitación. Por ejemplo: NO2 + hν → NO*2 Luminiscencia: Emisión de energía en forma de radiación electromagnética por una molécula activada, este fenómeno recibe distinto nombre según el tiempo de respuesta después de la excitación, sí es inmediata, se llama «fluorescencia» y si es retardada «fosforescencia». Fotoionización: En este proceso las moléculas o átomos activados se ionizan. Por ejemplo: N* → N+ + e Fotodisociación: En este proceso se produce la disociación de una molécula previamente activada. Por ejemplo: O*2 → 2O En el proceso se obtienen átomos libres o radicales. Fotosensibilización: Consiste en la desactivación de moléculas excitadas mediante la transferencia energética a otro átomo o molécula. Por ejemplo: O*2 + Na → O2 + Na* Dentro de este tipo de reacciones se incluirían las reacciones de descomposición y formación de ozono.

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4. Niebla (mist): Suspensión en el aire de partículas líquidas, originadas por condensación de vapor o dispersión de líquidos. El tamaño de las partículas oscila entre 10–2 y 5.102 μm. Bruma (Fog): Suspensión de gotitas líquidas originadas por condensación de vapores o dispersión de líquidos. Originadas también por la evaporación de los componentes más volátiles de los aceites esenciales vegetales. Su margen de tamaños está comprendido entre 1 y 50 μm. Calina (Haze): Bruma seca, originada por partículas de aproximadamente 0,1 μm. Dan a la atmósfera un color azul cuando se observan sobre un fondo oscuro y una tonalidad amarillenta cuando se observan sobre un fondo claro. Ambos fenómenos son debidos al efecto Tyndall. Smog: Es un término derivado de las palabras smoke (humo) y fog (bruma). El margen de tamaño de las partículas es amplio y está comprendido entre 10–2 y 2 μm. 5. Las fuentes de producción de monóxido de carbono atmosférico las podemos clasificar en dos grupos: Naturales: constituyen más del 90% de la cantidad total del CO en la atmósfera, siendo las principales fuentes, la descomposición bacteriana, la conversión de CH4 a CO y la fotosíntesis (producto secundario). Antropogénicas: Representan únicamente el 8% del total. La fuente principal es la combustión incompleta de combustibles. Los efectos tóxicos del CO sobre la salud, se deben a que interfiere en el transporte de oxígeno desde los pulmones a la sangre, al combinarse con la hemoglobina para dar carboxihemoglobina por desplazamiento del oxígeno, por lo que impide el transporte de este. Los efectos producidos dependen de la concentración. Para concentraciones: 50-100 ppm

Sólo se producen pequeñas molestias si los tiempos de exposición son prolongados (habitación con fumadores poco ventilada).

100-700 ppm Se producen fuertes dolores de cabeza. > 700 ppm

Ocurre una progresiva reducción de la conciencia, coma, y finalmente la muerte.

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6. Como su nombre indica contaminantes secundarios son aquellos contaminantes ambientales que se originan a partir de los contaminantes primarios mediante reacciones químicas o fotoquímicas más o menos complejas. Un ejemplo característico es la formación de ozono en las capas bajas de la atmósfera (troposfera), que es uno de los componentes característicos de los contaminantes oxidantes que contribuyen al smog fotoquímico. Este tiene su origen en reacciones fotoquímicas complejas promovidas por la luz solar, los oxidos de nitrógeno y los hidrocarburos. 7. La emisión es el vertido de materiales al aire, ya sea por una fuente fija (chimeneas) o por fuentes móviles (vehículos).La inmisión es la cantidad de contaminantes (concentración) a nivel del suelo y con independencia de las fuentes de que provengan. 8. Los dos tipos más importantes de smog son el smog sulfuroso o smog ácido, denominado también smog de Londres y el smog fotoquímico o smog de Los Angeles. Los componentes principales del smog sulfuroso son: humos, niebla, dióxido de azufre y ácido sulfúrico. Los factores desencadenantes son de una parte concentraciones elevadas de SO2 y de materia particulada, procedentes de vehículos diesel, calefacciones e instalaciones industriales, y por otra, una inversión térmica persistente en la atmósfera. Su carácter ácido procede no sólo del SO2, sino también y fundamentalmente de sus productos de oxidación. El Smog Fotoquímico tiene su origen en reacciones fotoquímicas complejas inducidas por los óxidos de nitrógeno y para las que son necesarios hidrocarburos procedentes principalmente de los motores de combustión interna, así como una buena luminosidad. Los efectos del smog, como en el caso anterior, se acentúan notablemente en condiciones de inversión térmica. Como consecuencia de dichas reacciones, se origina una serie de contaminantes secundarios de elevada toxicidad (ozono, aldehidos, peroxiácidos,..etc) 9. Efecto invernadero. Consiste básicamente en que concentraciones crecientes de dióxido de carbono (CO2) en la atmósfera, resultantes de las actividades humanas, pueden causar cambios climáticos al verse afectada la temperatura superficial de la tierra. Es debido a que cuando la radiaciones procedentes del sol, de longitud de onda correspondientes a la zona visible del espectro electromagnético, inciden sobre la Tierra, parte de ellas son absorbidas

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y posteriormente reemitidas a la atmósfera en forma de radiaciones de mayor longitud de onda, correspondientes a la zona infrarroja. Ciertos compuestos de la atmósfera, como el dióxido de carbono son capaces de absorbe la radiación, aumentando la temperatura en la troposfera. Cuanto mayor sea la concentración de dióxido de carbono en la atmósfera más calor se retendrá y más se calentará la atmósfera. El mismo efecto que el CO2, aunque con mucha menor intensidad ejercen otros gases tales como : N2O, CH4 y los FCCs, entre otros. 10. La fuente principal del plomo en la atmósfera son los compuestos alquilados (plomo tetrametilo y plomo tetraetilo), que se emplean para mejorar el índice de octano de las gasolinas utilizadas en los motores de combustión interna. Dicha fuente representa entre el 80 y 90% del plomo total en la atmósfera. El resto procede de actividades industriales. La forma química en que se encuentra es, además de la forma elemental, como compuestos inorgánicos de plomo: óxidos, sales y halogenuros de plomo y en mucha menor proporción por compuestos organometálicos. 11. Solución: La aplicación de la ecuación general de los gases nos llevaría a los siguientes resultados: Nivel del mar: (P = 101,33 kPa < > 1 atmósfera) n=

PV 1 ⋅ 10 −3 = RT 0, 082 ⋅ 298

n = 4, 09 ⋅ 10 −5 moles/ml N = n ⋅ NA

donde: NA = n.o de Avogrado = 6,023 · 1023 moléculas/mol N = 2,46 · 1019 moléculas/ml Análogamente: Ozonosfera: (P = 2,42 kPa < > 2,37.10–2 atm.) n=

2, 37.10 −2 ⋅ 10 −3 = 1,19 ⋅ 10 −6 moles / ml 0, 082 ⋅ 243 N = 7,16 ⋅ 1017 moleculas / ml

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Ionosfera (P = 2,42.10–7) n=

2, 37 ⋅ 10 −9 ⋅ 10 −3 = 6,11 ⋅ 10 −14 moles / ml 0, 082 ⋅ 473 N = 3, 68 ⋅ 1010 moléculas / ml

12. Solución: La cantidad de NOx emitida por día será: 1,5 ⋅ 106 vh (2,6 g/km vh) 15 km/día = 5,85 ⋅ 10 7 (g/día) NOx < > 58,5 (t/día) NOx

que expresado en volumen a 25 oC y 1 atm. será: 5, 85 ⋅ 10 7 g/mol 0, 082 atm ⋅ 298o K ⋅ = 3, 57 ⋅ 10 7 l/día NOx 1 atm molK día 40 g < > 3,57 ⋅ 10 4 m3 /día NOx

Por lo que se refiere a los hidrocarburos se alcanzarán los valores: 1, 5 ⋅ 106 vh (1,3 g/km vh) ⋅ 15 km/día = 2,92 ⋅ 10 7 g/día H2

que expresada en volumen a 25 oC y 1 atm. será: 2, 92 ⋅ 20 7 0, 082 ⋅ 298 ⋅ = 8, 49 ⋅ 106 l/día HC 84 1 < > 8,49 ⋅ 103 m3 /día HC

13. Solución: Las reacciones de combustión serán: C + O2 → CO2 2H + 1 / 2 O2 → H2O N + 1 / 2 O2 → NO; NO +1/2 O2 → NO2

Si tomamos como base de calculo la combustión de 100 kg de combustible. Los moles de CO2, H2O, NO, NO2, obtenidos serán: n CO2 =

85, 6 = 7,133 kmoles 12

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12, 5 = 6, 25 kmoles 2 0, 4 = = 2, 86 .10 −2 kmoles 14

n H2O = n NO

posteriormente los moles de NO se oxidan en un 90%, por lo tanto al final tendremos: n NO2 = 2, 57 ⋅ 10 −2 kmoles y n NO = 2, 86 ⋅ 10 −3 kmoles

Los moles de oxígeno necesarios para la combustión serán: n O2 = 7,133 +

6, 250 2, 86 ⋅ 10 −2 2, 86 ⋅ 0, 9 ⋅ 10 −2 + + = 10, 285 k moles O2 2 2 2

A los que habrá que restar los kilomoles de O2 del combustible: 1,5/32 = 0,047 kmoles. Por lo que los moles estequiométricos de aire necesarios serán: n aire = (10, 285 − 0, 047) ⋅

100 = 48, 753 kmol aire 21

A los que habrá que sumar los kilomoles de aire en exceso (el 50%) que serán: ( n aire )exc = 24, 376 Kmoles aire

Asimismo los kilomoles N2 procedentes del aire estequiométrico serán: n N 2 = 48, 753 ⋅

79 = 38,514 kmoles N2 100

Los kmoles totales de gases procedentes de la combustión serán: N total = 7,133 + 6, 250 + 2, 86 ⋅ 10 −3 + 2, 57 ⋅ 10 −2 + +38, 514 + 24, 374 = 75, 8 kmoles

Las concentraciones de NO, NO2 y NOx en ppm, serán la relación en kmoles de cada uno de ellos por 106 kmoles totales. NO =

2, 86 ⋅ 10 −3 ⋅ 106 = 37, 7 ppm 75, 8

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Para calcular las concentraciones en mg/m3, calculemos en primer lugar el volumen de gases en m3 a 25 oC y 1 atm. Vtotal =

75, 8 ⋅ 0, 082 ⋅ 298 k = 1852,6 m3 1

con lo que NO = 2, 86 ⋅ 10 −3 kmol ⋅ 30

kg mg 1 106 = 46, 3 mg/m3 kmol kg 1852, 6 m3

NO2 = 2, 57 ⋅ 10 −2 kmol ⋅ 46

kg mg 1 106 = 638,1 mg/m3 kmol kg 1852, 6 m3

Por lo que la concentración de NOx, será la suma de ambas. NO x = 684, 4 mg/m3

14. Solución: El esquema del proceso sería: GASES

CARBÓN: 84% C 2% H 1% N 3% O 2% S 4% cenizas 4% humedad

AIRE

CENIZAS

Las reacciones de combustión serán: C + O2 → CO2 N → 1 / 2 N2 2H + 1 / 2 O2 → H2 O S + O2 → SO2

1.o) Los moles de O2 se calculan de acuerdo con las relaciones estequiométricas, restando lógicamente el oxígeno contenido en el carbón. (O2 ) teorico =

840 20 1 20 30 + ⋅ + − = 74, 69 kmoles/h 12 1 4 32 32

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La cantidad de aire será: 74, 69

kmol 100 kmoles ⋅ = 355, 67 aire h 21 h

lo que equivale a un volumen en m3: 355, 67

kmol m3 m3 ⋅ 22, 4 = 7966, 93 aire en CN h kmol h

2.o) El aire total utilizado, será el teórico, más un 40%: ( Aire) total = 355, 67 + 0, 40 ⋅ 355, 67 = 497, 94 kmoles/h

El contenido en N2 será el 79% (393,37 kmol/h), más el que procede del carbón (10/28 kmol). Por tanto la composición de los gases de salida es la siguiente: CO2 →

840 = 70, 00 kmoles 12

10 + 393, 37 = 393, 73 kmoles 28 20 SO2 → = 0, 63 kmoles 32 20 40 H2O → + = 12,22 kmoles 2 18 (O2 )exc → 0, 40 ⋅ 355, 67 ⋅ 0, 21 = 29, 88 kmoles N2 →

Total = 506,46 kmoles

Los porcentajes en volumen serán = a las fracciones molares, luego CO2

= 13,82%

N2

= 77,74%

SO2

= 0,12%

H2O

= 2,42%

(O2)exc = 5,90%

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15. Solución: Las condiciones de muestreo para las partículas serán: Q = 10 l/min T = 105 oC P = 758 mm de Hg t = 1,5 h El volumen del aire muestreado será: V = 10 (l/min) · 90 min = 900 l El volumen en condiciones estándares (25 oC y 1 atm.) será: VN =

900 ⋅ 758 ⋅ 298 = 707, 6 l 760 ⋅ 378 VN = 0,708 m3

y la concentración de partículas Partículas =

18, 2 μg = 25, 7 μg/m3 N (a 25 oC y 1 atm) 0, 70 m3

que resulta inferior al estándar de 150 μg /m3 N. El muestreo de SO2, se realiza en las mismas condiciones sólo que en un tiempo de 20 minutos. El volumen de aire muestreado será: V = 10

l ⋅ 20 min = 200 l m

y el volumen en condiciones estándares. VN =

200 ⋅ 758 ⋅ 298 = 157, 2 l 760 ⋅ 378 < > 0,157 m3

Por otra parte al pasar SO2 sobre la solución de H2O2 se produce la reacción: SO2 + H2O2 → H2SO4

y al tratar con BaCl2 se produce la precipitación del BaSO4 H2SO4 + BaCl 2 → BaSO4 + 2HCl

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que en nuestro caso arroja un peso de 46,4 μg. Por tanto la cantidad de SO2 contenido en el aire muestreado teniendo en cuenta también el factor alícuota será: 46, 4 μg

64 100 ⋅ = 63, 6 μg SO2 233, 3 20

y su concentración: 63, 6 μg = 405, 4 μg/m3 N 0,157 m3

que supera netamente al estándar admitido de 80 mg/ m3 N.

Capítulo 3 CONTAMINACIÓN ATMOSFÉRICA II. DISPERSIÓN DE CONTAMINANTES Y MÉTODOS DE CONTROL

Objetivo general: En este tema se estudia la influencia de las condiciones meteorológicas sobre la dispersión de contaminantes atmosféricos, así como los principales métodos utilizados para su control. Objetivos específicos: 1. Justificar la importancia de las condiciones atmosféricas sobre la dispersión de contaminantes. 2. Interpretar los diferentes modelos de dispersión de contaminantes atmosféricos. 3. Familiarizarse con los métodos utilizados para la toma de muestra de contaminantes en emisión e inmisión. 4. Conocer los fundamentos de las técnicas físico-químicas utilizadas en el análisis de contaminantes atmosféricos. 5. Relacionar los principios que intervienen en los procesos naturales de limpieza de la atmósfera con los métodos utilizados para el control de la contaminación del aire. 6. Explicar los diferentes puntos posibles de actuación para el control de la contaminación en un proceso de producción. 7. Justificar los diversos factores que definen la eficiencia en cualquiera de los sistemas utilizados en la contaminación atmosférica.

8. Familiarizarse con los diferentes métodos utilizados en el control de partículas atmosféricas. 9. Ser capaz de elegir el equipo más idóneo para la depuración de un efluente gaseoso. 10. Justificar la influencia de la relación aire/combustible en un motor de automóvil, sobre la emisión de contaminantes del mismo.

3.1. METEOROLOGÍA Y DISPERSIÓN DE CONTAMINANTES Los problemas de contaminación atmosférica, como hemos visto al estudiar los episodios agudos de contaminación, tienen su origen en la confluencia de tres diferentes causas que son: la concentración de los contaminantes en la atmósfera, unas desfavorables condiciones meteorológicas, y determinadas condiciones topográficas del lugar. Visto de otra manera podríamos decir que un problema de contaminación atmosférica consta de tres partes: la fuente del contaminante, su dispersión y el receptor de la contaminación. El movimiento del aire en la atmósfera, que puede tener sentido horizontal o vertical, tiene mucho que ver con el transporte y concentración de los contaminantes atmosféricos. El movimiento horizontal del aire está gobernado principalmente por los vientos dominantes. Cuanto mayor sea la velocidad del viento más facilidad existirá para que los contaminantes se dispersen. Sin embargo, si la velocidad del viento es baja, la causa que más influye en la dispersión de los contaminantes pasa a ser el movimiento vertical del aire que está gobernado por la variación de la temperatura del aire con la altura. Cuando un pequeño volumen de aire se desplaza hacia arriba dentro de la troposfera, se ve sometido a menor presión, lo que causa su expansión y enfriamiento. En condiciones adiabáticas (sin ninguna transferencia de calor entre dicho volumen de aire y la atmósfera que lo rodea) la disminución de temperatura con la altura es constante, e igual a 1 oC por cada cien metros. Las condiciones atmosféricas, sin embargo, no siempre pueden referirse al modelo teórico que hemos expuesto, pudiendo ocurrir en un momento determinado que la variación de la temperatura con la altura sea mayor que la teórica en condiciones de equilibrio, lo que se conoce como atmósfera superadiabática. Si las emisiones procedentes de una chimenea

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se producen en una atmósfera que es superadiabática, se ven favorecidos los movimientos verticales, lo que ayuda a la dispersión de contaminantes. La situación contraria ocurre cuando la variación de temperatura con la altura es menor que la teórica para condiciones adiabáticas, lo que se conoce como atmósfera subadiabática, resultando una atmósfera estable, es decir cualquier porción de aire desplazada verticalmente tenderá a regresar a su posición original. Un caso especial de variación de la temperatura con la altura menor que la teórica se presenta cuando el aire a medida que ganamos altura está más caliente, situación que se conoce como inversión de temperatura o inversión atmosférica. Se trata de una situación de gran estabilidad atmosférica que produce una imposibilidad de dispersión vertical de los contaminantes y por tanto un aumento local de la concentración de los mismos. Consideremos qué ocurre en una situación de inversión atmosférica en la que la capa de inversión se extiende desde el suelo a 200 m de altura, por ejemplo. Cualquier emisión de contaminantes por debajo de los 200 m actuará como una tapadera para los contaminantes de abajo que quedarán de esta forma atrapados y sin posibilidades de dispersión. Sin embargo, una chimenea de más de 200 m emitirá los contaminantes por encima de la capa de inversión, por lo que éstos podrán diluirse en un volumen de aire mayor. Las situaciones de inversión pueden permanecer varios días, por lo que el problema se agravará con el tiempo. Suele ocurrir además, que la capa de inversión es normalmente templada, seca, y sin nubes, lo que se traduce en un incremento de la actividad fotoquímica y en una mayor formación de «smog». En la Figura 3.1 se presentan esquematizadas las situaciones atmosféricas que hemos considerado. Por lo que respecta a la dispersión de contaminantes procedentes de chimeneas, hay que indicar que depende de factores tales como naturaleza del efluente, condiciones meteorológicas existentes, altura de la chimenea, topografía del terreno, velocidad del viento, etc. Existen varios modelos que permiten relacionar la dispersión de los efluentes con los diferentes parámetros anteriormente mencionados. Nosotros vamos a considerar aquí el modelo Gaussiano de dispersión que permite estimar la concentración de los contaminantes gaseosos procedentes de una fuente puntual en la dirección en la que sopla el viento, que esquemáticamente se representa en la Figura 3.2.

Condiciones adiabáticas

Condiciones subadiabáticas Altitud

Altitud

c)

Temperatura

b)

Temperatura

d) Inversión de temperatura Altitud

Altitud

Condiciones superadiabáticas

Capa de inversión Temperatura

Temperatura

FIGURA 3.1. Variación de la temperatura del aire con la altura en diversas situaciones atmosféricas.

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a)

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Z

Δh

u

H h

X Y

FIGURA 3.2. Modelo de dispersión gaussiana a una altura efectiva de chimenea H.

A pesar de que el penacho tiene su origen a una altura h, se eleva a una altura adicional Δh debido a la capacidad de flotación de los gases calientes y a la cantidad de movimiento de los gases que salen verticalmente de la chimenea. La suma de h + Δh se conoce como altura efectiva de la chimenea y se representa por H. El modelo gaussiano asume que la concentración de contaminante sigue una distribución normal en los planos vertical y horizontal del penacho. También considera el penacho como si procediera de un punto teórico a una altura H moviéndose a lo largo del eje central. Además, se supone que la velocidad de emisión es constante, que la velocidad del viento no varía con el tiempo ni con la altura, que ninguna porción de contaminante se pierde por deposición o reacción química y que el terreno es llano. De todo lo anterior resulta que la expresión que nos da la concentración del contaminante a nivel del suelo y a una distancia x de la fuente en la dirección del viento es: Cx, y

2 ⎡ ⎡ 1 ⎛ H ⎞2⎤ ⎛ y ⎞ ⎤ Q 1 ⎢ = exp ⎢− ⎜ ⎟ ⎥ exp − ⎜ ⎟ ⎥ ⎢ 2 ⎝ σy ⎠ ⎥ πuσ y σ z ⎢ 2 ⎝ σz ⎠ ⎥ ⎦ ⎣ ⎣ ⎦

en donde C = concentración del contaminante a nivel del suelo en el punto (x, y) en g/m3.

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Q = velocidad de emisión en g/s u = velocidad media del viento en m/s σy = coeficiente de dispersión horizontal σz = coeficiente de dispersión vertical H = altura efectiva de la chimenea en m. Se han propuesto diversas ecuaciones para calcular Cx, y en las que se toman en consideración las características de la chimenea, naturaleza del efluente, condiciones atmosféricas en la zona etc., que dan lugar a resultados no siempre concordantes. Los valores σy y σz son función de la distancia a la chimenea y de la estabilidad atmosférica, existiendo tablas para su estimación. De la consideración de la ecuación anterior resulta que la concentración del contaminante es directamente proporcional a la velocidad de emisión Q, por lo que resulta fácil determinar cuanto se debe reducir la emisión para conseguir una concentración determinada en el punto que interese. También se aprecia que la concentración decrece al aumentar la altura de la chimenea aunque dicha relación no es lineal. Por último resulta que la concentración es inversamente proporcional a la velocidad del viento. Aunque la ecuación gaussiana del penacho está basada en la teoría y en datos reales, las predicciones que resultan no son seguras en más del 50%, pese a lo cual, es un modelo de utilización generalizada. Los modelos de difusión atmosférica son muy necesarios, si se considera que la previsión y cuantificación del impacto ambiental atmosférico sólo es posible cuando se ha conseguido de una manera suficientemente representativa, la modelización de las características básicas de los medios emisor, difusor, y receptor, en su interrelación temporal y espacial. La necesidad de abordar la problemática de la contaminación atmosférica a través del análisis de los resultados obtenidos con los modelos de difusión atmosférica, se presenta como primordial e insustituible frente a otros métodos, desde el momento en que se pueden prever los resultados, aún antes de la puesta en marcha de la industria contaminadora. La utilización de modelos de difusión atmosférica tiene como objeto la integración de todos aquellos elementos que inciden en la calidad del aire, como son las condiciones atmosféricas del lugar, la localización de los focos e intensidad de los mismos, la situación de los receptores, la influencia de la topografía, orografía, etc, a fin de adecuar las medidas correctoras económica y técnicamente más viables.

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La fiabilidad de cualquier modelo de dispersión de contaminantes está directamente relacionada con el banco de datos que se posea, por lo que resulta fundamental que la información meteorológica se base en series suficientemente amplias y detalladas de los diferentes parámetros climáticos que incidan en el modelo. Los modelos de difusión atmosférica aparecen como instrumentos de gran utilidad y en muchas ocasiones como prioritarios en los programas de actuación, cuando se requiere abordar, entre otros, los siguientes problemas: ❑ En las Evaluaciones de Impacto Ambiental originadas por uno o varios focos localizados o difusos de contaminación atmosférica existentes o previstos. ❑ Optimización de alturas de chimeneas para grandes y medianas instalaciones industriales. ❑ Planificación urbana e industrial (escala local, regional y nacional). ❑ Diseño de redes de control de la calidad del aire. ❑ Predicciones sobre contaminación atmosférica. ❑ Programas de prevención de la contaminación atmosférica.

3.2. MEDIDA DE LA CALIDAD DEL AIRE El aire es un término que utilizamos para referirnos a la mezcla de gases que existe alrededor de la tierra hasta una altura de 100 km. El aire puro se define normalmente como el que contiene sólo los gases naturales. Como puede imaginarse el aire puro no existe, ya que siempre estarán presentes, polen, partículas, etc., incluso aunque no haya industria. En la Tabla 2.1 se presentó ya la composición del aire puro. La medida de la calidad del aire puede referirse a: 1. Medida de emisiones, también llamada medida de chimeneas cuando se analiza una fuente estacionaria. Las medidas de emisiones en el caso de fuentes móviles resultan mucho más difíciles de realizar. 2. Medidas meteorológicas, necesarias si queremos conocer cómo y por qué los contaminantes se desplazan desde la fuente al receptor. 3. Medidas de inmisiones, ya que la calidad del aire que respiramos es finalmente la que nos interesa.

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Tanto en el caso de emisión como de inmisión podemos medir partículas y gases. En inmisión, para la determinación de partículas sedimentables se utilizan unos muestreadores muy sencillos cuyas características vienen especificadas en la Orden de 10 de agosto de 1976 (BOE n.o 266, de 5 de noviembre de 1976). El período de muestreo es mensual. Para las partículas en suspensión se utilizan muestreadores de alto volumen que actúan como un aspirador y pasan unos 2.000 m3/día de aire a través de un filtro de fibra de vidrio. La determinación se efectúa gravimétricamente, y el dato obtenido se conoce como partículas suspendidas totales. El estudio de la composición cuantitativa de las partículas atmosféricas se lleva a cabo mediante diversas técnicas físico-químicas como la espectrofotometría de absorción atómica, a la que nos referiremos en el capítulo 4. En el caso de las partículas en suspensión, también se utiliza la medida de la fracción respirable que muestrea aquellas partículas que pueden llegar a los pulmones y que se definen generalmente como las partículas menores de 10 μm (PM 10) aunque las que más influyen son las más próximas a 2,5 μm (PM 2,5), llamadas partículas finas. Las partículas aún más pequeñas, de menos de 1 nanométro de diámetro pueden entrar incluso en la circulación sanguínea por lo que son las más peligrosas. Por lo que hace referencia a los gases, el gas que se quiere recoger se hace pasar, en muchos casos, a través de un borboteador que, o bien contiene un líquido que reacciona con el gas que interesa, o bien lo disuelve. Una vez recogido el gas, se utilizan diversas técnicas para medir su concentración. En el caso del SO2, podemos utilizar, por ejemplo el método de la pararrosanilina, en el que el SO2 se borbotea sobre una solución de tetracloromercuriato sódico que reacciona cuantitativamente con el SO2 aún a concentraciones tan bajas como 0,002 ppm. SO2 + HgCl 24− + H2O → HgCl 2SO32 − + 2H + + 2Cl −

El diclorosulfitomercuriato formado se hace reaccionar con pararrosanilina obteniéndose el ácido pararrosanilinametilsulfónico que absorbe a 575 nm a pH= 1. Existen casos en los que la muestra gaseosa se recoge como tal y después se analiza en el laboratorio. Para la recogida se utilizan ampollas de dos llaves en las que previamente se hace el vacío. Un problema que se

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presenta en estos casos es que resulta imposible evacuar el 100% del aire de la ampolla, por lo que existe la posibilidad de que la muestra recogida se contamine. También es posible recoger la muestra gaseosa por desplazamiento en un recipiente cerrado que contenga agua, para lo cual se burbujea la muestra a su través. Esta forma de actuar, como es lógico, solo resulta adecuada si los gases que nos interesa determinar no son solubles en agua. Cuando se trata de medidas de emisiones, el problema más importante relacionado con la recogida de muestra es el de su representatividad. Por tanto es necesario un especial cuidado en la medida del flujo gaseoso a través de la chimenea, de su temperatura de salida, y de la concentración de los contaminantes que emergen. Normalmente la toma de muestra en chimeneas se lleva a cabo mediante un aparato conocido como sonda isocinética, que permite captar la muestra a una velocidad idéntica a la velocidad de salida de los gases por la chimenea, con lo cual se evitan los efectos inerciales que conducirían a resultados erróneos en el muestreo. Los efectos inerciales son especialmente importantes en la toma de muestras de partículas y no afectan en la toma de muestra de gases. Debe quedar claro de todo lo dicho que cuando se quiere medir la calidad del aire, los resultados que se obtengan solo serán representativos si las muestras analizadas lo son, y en los párrafos anteriores han quedado suficientemetne expuestas algunas de las dificultades que surgen a la hora de la toma de muestras. Como técnica general para el análisis de muestras gaseosas, se puede citar la cromatografía de gases, que no es más que un tipo especial de cromatografía. La cromatografía es un método de separación empleado por primera vez por Tswestt en 1906. Keulemans la define como un método físico de separación en el que los componentes a separar se distribuyen entre dos fases, una de las cuales es un lecho estacionario de gran área superficial, y la otra, un fluido que se infiltra a través del lecho estacionario. Se pueden hacer diversos tipos de clasificaciones cromatográficas. Nosotros citaremos tres: 1) Según las fases implicada en la separación, distinguimos entre cromatografía gas-líquido, gas-sólido, líquido-líquido y líquido-sólido. 2) Según la técnica de separación podemos distinguir entre elución, análisis frontal y desplazamiento. 3) Según el mecanismo por el que se produce la separación, puede tratarse de cromatografía de absorción, reparto, intercambio iónico y filtración sobre gel. En el caso concreto de la cromatografía de gases, la fase móvil es un gas (el gas portador), y la fase estacionaria puede ser un sólido, en cuyo

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caso la retención propia de cada componente se deberá fundamentalmente a fenómenos de adsorción-desorción, o un líquido, y en este caso los fenómenos serán preferentemente de absorción-desorción. Un cromatógrafo de gases está formado fundamentalmente por: 1) Gas inerte a presión. 2) Columnas cromatográficas (la de trabajo y la de referencia) que suelen ir en un compartimento termostatado; al principio de la columna de trabajo se introduce la muestra mediante una microjeringa. 3) Conjunto de dispositivos detectores, que permitan detectar los compuestos que emergen (dichos dispositivos van acoplados a un registro gráfico). 4) En el caso de los cromatógrafos preparativos existen colectores donde se recogen las fracciones que van emergiendo. Las columnas cromatográficas están formadas por un tubo de cobre, acero, vidrio, etc., dentro del cual va la fase estacionaria, que se elige según la naturaleza de la muestra a separar. También existen columnas capilares sin relleno. Los detectores pueden ser integrales y diferenciales. Dentro de los diferenciales, que son los más empleados, podemos citar los de conductividad térmica y los de ionización de llama, por ser con los que vienen equipados normalmente los cromatógrafos de gases. En cuanto a los parámetros utilizados en cromatografía de gases los más usuales son el tiempo de retención, el tiempo de retención modificado, la retención relativa, el volumen de retención, el volumen de retención corregido, el factor de conversión, el índice de Kovats, etc. Las aplicaciones de la cromatografía de gases a problemas de tipo ambiental son muy diversas y permiten tanto estudios cualitativos como cuantitativos.

3.3. CONTROL DE LA CONTAMINACIÓN DEL AIRE Hay que comenzar diciendo que la atmósfera posee un mecanismo natural de descontaminación sin el cual el aire a través de los tiempos se hubiera vuelto irrespirable. Sin embargo dichos mecanismos son limitados, por lo que nuestra industrializada sociedad debe evitar por todos los medios las emisiones masivas a la atmósfera. Dentro de los procesos naturales de limpieza de la atmósfera podemos citar la dispersión, que, aunque no es estrictamente un mecanismo de limpieza, disminuye la concentración de contaminantes en un punto determinado, la sedimentación gravitacional, la floculación, la absorción, la sedimentación húmeda y la adsorción.

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La mayoría de los mecanismos para el control de la contaminación del aire a los que nos vamos a referir a continuación, hacen uso de alguno de los principios que intervienen en los procesos naturales de limpieza de la atmósfera. El control de las emisiones a la atmósfera se puede llevar a cabo de diferentes maneras. Cinco diferentes posibilidades se representan esquemáticamente en la Figura 3.3. Dilución

La dilución de contaminantes es una de las posibles formas de control y puede realizarse mediante la utilización de chimeneas. Cuanto más altas son, las hay de más de 150 m. de altura, más diluirán los contaminantes. Sin embargo debemos pensar que todo lo que evacuamos a la atmósfera tiene que, eventualmente, volver a la superficie terrestre, aunque, eso si, a más o menos distancia de la fuente originaria. Se trata por tanto de un método que globaliza el problema de la contaminación, aunque rebaje los niveles de contaminación en las proximidades de la fuente. Desde este punto de vista la dilución tiene la ventaja de ser un método de control a corto plazo y puntual, y el inconveniente de resultar el origen de la contaminación a largas distancias o transfronteriza.

Dispersión

Tratamiento Enfriamiento

Recogida

Origen

FIGURA 3.3. Puntos de posibles actuaciones para el control de la contaminación atmosférica.

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Control en origen

El control de contaminantes en origen se puede llevar a cabo de diferentes formas. La más obvia de ellas es la de impedir que se produzcan. Por ejemplo, los contaminantes asociados con el proceso de combustión, no se formarán si sustituimos dicho método de producción de energía por otros de tipo hidráulico, geotérmico o solar. Los demás métodos de control podrán reducir las emisiones de contaminantes pero no eliminarlos enteramente. Así por ejemplo, si sustituimos el gasoleo corriente por otro de menor potencial contaminante se conseguirá rebajar las emisiones de contaminantes. Otro método de control de contaminantes enmarcable en este apartado, consiste en mantener a punto todo el equipamiento que intervenga en el proceso de producción, en especial el que tenga que ver con la combustión. Por ejemplo, simplemente con una buena puesta a punto de nuestro coche conseguiremos reducir del, 20 al 50% sus emisiones de hidrocarburos y de monóxido de carbono. Un cambio en el proceso de producción puede ser otra forma de controlar las emisiones en origen. Ejemplo de esta forma de actuar podrían ser los incineradores municipales que suelen ser una fuente importante de malos olores, pero que si se hacen funcionar a temperatura suficiente elevada para que se oxiden completamente los productos orgánicos causantes del mal olor, éste desaparece. Por último, hay que indicar que otra forma de disminuir las emisiones de contaminantes en origen consiste en instalar equipamientos de control designados para destruir, transformar, o recoger los contaminantes. Estrictamente hablando para estos últimos métodos se utiliza la palabra inglesa «abatement». Recogida de contaminantes

Muchas veces el mayor problema en el control de la contaminación lo constituye la recogida de los contaminantes sin la cual no podremos someterlos a ningún tipo de tratamiento. Un caso típico es el de los automóviles. En general, las fuentes móviles suponen una dificultad adicional en este aspecto. Normalmente los ingenieros ambientales tienen enormes problemas cuando intentan controlar la contaminación de una industria que emite los contaminantes por ventanas, puertas, etc. A menudo resulta necesario un nuevo diseño del flujo de aire en toda la planta de producción, y en cualquier caso son problemas que no se suelen resolver con la instalación de equipamientos de control.

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Enfriamiento de los gases emitidos

Suele ocurrir que los gases que necesitan ser tratados, están lo suficientemente calientes como para que antes de ser sometidos a los procedimientos de control, deban ser enfriados. La forma de hacerlo puede ser mediante dilución, intercambio de calor, o por medio de su «apagado» utilizando un líquido. La dilución resulta conveniente si la cantidad de gases calientes es pequeña. El «apagado» tiene la ventaja adicional de eliminar parte de las partículas, pero da lugar a un líquido sucio y caliente que a su vez plantea un nuevo problema. Los intercambiadores de calor se utilizan ampliamente y resultan especialmente indicados cuando se desea recuperar el calor. Tratamiento

Los sistemas de control de la contaminación atmosférica pueden dividirse en primer lugar según sean aplicables al control de partículas o al de gases. En todos los casos se utiliza para medir la eficiencia del sistema la siguiente relación: π=

Mr ⋅ 100 Mp

donde Mr representa la cantidad de contaminante recogida, expresada en kilogramos por segundo y MP la cantidad de contaminante producida expresada en iguales unidades. Si llamamos Me a la cantidad de contaminante que escapa, se cumplirá que: M p = Me + M r

y la eficiencia podrá expresarse así: π=

Mr ⋅ 100 Me + M r

3.3.1. Métodos utilizados en el control de partículas La mayoría de los métodos utilizados y los principios físicos en que se basan dichos métodos se conocen y utilizan desde hace bastante tiempo. Podemos considerar cinco diferentes tipos de equipos que son los si-

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guientes: cámaras de sedimentación, colectores por inercia, incluidos los ciclones, purificadores húmedos, filtros, y precipitadores electrostáticos o electrofiltros.

FIGURA 3.4. Métodos utilizados en el control de partículas y tamaño mínimo de partícula para el que cada método resulta adecuado (a) cámara de sedimentación (d > 50 μm) (b) Ciclones (d > 10 μm) (c) Purificadores húmedos (d > 0,05 μm) (d) Filtros de tela (d > 0,01 μ m) y (e) precipitadores electrostáticos (d > 0,005 μm).

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En la Figura 3.4 se presentan esquemáticamente los cinco métodos de control referidos, así como el tamaño de partículas para el que cada uno de ellos resulta adecuado. En la Tabla 3.1 se definen los diferentes diámetros que se utilizan para determinar los tamaños de partículas. Generalmente, el diametro de partícula al que nos referimos es el de Stokes. El método de control que se elija en un caso determinado, será el resultado de la consideración en profundidad de los diversos factores que intervienen, entre los cuales estarán el tamaño de las partículas emitidas, su densidad, su concentración en el gas en que se encuentran disueltas, así como las características y propiedades de dicho gas. A la hora de elegir un método de control para partículas, habrán de tenerse muy en cuenta los factores de tipo económico que inciden en el método elegido tanto en lo que se refiere a la instalación necesaria, como a los costes de operación y mantenimiento. Cámaras de Sedimentación

Una forma sencilla de actuar en este caso consiste en utilizar una cámara lo bastante grande como para minimizar la velocidad horizontal del gas y permitir que las partículas más grandes, mayores de 50 μm, se depositen. Ciclones

Los ciclones son sin duda el método más económico y efectivo para el control de partículas. Un ciclón sencillo consta de un recipiente cilíndri-

TABLA 3.1. Diversas definiciones de diámetros utilizados para la determinación de los tamaños de partículas Diámetro utilizado Diámetro superficial Diámetro volumétrico Diámetro aerodinámico Diámetro de Stoke

Definición Diámetro de una esfera de igual superficie que la partícula. Diámetro de una esfera de igual volumen que la partícula. Diámetro de una esfera de densidad 1 g/cm3 que tiene la misma velocidad de sedimentación que la partícula. Diámetro de una esfera de igual densidad que la partícula no esférica, que tiene la misma velocidad de sedimentación que ésta.

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co y base cónica en el que se introduce tangencialmente el gas contaminado. La fuerza centrífuga que se origina por la circulación en espiral del gas hace que las partículas que contiene se muevan hacia las paredes del cilindro donde debido a la fricción pierden velocidad y caen. La eficiencia de un ciclón depende de la magnitud de la fuerza centrífuga que actúa sobre las partículas. Cuanto más grande sea dicha fuerza mayor será la eficiencia. Por su parte la magnitud de la fuerza centrífuga generada depende de la masa de la partícula, de la velocidad del gas en el ciclón y del diámetro de éste, como se muestra en la siguiente expresión: Fc = M p ⋅

Vi2 R

donde Fc representa la fuerza centrífuga en Newtons, Mp la masa de la Vi2 la aceleración centrífuga en m/s2, siendo Vi la veloR cidad de la partícula y R el radio del ciclón.

partícula en kg y

Resulta por tanto obvio que fuerza centrífuga, y eficiencia, pueden incrementarse disminuyendo el radio del ciclón. Colectores húmedos

Los colectores húmedos actúan incorporando las partículas suspendidas en un gas al líquido absorbente con el que entran en contacto. El mecanismo de contacto puede ser, o bien de tipo inercial, o bien de intercepción durante la sedimentación por efecto de la gravedad. La efectividad de los mecanismos depende de la energía consumida en el proceso de contacto gas-líquido. Una forma de aumentar el contacto y la interacción gas-líquido es utilizando torres de pulverización en las que el líquido, en forma de aerosol, se pone en contacto con el gas. Dicho método junto con los ciclones húmedos y los colectores Venturi son los tres tipos de colectores húmedos más corrientes. Filtros de tela

Los filtros de tela usados para el control de partículas operan como cualquier aspiradora doméstica. El polvo queda retenido en el filtro debido a la pequeña luz de malla y a las fuerzas superficiales. A medida que las partículas quedan atrapadas en el filtro, aumenta la eficiencia del sistema, en especial para la eliminación de las partículas más pequeñas, pero también aumenta la pérdida de presión, por lo que hay que proceder a la limpieza de los filtros.

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Debido a que para unas determinadas condiciones de trabajo, las pérdidas de presión aumentan con el cuadrado de la velocidad de filtración, el margen de velocidades de filtrado permitidas es bastante reducido, por lo que en el diseño de este tipo de sistemas colectores es muy importante conocer la velocidad de operación, que suele variar entre 0,5 y 5 m/min. (m3 aire/min. m2 tela). Precipitadores electrostáticos

En los precipitadores electrostáticos las partículas suspendidas en el gas pasan a través de una zona de ionización donde se cargan eléctricamente para después ser recogidas en zonas con carga de signo opuesto. La eficiencia de un precipitador electrostático se estima corrientemente mediante la ecuación empírica ⎛ − AVd ⎞ π = 1 − exp⎜ ⎟ ⎝ Q ⎠

donde A es el área de los electrodos colectores en m2, Q el caudal del gas en m3/s y Vd la velocidad de las partículas hacia el electrodo colector en m/s. Comparación de los sistemas utilizados para el control de partículas. Como es lógico las eficiencias y costes de los diversos sistemas de control varían grandemente. Cada uno de los sistemas a los que nos hemos referido tiene sus propias ventajas e inconvenientes, por lo que resultará una tarea complicada decidir en cada caso que tipo de sistema es el más adecuado, decisión esta, que será fruto de numerosas consideraciones como puede verse en la Tabla 3.2. En la Tabla 3.3, se presentan los costes de inversión y operación de los principales tipos de equipos empleados en la separación de partículas, y en la Figura 3.5 se compara la eficiencia de cada uno de los sistemas de control que hemos considerado para retener partículas de diferentes tamaños.

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TABLA 3.2. Factores a considerar en la elección o diseño de un equipo de depuración Contaminante

Corriente gaseosa

Producto recuperado

– Composición físicoquímica – Distribución de tamaños de partículas – Densidad – Viscosidad – Humedad – Solubilidad – Límites de inflamabilidad, explosión y toxicidad

– Naturaleza del gas portador – Caudal del gas y sus fluctuaciones – Concentración del contaminante – Temperaturas de entrada y salida – Reactividad – Humedad – Densidad – Viscosidad – Presión – Límites de inflamabilidad explosión y toxicidad

– Valor económico. – Mercado potencial. – Aplicaciones dentro de la planta. – Valor estratégico. – Interés público.

Planta industrial

Operación

❚ Situación geográfica y topográfica. ❚ Condiciones Atmosféricas. ❚ Necesidades energéticas y de otros servicios. ❚ Altura Chimenea. ❚ Características de los aparatos e instalaciones disponibles.

Situación social y administrativa

❚ Presión de trabajo y ❚ Necesidades de pérdida de carga personal. admisible. ❚ Emisión máxima ❚ Frecuencia de las paradas. autorizada del contaminante. ❚ Posibles sobrecargas ocasionales. ❚ Proximidad de núcleos urbanos. ❚ Costes Económicos.

TABLA 3.3. Costes relativos de inversión y operación de diversos equipos empleados en la separación de partículas Equipo Ciclones Filtros de mangas Precipitadores electrostáticos Colector húmedo en columna Colector húmedo tipo venturi

Costes de inversion 100 250 450 270 220

Costes de operacion 100 250 150 260 500

Separación por vía seca Separación por vía húmeda

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100 90

G F

% de eficiencia colectora

80

E

70 D

60 50 40

C

30

B

20

A

10 0 0,5

1

5

10

50

100

Tamaño de partícula en micrómetros

FIGURA 3.5. Comparación de las eficiencias de retención de los diferentes sistemas de control en función del tamaño de partícula. (A) Cámara de sedimentación. (B) Ciclón simple. (C) Ciclón de alta eficiencia. (D) Precipitador electrostático. (E) Colector húmedo. (F) Colector Venturi. (G) Filtros de tela.

3.3.2. Métodos y equipamientos utilizados para evitar la emisión de contaminantes gaseosos a la atmósfera Varios son los principios físicos y químicos que se utilizan para separar algún componente gaseoso o para impedir su emisión a la atmósfera. Absorción, adsorción, condensación, oxidación, reducción, e incineración catalítica son los más frecuentemente utilizados. El método más adecuado en cada caso va a venir fijado principalmente por las propiedades físicas y químicas de las sustancias a separar y de las condiciones bajo las cuales los contaminantes se forman y emiten a la atmósfera. También será necesario considerar la concentración del contaminante en la corriente gaseosa, el volumen de gas, la temperatura de los gases y su contenido en partículas sólidas. Por último, habrá de tenerse en cuenta si el sistema de depuración va a funcionar continua o intermitentemente, de forma cíclica o no, etc.

3.3.2.1. Absorción El proceso de absorción consiste en la separación de un componente gaseoso de una mezcla de gases utilizando un líquido adecuado. Dentro del campo de la contaminación atmosférica esta operación se conoce

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como lavado. El gas pasa al líquido por difusión. Debemos recordar que la transferencia de masa entre dos fases es un estado de no equilibrio en el que la concentración del componente que debe separarse es mayor en la fase gaseosa que en la líquida, moviéndose en esa dirección. El absorbente debe ser lo suficientemente selectivo como para absorber el componente a separar y ser inerte respecto de los otros componentes. La desorción es el proceso opuesto a la absorción, por lo que variando convenientemente las condiciones de presión y de temperatura el gas absorbido puede ser liberado del líquido, lo que permite un proceso cíclico. Los líquidos absorbentes pueden utilizar un cambio físico (no reactivo) o químico (reactivo) para eliminar el contaminante. En el primer caso, el contaminante gaseoso se disuelve en el absorbente sin cambio químico. En el segundo, como ocurre cuando se utiliza una suspensión de caliza en agua para eliminar el dióxido de azufre de una corriente gaseosa, el agua reacciona con la caliza formando hidróxido cálcico, que reacciona con el SO2 para formar sulfato cálcico que se elimina de la corriente de gases añadiendo más agua. La cantidad de gas que se disuelve en un disolvente líquido depende de las propiedades de ambos, de la presión del gas sobre el líquido, de la temperatura, de la turbulencia, del caudal y del tipo de relleno utilizado en la columna de absorción. Recuérdese que la solubilidad de un gas en equilibrio con un líquido se expresa matemáticamente mediante la ley de Henry. Recuérdese también, que cuando el disolvente y el soluto son químicamente similares, serán solubles (semejante disuelve a semejante). Idealmente, el disolvente deberá tener las siguientes características: baja toxicidad, baja volatilidad, no ser inflamable y ser químicamente estable. Además, de cara a la economía del proceso, deberá ser barato, fácilmente asequible, y no corrosivo. La absorción también ocurre si en vez de un líquido o una solución, se utiliza una suspensión de la sustancia activa, como es el caso de las suspensiones de caliza para la absorción de gases ácidos tal como el dióxido de azufre, al que acabamos de referirnos. El equipamiento más simple utilizable para conseguir una absorción suficiente es la torre de pulverización cuyo esquema se presenta en la Figura 3.6. Como allí puede verse, el líquido absorbente se pulveriza en la dirección opuesta a la corriente del gas a purificar, y cae en pequeñas gotas al fondo de la torre. Debido a que la absorción se favorece aumentando la superficie de contacto entre líquido y gas, cuanto más pequeña sean las gotas del primero mayor será la absorción. Sin embargo hay que tener en cuenta que si las gotas de líquido son excesivamente finas pueden perderse con la corriente gaseosa.

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FIGURA 3.6. Torre de absorción simple

Otros equipamientos adecuados para llevar a cabo la absorción son las columnas de platos, las columnas de relleno y los lavadores venturi, que también se utilizan en el control de partículas. Una forma de mejorar la eficiencia de las torres de absorción simples, es rellenándolas con un material tal como los anillos de Raschig, anillos Pall, pequeños trozos de madera, mallas metálicas, etc. Para conseguir los mejores resultados, el relleno deberá tener la mayor superficie específica posible (superficie en relación al volumen), y presentar un elevado volumen libre, con objeto de ofrecer la menor resistencia hidráulica.

3.3.2.2. Adsorción La adsorción es un fenómeno de tipo superficial que puede ocurrir como resultado de las fuerzas que se establecen entre las moléculas de un sólido adsorbente y la sustancia adsorbida: Fuerzas de Van der Waals (adsorción física), o compartición de electrones (adsorción química). En el primer caso, disminuyendo la presión, o aumentando la temperatura, el gas adsorbido se desorbe y el adsorbente puede utilizarse de nuevo.

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Normalmente la adsorción es directamente proporcional a la cantidad disponible de superficie sólida, por lo que las sustancias que se utilizan como adsorbentes presentan una gran superficie activa. Así por ejemplo, 1g de carbón activo presenta un área superficial superior a los 1000 m2. Otros adsorbentes son la silica gel, las zeolitas sintéticas, la alúmina y la bentonita. En la Tabla 3.4 se indican diferentes tipos y usos de sustancias adsorbentes. TABLA 3.4. Usos más frecuentes de diversos tipos de adsorbentes Tipo de adsorbente

Principales usos

Carbón activo Alumina Bauxita Magnesia Tamices moleculares (zeolitas sintéticas) Sílica gel Sulfato de estroncio Carbones decolorantes

Eliminación de olores, recuperación de gases Secado del aire, y otros gases y líquidos Secado de gases y líquidos Tratamiento de gasolina y disolventes orgánicos Control y recuperación de emisiones de gases Secado y purificación de gases Separación de hierro de sus soluciones cáusticas Decoloración de grasas y aceites, desodorización de agua potable Decoloración de soluciones de azúcar Refino de aceites, grasas, y ceras.

Carbón de huesos Kieselgurh, dolomía

La adsorción, además de utilizarse en la deshumidificación del aire y otros gases, y en la eliminación de olores y de componentes gaseosos tóxicos procedentes de efluentes gaseosos industriales, resulta una técnica especialmente útil cuando el gas a eliminar no es combustible, es suficientemente valioso para justificar su recuperación, o se encuentra a muy bajas concentraciones en el efluente gaseoso. Las unidades para llevar a cabo la adsorción suelen ser cilindros que contienen el adsorbente en lecho fijo, móvil o fluidizado. En la Figura 3.7 se presenta el esquema de una unidad de adsorción en lecho fluidizado. Un lecho fluidizado es simplemente una columna de relleno a través de la cual circula un fluido en sentido ascendente. A partir de una determinada velocidad mínima de fluidización, el fluido mantiene al sólido en suspensión con un movimiento continuado de las partículas que favorece el contacto sólido-fluido y la transferencia de calor y materia. Estos sistemas se aplican en una amplia gama de operaciones: reacciones catalíticas, secado, tostación de minerales, combustión de carbón, etc.

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FIGURA 3.7. Equipo de adsorción en lecho fluidizado con posibilidad de regeneración.

Una de las ventajas que presentan los lechos fluidizados es la de permitir manejar sólidos como si fueran fluidos: introduciendo y retirando continuamente partículas, el sistema se asemeja a un tanque agitado en continuo. La mayoría de las unidades de adsorción en lecho fluidizado son altamente eficientes hasta que el adsorbente se satura. En ese momento el adsorbente debe ser regenerado o renovado. Los adsorbentes pueden ser clasificados en regenerativos y no regenerativos dependiendo de que el gas adsorbido sea o no fácilmente desorbible y, por tanto, el adsorbente pueda o no reutilizarse. Los equipamientos que permiten la regeneración constan, normalmente, de dos unidades de adsorción, lo que permite pasar el flujo gaseoso a una unidad no saturada mientras que en la otra se regenera el adsorbente, pudiendo de esta forma utilizar el proceso de forma continua. Al tratar de elegir o diseñar un equipo de adsorción adecuado habrá de tenerse en cuenta lo siguiente: que permita una parada larga del equi-

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po, para lo cual el adsorbedor dispondrá de dos unidades de adsorción; que permita el tratamiento previo de la corriente gaseosa para eliminar la materia no adsorbible que pudiera perjudicar, así como los gases competidores para la adsorción; y que permita una distribución homogénea del flujo gaseoso a través del lecho.

3.3.2.3. Condensación Como todos recordamos un vapor puede condensarse a una temperatura determinada si su presión parcial se incrementa hasta igualar o superar su presión de vapor a esa temperatura. La condensación también se puede alcanzar por incremento de la presión, pero este método se utiliza menos en el control de la contaminación. Dos son los equipamientos básicos para llevar a cabo la condensación: los condensadores de superficie y de contacto. En la Figura 3.8 se presentan esquemáticamente ambos tipos de condensadores. En un condensador de superficie, la adsorción física juega un papel importante, puesto que los contaminantes son adsorbidos, cuando el gas condensa, en la superficie de los tubos a través de los cuales fluye el líquido refrigerante. En un condensador de contacto, vapor y líquido frío interaccionan directamente. El vapor enfriado condensa y se elimina con el líquido. Normalmente el líquido que se utiliza en los condensadores de contacto es el agua. Los condensadores de contacto son más baratos, más versátiles y más eficientes que los de superficie. Sin embargo, debido a que mediante la utilización de un condensador de contacto se puede crear un problema de contaminación acuosa, su utilización no es general. En contaminación atmosférica la condensación se considera como un método de pretratamiento, y los condesadores se utilizan junto con unidades de absorción y adsorción, o bien a la salida de quemadores. Las aplicaciones específicas de la condensación dependen del tipo y cantidad de líquido refrigerante que se tenga que usar, de los problemas de residuos que puedan surgir, y de las cantidades de contaminante que deban recuperarse.

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Salida de gas

Entrada líquido de refrigeración Aspersores

Salida de gas

Entrada de gas

Líquido frío

Salida del condensador Salida líquido de refrigeración Producto ( )

Entrada de gas (b)

FIGURA 3.8. Esquema de los dos tipos básicos de condensadores. (a) Condensador de contacto (b) Condensador de superficie.

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Refrigerante

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3.3.2.4. Oxidación y reducción Los contaminantes gaseosos procedentes de emisiones industriales pueden ser convertidos en productos inocuos por oxidación o reducción. En otros casos dichos tratamientos conducen a compuestos intermedios que son tecnológicamente más fáciles de separar. Así por ejemplo, diversos compuestos orgánicos pueden transformarse por oxidación en sustancias menos peligrosas o inocuas, o bien utilizarse como un primer paso para formar compuestos más fácilmente separables. Esto mismo ocurre con la reducción. Por ejemplo, la reducción de los óxidos de nitrógeno a nitrógeno, conducen a un gas inerte, mientras que la reducción de los óxidos de azufre a sulfuro de hidrógeno, son un primer paso para la subsiguiente conversión en azufre. Para el control de la contaminación, tanto la oxidación, que se lleva a cabo normalmente utilizando oxígeno atmosférico, como la reducción, que se realiza utilizando carbón, monóxido de carbono, o hidrógeno, suelen llevarse a cabo con un equipamiento similar al empleado en la industria química para el mismo tipo de procesos. Cuando la oxidación ocurre de manera completa (combustión) y el compuesto es orgánico, los productos mayoritarios que resultan son dióxido de carbono y vapor de agua, por lo que la combustión es un método de eliminación de contaminantes muy satisfactorio. Dependiendo del contaminante a oxidar, la combustión se puede llevar a cabo mediante los métodos de combustión con llama directa, de combustión térmica y de combustión catalítica. En la combustión con llama directa los gases son quemados directamente en un quemador con o sin adición suplementaria de combustible. Aunque este tipo de combustión es un método idóneo en el caso de gases combustibles, el hecho de alcanzarse elevadas temperaturas causa la formación de óxidos de nitrógeno a partir del nitrógeno del aire, lo que crea un nuevo problema de contaminación. La combustión térmica se utiliza cuando la concentración del contaminante combustible en el efluente gaseoso es tan baja que no es posible su combustión directa. En este caso el gas a quemar se calienta previamente y después se quema utilizando combustible suplementario. Puesto que la combustión incompleta puede originar productos intermedios indeseables —principalmente monóxido de carbono—, habrán de controlarse cuidadosamente el tiempo de residencia, la turbulencia, la temperatura y el caudal de oxígeno.

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1

2

3

5

4

FIGURA 3.9. Esquema de un quemador térmico. 1. Mechero. 2. Cámara de combustión. 3. Calentador. 4. Entrada de gas. 5. Salida de los productos de combustión.

Por último, la combustión catalítica se utiliza en los mismos casos que la combustión térmica, pero utilizando un catalizador, con lo que se consigue disminuir el tiempo y la temperatura de combustión. Los catalizadores empleados son normalmente metales de transición depositados sobre un soporte de alúmina. Como todos sabemos, los catalizadores son muy sensibles a determinadas sustancias conocidas como venenos para el catalizador, por lo que no podrán utilizarse en todos los casos. Entre las sustancias químicas, los halógenos, que dan lugar a haluros metálicos volátiles, son de los productos químicos que más dañan los sistemas catalíticos. Las altas temperaturas también perjudican notablemente los catalizadores. En la Figura 3.9 se presenta el esquema de un quemador térmico.

3.3.3. Control de las emisiones procedentes del escape de los automóviles Consideremos brevemente ahora el tratamiento de efluentes gaseosos procedentes de fuentes móviles. Cuatro son los puntos de los que proviene la contaminación debida a los coches: las evaporaciones de hidrocarburos procedentes del tanque de gasolina, las procedentes del carburador, las procedentes del carter y las emisiones de óxidos de nitrógeno, hidrocarburos, monóxido de carbono y partículas procedentes de los gases de escape. Refirámonos a los gases de escape que suponen el 60% de las emisiones de hidrocarburos y prácticamente el 100% de los NOx, CO y partículas. Los métodos de control que se utilizan van desde la puesta a punto del motor hasta el uso de catalizadores, pasando por diversas modifica-

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ciones del motor o por el desarrollo de combustibles sustitutivos de las gasolinas. Debemos tener en cuenta, que una buena puesta a punto del motor es sin lugar a dudas la primera medida para controlar las emisiones de los coches. A este respecto hay que indicar que la relación aire/combustible influye notablemente sobre la emisión de contaminantes en los automóviles. Una proporción aire/combustible baja, conocida como mezcla rica, minimiza las emisiones de NOx pero sin embargo aumenta las de CO e hidrocarburos. Por el contrario una mezcla pobre, reduce las emisiones de CO e hidrocarburos pero aumenta las de NOx. Recordemos que cuando una mezcla aire/combustible tiene menos aire del necesario estequiométricamente para quemar la gasolina, la mezcla se llama rica, mientras que en el caso contrario se llama pobre. En la Figura 3.10 se representa la influencia de la relación aire/ combustible sobre las emisiones, potencia y economía de combustible en un motor de automóvil.

CO

Estequiométrica

Concentraciones relativas

Consumo de gasolina HC

Potencia HC

NOX

NOX CO

10

15

20

25

Relación aire/combustible en kg/kg

FIGURA 3.10. Influencia de la relación aire/combustible sobre las emisiones, potencia y economía de combustible en un motor de combustión interna.

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Por lo que se refiere a los sistemas catalíticos utilizados en los coches, que suelen estar formados por metales como platino, rodio, y paladio soportados sobre alúmina, el más utilizado es el denominado catalizador de tres vías (three way catalyts, en inglés) por ser el que mejores resultados proporciona. Un catalizador de tres vías permite oxidar el monóxido de carbono y los hidrocarburos a dióxido de carbono y agua, y reducir los óxidos de nitrógeno a nitrógeno. Debe operar en condiciones estequiométricas para conseguir los mejores resultados que es también cuando el rendimiento y la potencia del motor son máximas. Es más, debe funcionar dentro de un estrecho margen de relaciones aire/combustible próximas a la relación estequiométrica o su capacidad para reducir la emisión de los tres contaminantes antes citados se ve muy disminuida como se aprecia en la Figura 3.11. Precisamente la necesidad de mantener en ese estrecho margen de relaciones aire/combustible, ha sido lo que ha hecho necesario el desarrollo de sistemas electrónicos de control que envían la información a un microprocesador que controla el carburador o el sistema de inyección. Otra ventaja adicional del sistema catalítico que comentamos es que necesita trabajar con gasolinas sin plomo, por lo que las emisiones de plomo a la atmósfera está disminuyendo sensiblemente.

100

Eficiencia de transformación %

NOX

HC

80

60

40

20 CO 0

13:1

14:1

14:8 14:9 15:1

16:1

Relación aire/combustible

FIGURA 3.11. Intervalo de relaciones aire/combustible en el que la eficiencia del sistema catalítico de tres vías es máxima.

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Una vez considerados los diversos métodos que se utilizan para el tratamiento de efluentes gaseosos, tanto en fuentes fijas como móviles, debemos dejar claro, a modo de consideración final, que los métodos de control de la contaminación a los que nos hemos referido representan dentro del proceso de producción, la forma más cara de actuar, por lo que en ingeniería ambiental se trata, antes de nada, de mejorar las condiciones de operación del proceso, o, si es posible, de buscar alternativas al propio proceso con objeto de disminuir la emisión de contaminantes y de esta forma no necesitar de efectivos, pero costosos, métodos de control de la contaminación. Se trata, en resumen, de prevenir que aparezcan los contaminantes, en vez de controlarlos una vez producidos.

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EJERCICIOS DE AUTOCOMPROBACIÓN 1. ¿A qué se llama atmósfera adiabática? 2. ¿Qué factores influyen sobre la dispersión de contaminantes en la atmósfera? 3. Qué fenómeno atmosférico se define como inversión térmica y cuál es su influencia sobre la dispersión de contaminantes. 4. ¿Cuales son los principales parámetros que definen el modelo gausiano de dispersión de los contaminantes emitidos por una chimenea? 5. ¿Qué es un muestreo isocinético y para qué se utiliza? 6. Clasifique los métodos generales de control de los contaminantes atmosféricos. 7. Defina el concepto de eficiencia de captación y ponga un ejemplo característico. 8. Enumere y describa brevemente los métodos utilizados para el control de las emisiones de partículas. 9. Fundamentos físicos-químicos en que se basan los métodos utilizados para el control de contaminantes gaseosos. 10. Describa brevemente, un método químico para la retención de anhídrido sulfuroso. 11. Una central térmica de 100 MW de potencia utiliza un carbón con una potencia calorífica de 33 kJ/g y un rendimiento de 35%. El contenido en azufre del carbón es del 4,5% representando sus cenizas el 5%. Si se supone que el 50% del azufre es retenido antes de su emisión por la chimenea. Se pide: 1. La velocidad de emisión de SO2 y de cenizas en g/s. 2. El volumen de SO2 generado en el mismo tiempo, a 29 oC y 1 atm. de presión. 3. Si el azufre emitido se concentra sobre un area urbana de 5 km de diámetro y hasta una altura de 500 m. ¿Cuánto tiempo podría funcionar la central para que la concentración de SO2 no supere el valor límite de 0,3 ppm?

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12. Se quiere instalar una Central Térmica que consumirá 5 t/h de un fuel que contiene un 3,6% de S, del cual un 30% queda retenido en las cenizas. La altura efectiva de la chimenea es de 60 m y la velocidad del viento a dicha altura es de 2,8 m/s. Determinar la concentración de SO2 a nivel del suelo a la distancia de 500 m en la dirección del viento. Los coeficientes de dispersión horizontal y vertical para las condiciones atmosféricas de la zona a la distancia de 500 m, en la dirección del viento, son respectivamente: σy = 25 m y σz = 18 m. 13. Se dispone de una cámara de sedimentación de las siguientes dimensiones 1,40 m de alto por 4,30 m de largo y 0,90 m de ancho. Se pide calcular el tamaño mínimo de partículas que se pueden retener con una eficiencia teórica del 100%, si se conoce, que las partículas tienen una densidad media de 1,25 g/ml y que el movimiento es laminar, por lo que puede aplicarse la ley de Stoke. La velocidad del flujo de gas es de 30 cm/s y la viscosidad del aire 0,067 kg/mh. 14. En un proceso siderúrgico no controlado, se emiten 10 t/día de partículas. Se pretende comparar la eficacia colectora de un precipitador electrostático (PE) y de un ciclón de alta eficacia (CL), para su control. El análisis granulométrico de las partículas y la eficiencia del precipitador electrostático y del ciclón se indican a continuación: Tamaño (μm) 5 15 32 50 % Peso 20 35 30 15 % Eficiencia PE 90 97 99,5 100 % Eficiencia CL 55 78 90 99 Calcular: a) La eficacia total del PE y del ciclón. b) ¿Cuál es la eficiencia del PE y del ciclón para las partículas en suspensión? ¿Cuál es el número de partículas de tamaño igual o menor de 5 μm que no son retenidos por ninguno de los dos sistemas por día? La densidad de las partículas es de 2300 kg/m3. 15. Para el control de las emisiones de SO2 en un proceso que utiliza carbón, se emplea el método de la caliza. Teniendo en cuenta: 1. Que para retener el SO2 de los gases de chimenea son necesarios 1000 kg de carbonato cálcico para eliminar el 90% del azufre contenido en 4 toneladas de carbón con un 2% de S, y 2. Que el producto final en que se transforma el azufre es sulfato de calcio. Se pide: Calcular el porcentaje de carbonato cálcico convertido en sulfato de calcio.

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SOLUCIÓN A LOS EJERCICIOS DE AUTOCOMPROBACIÓN 1. Se denomina atmósfera adiabática a una situación atmosférica teórica en la que no existe transferencia de calor entre una pequeña masa de aire contaminado y el entorno que le rodea. En condiciones adiabáticas el gradiente de temperatura con la altura permanece constante y es de aproximadamente –1 oC por cada 100 metros de elevación. En estas condiciones, la dispersión de los contaminantes se produce por expansión debido al descenso de la presión atmosférica. Las condiciones adiabáticas corresponden a situaciones teóricas, que raramente se producen. En la realidad puede ocurrir que la variación de temperatura con la altura sea mayor la teórica, es decir que el gradiente sea mayor de –1 oC por cada 100 metros, situación que se conoce como atmósfera superadiabática. En estas condiciones se favorece la dispersión de los contaminantes. Por el contrario cuando la variación de la temperatura con la altura es inferior a la teórica, se denomina atmósfera subadiabática. En estas condiciones la dispersión de contaminantes se ve dificultada. Un caso extremo de atmósferas subadiabáticas, se presenta cuando la temperatura de la atmósfera, aumenta con la altura. Estas situaciones se conocen como de inversión atmosférica y corresponden a una gran estabilidad de la atmósfera, que impide la dispersión vertical de los contaminantes. 2. Los factores que intervienen en la difusión o dispersión de los contaminantes en la atmósfera son muy numerosos, pudiéndolos agrupar en los tres grupos siguientes: III. Factores meteorológicos: clasificados a su vez en 2 subgrupos: a) Movimientos del aire. Pueden ser de dos tipos: movimientos verticales, debidos a los gradientes de temperatura y de presión. La dispersión se favorece en condiciones adiabáticas y más aún en condiciones superadiabáticas (enfriamiento de la atmósfera con la altura aún mayor que en condiciones adiabáticas). Por lo contrario se ve dificultada en condiciones subadiabáticas y más aún si hay inversión térmica. Movimientos horizontales (viento), obviamente, a mayor velocidad del viento mayor dispersión de los contaminantes. b) Fenómenos atmosféricos: La niebla, lluvia y nieve ejercen un efecto de limpieza de los contaminantes atmosféricos absorbiéndolos o arrastrándolos hacia la tierra.

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III. Factores topográficos: La situación del foco o focos emisores en un valle, por ejemplo, dificulta la dispersión de contaminantes y favorece que se produzcan inversiones térmicas. III. Los factores que dependen del foco emisor: La altura de la chimenea, la velocidad de salida del penacho, la temperatura de salida de los gases, y su composición, son factores entre otros, que influyen sobre su dispersión. Concretamente, un incremento en los tres primeros favorece la dispersión. 3. La inversión térmica de la atmósfera es el fenómeno que ocurre cuando la temperatura del aire crece con la altura, lo cual imposibilita la ascensión de los gases contaminantes y por tanto su difusión y dispersión, con el consiguiente incremento de las concentraciones de contaminantes a nivel local, sobre todo si, como frecuentemente ocurre en estas situaciones, no existen movimientos horizontales del aire (vientos). La altura máxima en la que persiste el fenómeno de inversión recibe el nombre de altura de inversión y su espesor se denomina capa de inversión. Estos datos son importantes a la hora de predecir la dispersión de contaminantes emitidos por una chimenea, ya que incluso en condiciones de inversión térmica, los contaminantes podrán dispersarse siempre que la altura efectiva de la chimenea supere la altura de inversión. 4. El modelo gaussiano permite calcular la concentración de inmisión en un punto (x,y) a nivel del suelo, en la dirección del viento mediante la expresión: 2⎤ ⎡ ⎡ 1 ⎛ H ⎞2⎤ 1⎛ y ⎞ ⎥ Q ⎢ Cx, y = exp ⎢− ⎜ ⎟ ⎥ exp − ⎜ ⎟ ⎢ 2 ⎝ σy ⎠ ⎥ πuσ y σ z ⎢ 2 ⎝ σz ⎠ ⎥ ⎦ ⎣ ⎦ ⎣ por tanto los principales factores que intervienen son: Q = Velocidad de emisión (g/s) u = Velocidad del viento (m/s) σy = Coeficiente de dispersión horizontal (en m) σz = Coeficiente de dispersión vertical (en m) H = Altura efectiva de la chimenea en metros (altura real más incremento de altura debido al impulso de salida de los gases por la chimenea).

Los valores de σy y σz, dependen de numerosos factores: distancia a la chimenea; condiciones metereológicas, condiciones topográficas, naturaleza de los contaminantes..., etc.

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5. Un muestreo isocinético es aquel en el que el sistema de muestreo se diseña de tal manera que la velocidad de captura de la muestra es igual a la velocidad de los gases emitidos por el foco emisor. Este tipo de toma de muestra debe utilizarse siempre para la materia particulada. En principio un sistema isocinético tiene una eficiencia de 100% para todas las partículas, contenidas en la corriente de gases efluentes, con independencia de su tamaño. El aparato que permite llevar a cabo un muestreo isocinético recibe el nombre de sonda isocinética. 6. Dejando a un lado la propia capacidad de autodepuración de la atmósfera mediante una serie de mecanismos condicionados en gran medida por las características topográficas y metereológicas de la zona, los principales métodos generales de control de contaminantes atmosféricos se clasifican en 3 grupos: I. Diluir los contaminantes: se consigue utilizando chimeneas con alturas elevadas que superen las posibles capas de inversión (150 m o incluso más). Este método es eficaz para disminuir la contaminación local alrededor del foco, aunque puede incrementar la contaminación global a largas distancias. II. Actuar sobre el foco emisor (control en origen): es la forma más efectiva para el control de la contaminación. Consiste en no producir contaminantes sustituyendo los productos que la originan. Por ejemplo en los procesos de producción de energía, sustituir los combustibles con contenidos elevados de azufre por otros con menores contenidos o por formas de generación de energía más limpias, como por ejemplo utilizando gas natural. Dentro de este grupo se incluyen también todos los procesos de optimización y mantenimiento de las instalaciones. III. Actuar sobre los productos antes de su emisión a la atmósfera: mediante tratamientos físico-químicos de purificación adecuados tales como: absorción, adsorción, sedimentación, centrifugación, filtración, separación electrostática o reacción química (ácido-base, reducción, oxidación..., etc.). 7. Se define como eficiencia de captación o retención de un proceso, la fracción o porcentaje de contaminante retenido respecto al total producido. π = (Mr / MT) · 100

o bien

π = (Mr/Me + Mr) · 100

donde

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Mr = Masa de contaminante retenida Me = Masa de contaminante que escapa MT = Masa de contaminante total. Por ejemplo en el proceso de retención de SO2 mediante oxido de calcio, basado en la reacción: SO2 + 1 / 2 O2 + CaO → CaSO4 ↓

la eficiencia de captación puede llegar al 90%. 8. Los métodos utilizados para la retención de partículas, pueden clasificarse como sigue: Cámaras de sedimentación: La separación se consigue mediante la acción de la gravedad. Son útiles para partículas de tamaño superior a 50 μm. Ciclones: Separan mediante la fuerza centrífuga que se origina por la circulación en espiral del gas. Su eficiencia dependerá del tamaño de partícula. Son adecuados para partículas mayores de 10 μm. Colectores húmedos: Se basan en la retención de las partículas por pequeñas gotas de agua, que después se separan por gravedad. Son aptos para partículas inferiores a 5 μm. Filtros de tela: Se basan en la retención de las partículas por una trama de tela del tamaño de malla adecuado. Se pueden conseguir elevadas eficiencias de retención para tamaños de partículas tan pequeños como 0,01 μm. Precipitadores electrostáticos. Basan su acción en la retención electrostática de las partículas previamente cargadas. Normalmente las partículas se cargan con carga negativa y se retienen después sobre un electrodo de carga positiva. Son aptos para separación de partículas de pequeño tamaño. (d < 0,01 μm). 9. Los principales fenómenos físico-químicos en que se basan la retención de gases son: Absorción. Consiste en la retención de un gas sobre un líquido. Las fuerzas de retención pueden ser de tipo físico o bien debidas a reacción química. Por ejemplo el SO2 se puede retener sobre una suspensión de caliza, debido a las siguientes reacciones: 2O CaCO3 ⎯ H⎯ ⎯ → Ca(OH)2 + CO2

Ca(OH)2 + SO2 + 1 / 2 O2 → CaSO4 + H2O

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Adsorción: Es un fenómeno del tipo superficial que consiste en la retención de moléculas de gases sobre la superficie de un sólido adsorbente. Las fuerzas son de tipo físico y físico-químico. Un ejemplo característico es la utilización de carbón activo para la adsorción de los productos responsables del mal olor de determinados efluentes gaseosos. Condensación. Es un proceso de retención de gases o vapores mediante enfriamiento y/o aumento de la presión, aunque este segundo método no es utilizado en contaminación. Normalmente el proceso de condensación se combina con el de absorción. Oxidación-Reducción: Consiste en transformar el contaminante por oxidación o reducción en otro compuesto menos tóxico ó bien en un compuesto diferente que pueda purificarse más fácilmente. Ejemplos típicos son: — Reducción a nitrógeno molecular de los oxidos de nitrógeno mediante un reductor adecuado. NO + H2S → 1 / 2 N2 + S + H2O

— Oxidación de monóxido de carbono a CO2 CO + 1 / 2 O2 → CO2

Incineración: Es un tipo especial de oxidación que consiste en la combustión térmica o catalítica del gas a depurar. Se utiliza para el control de componentes combustibles de gases contaminados. Los hidrocarburos que puedan impurificar un efluente gaseoso se pueden quemar según la reacción: ⎛ X + Y⎞ C xH y + ⎜ ⎟ O2 → X CO2 + ( Y / 2)H2O ⎝ 2 ⎠

Descomposición térmica: Se utiliza para descomponer térmicamente en sus elementos compuestos contaminantes. El ejemplo más clásico es el de la descomposición térmica de los óxidos de nitrógeno en los tubos de escape de los automóviles mediante la utilización de un catalizador. NO x ⎯ catalizador ⎯⎯⎯ ⎯→1 / 2 N2 +

X O2 2

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10. Un ejemplo característico es el método de la caliza para retener el SO2. Consiste en lavar los gases conteniendo el SO2 con una lechada de cal (CaO + H2O). Las reacciones que se producen son las siguientes: CaO + H2O → Ca(OH)2 Ca(OH)2 + SO2 → CaSO3 + H2O CaSO3 + 1 / 2 O2 + 2H2O → CaSO4 ⋅ 2H2O

Con ello conseguimos separar el SO2 en forma de sulfato cálcico dihidratado. 11. Solución: 1.o) La cantidad de carbón necesaria para generar 100 MW será: x = 100 ⋅ 106 W ⋅

10 −3 100 ( J / s) ⋅ ⋅ = 8658 g/s W 33 ( J / g) 35

la velocidad de emisión de SO2 (procedente de la combustión del azufre) será: 8658 ( g / s) ⋅

4, 5 50 64 ⋅ ⋅ = 389, 6 (g/s) SO2 100 100 32

La cantidad de cenizas producidas serán: 8658 ( g / s) ⋅

5 = 432, 9 (g/s) cenizas 100

2.o) El volumen de SO2 generado será: VSO2 =

389, 6 (g/s) 0.082 atm.l ⋅ ⋅ 302 K = 150,75 (l/s) SO2 64 (g/mol) 1 atm ⋅ K mol < > 0,151 (m3 /s) SO2

El volumen del aire del área urbana será: 2

2

⎛ d⎞ ⎛ 5000 ⎞ 9 3 Vaire = π ⎜ ⎟ h = π ⎜ ⎟ ⋅ 500 = 9, 82 ⋅ 10 m ⎝ 2⎠ ⎝ 2 ⎠

La concentración en volumen (ppm) del SO2 será: Conc . de SO2 =

Volumen SO2 Volumen aire

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El volumen de SO2 necesario para una concentración de 0,3 ppm será: VSO2 =

0, 3 ⋅ 9, 82 ⋅ 109 m3 = 2, 94 ⋅ 103 ⋅ m3 106

por tanto el tiempo máximo de emisión, suponiendo que no hay dispersión de los contaminantes será: T (max) =

2, 94 ⋅ 103 m3 = 19470s 0,151 m3 / s

< > 5, 42 horas

12. Solución: La cantidad de SO2 emitida por la chimenea, debida a la reacción de combustión del azufre (S + O2 → SO2), sería: 5

t g 3, 6 70 64 h ⋅ 106 ⋅ ⋅ ⋅ = 70 (g/s) SO2 h t 100 100 32 3600s

La concentración a 500 m a nivel del suelo y en la dirección del viento, podría estimarse aplicando la ecuación: Cx, y

2 ⎡ ⎡ 1 ⎛ H ⎞2⎤ ⎛ y ⎞ ⎤ Q 1 ⎢ = exp ⎢− ⎜ ⎟ ⎥ exp − ⎜ ⎟ ⎥ ⎢ 2 ⎝ σy ⎠ ⎥ πuσ y σ z ⎢ 2 ⎝ σz ⎠ ⎥ ⎦ ⎣ ⎣ ⎦

con y = 0 C( x, y ) =

⎡ 1 ⎛ 60 ⎞ 2 ⎤ 70 (g/s) ⋅ 106 (μg/g) exp ⎢- ⎜ ⎟ ⎥ 3,14 ⋅ 2, 8 (m/s) ⋅ 25 m ⋅ 18 m ⎢ 2 ⎝ 18 ⎠ ⎥ ⎦ ⎣ C( x, y ) = 68, 5 μg/m3

13. Solución: Podrán separarse todas aquellas partículas cuya velocidad de sedimentación sea igual o mayor que: VS ≥

H t

donde t es el tiempo que tarda el gas en recorrer la longitud de la cámara L, a la velocidad de flujo V (t = L/V) y H es la altura de la cámara de sedimentación.

CONTAMINACIÓN ATMOSFÉRICA II. DISPERSIÓN DE CONTAMINANTES...

143

Por tanto: VS ≥

HV L

ahora bien VS se puede calcular por la ley de Stoke con lo que dp2 g D p 18 μa

= Vs

donde: dp = diámetro de la partícula g = aceleración gravitatoria Dp = densidad de la partícula μa = viscosidad del aire por lo tanto dp2 =

HV18 μa Lg D p

sustituyendo los datos del problema: H = 1,40 m V = 30 cm/s < > 0,30 m/s μa = 0,067 kg/m.h < > 0,0186 g/m.s L = 4,30 m g = 9,8 m/s2 Dp = 1,25 g/ml < > 1,25. 106 g/m3 dp2 =

18 ⋅ 0, 0186 (g/m ⋅ s) ⋅ 1,4 m ⋅ 0,3 m/s 4,30 m 9,8 (m/s2 ) ⋅ 1, 25 106 ⋅ ( g / m3 )

dp2 = 2, 67 ⋅ 10 −9 m2 dp

= 5,16 10 −5 m < > 51,6 μm

14. Solución: a) Las masas de partículas para cada tamaño, así como las masas de partículas retenidas en ambos sistemas serían las siguientes:

144

CIENCIA Y TECNOLOGÍA DEL MEDIO AMBIENTE

Tamaño (μm) Masa de Partic. (kg/d)

5

15

32

10 · (20/100) · 103 10 · (35/100) · 103 10(30/100)103

50 10(15/100)103

Masa Reten. PE (kg/d)

1,8 · 103

3,4 · 103

3 · 103

1,5 · 103

Masa Reten. CL (kg/d)

1,1 · 103

2,7 · 103

2,7 · 103

1,5 · 103

La eficiencias totales de retención serían respectivamente: PE = CL =

(1, 8 + 3, 4 + 3 + 1, 5) ⋅ 103 100 = 97% 10 ⋅ 103

(1,1 + 2, 7 + 2, 7 + 1, 5) ⋅ 103 100 = 80% 10 ⋅ 103

Considerando que la fracción de partículas en suspensión está constituida por las partículas inferiores a 10 μm las eficiencias de retención para uno y otro sistema estarían comprendidos entre el 90 y 97% para el PE y 55 y 78% para el CL. Es decir alrededor del 93% y del 66% respectivamente para el PE y el CL. Por lo que se refiere a la 2.a parte de la pregunta (b), tendremos que la masa de una partícula individual de 5 μm, considerada como esférica es: mp =

kg π π ⋅ (dp)3 D = (5 ⋅ 10 −6 )3 2300 = 1, 5 ⋅ 10 −13 kg 3 6 6 m

donde D es la densidad de la partícula. Por tanto el número de partículas que no han sido retenidas por ninguno de los dos sistemas serían: Precipitador Electrostático (PE): N P0

Agua salada

Ósmosis

Equilibrio osmótico

Ósmosis inversa

(a)

(b)

(c)

FIGURA 5.10. Descripción del proceso de osmosis inversa. (a) El flujo osmótico del agua a través de una membrana semipermeable es desde la solución más diluida a la más concentrada. (b) La presión que es necesario ejercer para que no ocurra flujo neto entre ambas soluciones es lo que se llama presión osmótica Po. (c) En la osmosis inversa el agua es forzado a fluir de la solución más concentrada a la más diluida mediante la aplicación de una presión P mayor que Po a la solución más concentrada.

226

CIENCIA Y TECNOLOGÍA DEL MEDIO AMBIENTE

Para terminar con este apartado sobre tratamiento de efluentes industriales de aguas procedentes de procesos industriales, simplemente decir, que no parece lógico, por la especialización que representa, ocuparnos aquí de la problemática concreta de cada tipo de industria, pero si indicar que todas las técnicas tanto físicas como químicas y biológicas estudiadas para el caso de tratamiento de aguas residuales urbanas, son de aplicación en la depuración de aguas residuales industriales.

227

TRATAMIENTO DE AGUAS Y AGUAS RESIDUALES

EJERCICIOS DE AUTOCOMPROBACIÓN 1. Resuma los tratamientos a que debe someterse un agua superficial que se vaya a dedicar a consumo humano. 2. Indique brevemente el concepto de dureza de un agua sus tipos y formas de expresarla. 3. Indique brevemente los métodos utilizados en el ablandamiento de un agua para calderas industriales. 4. ¿Qué compuestos se obtienen a partir de los elementos macronutrientes C, H, N, P y S por degradación aerobia y anaerobia? 5. Procesos de tratamiento primario de aguas residuales. 6. Tipos de tratamientos secundarios de aguas residuales. 7. Fundamento y esquema de una unidad para tratamiento de un agua por electrodiálisis. 8. Indique las medidas preventivas que deben tomarse para disminuir la corrosividad de un agua destinada a uso industrial. 9. ¿Qué procedimientos se utilizan para la neutralización y sedimentación de un agua residual industrial? 10. Explique esquemáticamente el funcionamiento de una resina cambiadora en un proceso de ablandamiento de un agua. 11. Supóngase un agua contaminada con la siguiente composición (en mg/l): Ca (HCO3)2

52

MgSO4

3

Ca Cl2

43

Mg Cl2

Mg (HCO3)2

36

Na Cl

15

Mg (HSO3)2

9

6

C6 H5-CH3

1

C6H5-NH-C2 H5

1

C6 H12 O6

1

C12 H22 O11

1

Calcúlese la dureza total, permanente y temporal, así como la DBO.

228

CIENCIA Y TECNOLOGÍA DEL MEDIO AMBIENTE

12. Uno de los métodos para eliminar la dureza temporal del agua es la adición de hidróxido cálcico (Ca(OH)2). a) Calcúlese la cantidad de Ca(OH)2, en kg/m3 de H2O, que hemos de emplear para tratar un agua que contiene 100 ppm de Ca (HCO3)2 y 100 ppm de Mg (HCO3)2. b) ¿Sería conveniente emplear un exceso de Ca(OH)2 sobre la teóricamente necesaria en el tratamiento para facilitar la eliminación de la dureza? 13. Una industria descarga sus residuos líquidos en un río cuyo caudal mínimo es de 10 m3/s. El contaminante mayoritario es un compuesto orgánico no reactivo que denominamos X. El caudal emitido es de 0,1 m3/s y la concentración de X es de 3500 mg/l. Aguas arriba del río (antes de la descarga) la concentración de X es de 30 mg/l. La agencia reguladora establece un máximo de la concentración de X de 100 mg/l. ¿Podría dicha industria verter sus aguas residuales en el río sin someterlas a un proceso previo de depuración? 14. Una planta integrada ha de tratar diversos vertidos acuosos cuya composición media es: pH= 3,0 DBO5 = 300 ppm DQO = 1.000 ppm. Densidad ≅ 1.0 kg/l Sólidos en suspensión = 850 g/m3 Sólidos disueltos = 250 g/m3 Aceites y grasas = 150 g/m3 Debe verter a un río cuya curva de autodepuración en el tramo posible de vertido presenta los siguientes puntos: Distancia al punto de vertido (m)

Oxígeno disuelto (mg/l)

150

5,1

400

6,3

550

5,5

700

5,8

850

6,0

1.000

7,0

TRATAMIENTO DE AGUAS Y AGUAS RESIDUALES

229

Se pide: a) Cuantificar las distintas corrientes de entrada y salida a un tanque de neutralización si el caudal de entrada es de 100 m3/h, si dicha neutralización se lleva a cabo mediante una disolución de NaOH al 10% en peso (densidad 1,0 kg/l), y se origínan unos lodos que suponen el 0,01% de la corriente de entrada. b) Una vez neutralizado, se determina su DQO, para ello 100 ml de muestra a la que se añaden 5,0 ml de dicromato 0,25 N, se valoran con sulfato ferroso amónico 0,25 N, consumiéndose 4,9 ml. c) Suponiendo que la fauna del río precisa concentraciones del oxígeno disuelto mayores de 5 mg/l y que nuestro vertido origina en el punto de descarga una disminución de la concentración de O2 igual o menor de 1,3 mg/l y conocido el valor de la DQO del apartado b, seleccione cuál sería el punto de descarga más apropiado. 15. Una fábrica de cerveza produce un caudal de aguas residuales de 50 m3/h cuya composición media en los parámetros que se indican es: – pH= 4,5 (no tamponado). – (DBO)5 = 1000 mg /l O2. – Sólidos en suspensión 350 mg/l. – Sólidos disueltos 1200 mg/l, de los cuales 800 mg/l son sólidos salinos y 400 sólidos orgánicos. – Oxígeno disuelto 1 mg/l de O2. Antes de su evacuación deben someterse a purificación para ajustarse a los niveles máximos permitidos por la legislación y que para los parámetros indicados son: – pH = 7 ± 0,5. – (DBO)5 = 10 mg O2/l – Sólidos disueltos (salinos) 400 mg/l – Oxígeno disuelto 4 mg /l de O2 Se pide: 1) Proponer una secuencia de operaciones de depuración, para conseguir los valores exigidos. 2) Los kg/h de Ca(OH)2 necesarios para la neutralización. 3) Los m3/h de aire necesarios para reducir la (DBO)5 considerando que un 25% de la reducción se produce por separación de materia orgánica oxidable por precipitación en los tratamientos, sin que sea oxidada.

230

CIENCIA Y TECNOLOGÍA DEL MEDIO AMBIENTE

SOLUCIONES A LOS EJERCICIOS DE AUTOCOMPROBACIÓN 1. Los principales tratamientos a que deben ser sometidas las aguas superficiales para consumo humano son: Coagulación o sedimentación de las partículas coloidales de naturaleza viva o muerta mediante la adición de sustancias floculantes que además de romper el coloide actúan adsorbiendo sobre su superficie las micelas coloidales. Para tal fin se utiliza frecuentemente sulfatos de aluminio o de hierro y también polielectrolitos, que son polímeros sintéticos de naturaleza iónica. Filtración: Se utiliza para separar la fase sólida. Se realiza haciendo pasar el agua por filtros de arena. Adsorción: La finalidad es adsorber las impurezas que pueden dar color, sabor u olor al agua. Se lleva a cabo mediante tratamiento con negro de humo en filtros adecuados. Desinfección: Tiene como finalidad eliminar los agentes patógenos del agua. Se puede realizar utilizando desinfectantes químicos, principalmente cloro gas, ó hipoclorito sódico, o bien ozono que es un agente desinfectante más enérgico. También pueden utilizarse las radiaciones ultravioleta de longitud de onda comprendida entre 240 y 280 nm. Desalinización: Las aguas muy duras o las aguas salinas que se vayan a dedicar al consumo humano, deben someterse a unos procesos para disminuir su contenido salino. Los más adecuados son la osmosis inversa, la electrodiálisis y el tratamiento con resinas cambiadoras de iones. 2. La dureza de un agua indica su contenido en iones Calcio (Ca2+) y Magnesio (Mg2+) y en menor medida de Hierro (Fe3+), Manganeso (Mn2+) y Estroncio (Sr2+). Hay 2 tipos de dureza, «la dureza temporal» es debida a los bicarbonatos y puede eliminarse por ebullición: Ca 2 + + 2HCO3– → CaCO3 ↓ +CO2 ↑ +H2O

El otro tipo de dureza se llama dureza permanente es debida a la presencia de otros tipos de aniones principalmente sulfatos, cloruros, que no pueden eliminarse por ebullición. La suma de la dureza temporal más la permanente expresada en mg/l de CaCO3 recibe el nombre de dureza total. Se consideran aguas blandas aquellas cuya dureza es inferior a 50 mg/l de Ca CO3 y duras aquellas que superan los 150 mg/l de Ca CO3.

TRATAMIENTO DE AGUAS Y AGUAS RESIDUALES

231

3. Los principales métodos de ablandamiento de aguas para la industria son: Método de la cal sodada: consiste en añadir al agua cal apagada (Ca (OH)2) más sosa (NaOH). Se producen una serie de reacciones, que en el caso de los iones Ca2+ serían: Ca (OH)2 → Ca 2 + + 2OH − HCO3– → CO32 − + H2O Ca 2 + + CO23 − → CaCO3 ↓

Si se añade un mol de Ca(OH)2 por mol de CO32– disuelto, se forma suficiente CO32– para precipitar no sólo el Ca2+ del bicarbonato sino también el Ca2+ de la cal apagada. Método del intercambio iónico: Los iones Ca2+, Mg2+, y Fe2+, se pueden retener haciendo pasar el agua por ciertos compuestos, generalmente silicatos complejos (zeolitas), que los retiene, liberándose como Na+. NaZ + M2 + → 2Na + + M ( Z)2

Método de la resinas cambiadoras: Elimina todas las sales del agua, tanto los cationes como los aniones. Las resinas cambiadoras son compuestos orgánicos sintéticos de estructura compleja, que cambian los cationes por iones hidrógeno (resina catiónica) y los aniones por grupos hidroxilos (resinas aniónica). El paso sucesivo del agua por cada una de las resinas elimina los iones respectivos. Resina catiónica A – H + M + X −

→ M + H+ X −

Resina aniónica B – OH + H + X – → B – X + H + OH –

Otro método aunque no sea realmente un ablandamiento del agua, consiste en añadir al agua compuestos derivados del ácido fosfórico, concretamente tripolifosfato sódico (Na5P3O10), que forman complejos solubles de Ca2+ y Mg2+, con lo que se evitan los efectos indeseables debidos a su presencia. 4. La degradación aerobia es un proceso biológico que se realiza en presencia de aire. Los compuestos obtenidos corresponden a los productos con mayor grado de oxidación de los elementos que se degradan. Esquemáticamente la podemos representar: Mat. compleja (C, H, O, N, S, P) ⎯ Bacterias ⎯⎯⎯→ CO2 + H2O + NO3– + + PO34− + SO24−

232

CIENCIA Y TECNOLOGÍA DEL MEDIO AMBIENTE

Los productos obtenidos son relativamente inócuos y desde el punto de vista de la contaminación poco significativos. La degradación anaerobia es la que se produce en ausencia del aire. Los productos obtenidos corresponden a compuestos de reducción de los elementos degradados. Los procesos que se producen podrían esquematizarse así: Mat. compleja (C, H, O, N, S, P) ⎯ Bacterias ⎯⎯⎯→ CH 4 + NH3 + H2S + +PH3 + CH3SH + R − NH2

Los productos obtenidos presentan olores desagradables y desde el punto de vista medioambiental tienen una incidencia negativa importante. 5. Los tratamientos primarios de aguas residuales eliminan la mayor parte de materia sólida y rebajan moderadamente la DBO. Esto se consigue dejando que los sólidos sedimenten y eliminando todas las espumas sobrenadantes. Se lleva a cabo a través de los siguientes procesos: 1. Cribado: Los grandes objetos flotantes se eliminan haciendo pasar el agua residual a través de tamices. Algunas plantas de tratamiento emplean un mecanismo denominado desmenuzador que criba y muele los materiales. Las sustancias molidas o desmenuzadas quedan en el agua y serán retiradas más tarde en una cisterna de decantación. 2. Eliminación de partículas gruesas: Arena, tierra, cenizas y pequeños guijarros sedimentan en el fondo de una cámara de impurezas. Este es un paso muy importante para ciudades con sistemas combinados de alcantarillados municipales y abiertos. 3. Eliminación de sedimentos: Mediante este tratamiento se consigue eliminar los residuos sólidos más finos que permanecen en suspensión. Para ello se utilizan tanques o balsas de sedimentación. Si es necesario, el tratamiento primario se completan cuando el efluente, del que se han eliminado impurezas y fangos, es tratado con gas cloro para destruir las bacterias patógenas. El tratamiento primario elimina aproximadamente el 35 por ciento de la DBO, el 60 por ciento de los sólidos en suspensión (en el que se incluye el 20 por ciento del nitrógeno total y el 10 por ciento del fósforo total). El tratamiento primario de las aguas residuales no suele ser suficiente y debe completarse con otros tratamientos (secundario y terciario).

233

TRATAMIENTO DE AGUAS Y AGUAS RESIDUALES

6. En el transcurso del tratamiento secundario se emplean procesos biológicos que rebajan convenientemente la DBO de las aguas residuales y eliminan las materias adicionales en suspensión. Los procesos biológicos que se utilizan, son los mismos que ocurren en la degradación natural. Los filtros de goteo y los procesos de fangos activados, constituyen los sistemas más utilizados, siendo éste último el más empleado. Un sistema eficaz de fango activado puede eliminar hasta el 90 por ciento de los sólidos en suspensión y de la DBO. Mientras que las reducciones que se consiguen con un sistema de filtro de goteo suelen ser del 80 y el 85 por ciento. Un filtro de goteo es simplemente un lecho de piedras y grava con un espesor comprendido entre 1 y 3 metros, a través del cual pasa lentamente el agua a tratar. Las bacterias se acumulan y se multiplican sobre las piedras y la grava hasta hacerse lo bastante numerosas como para consumir la mayor parte de la materia orgánica del agua residual. En la zona próxima a la superficie del filtro tienen lugar procesos aerobios importantes, pero a medida que aumenta la profundidad de lecho predomina la actividad anaerobia. En el proceso de los fangos activados, la velocidad de la acción bacteriana se ve aumentada haciendo entrar en íntimo contacto el aire y el fango con bacterias con el efluente del tratamiento primario. La reacción global, que se produce, la podemos formular así: Mat. org.+ Bacterias + O2 → CO2 + H2O + NH3 + Energía

El proceso se lleva a cabo en dos etapas en sendos tanques. Esquemáticamente el proceso puede representarse como sigue: Agua residual

Tanque de aireación

Tanque de decantación

A tratamiento terciario

Aire

Recirculación de fangos

A tratamiento de fangos

Desde la unidad de aireación el efluente fluye hacia una cuba de sedimentación secundaria, donde se recoge el fango biológicamente activo. Parte del mismo se emplea para sembrar la próxima carga de residuos procedentes de las cubas de sedimentación primarias. Este reciclaje del fango es esencial, ya que sin él no habría suficiente actividad biológica en la unidad de aireación. El efluente que procede

234

CIENCIA Y TECNOLOGÍA DEL MEDIO AMBIENTE

de la cuba de sedimentación secundaria puede verterse en las aguas naturales, o ser enviado al tratamiento terciario. 7. La electrodiálisis es un tratamiento de desalinización, que consiste en la aplicación de una corriente eléctrica a través de una muestra acuosa de agua compartimentada mediante membranas que son permeables, alternativamente a los cationes y a los aniones. Utilizando este procedimiento se puede conseguir reducir la concentración salina hasta en un 50%. 8. Las propiedades corrosivas del agua dependen de numerosos factores, como su dureza, su contenido en iones cloruro, los agentes biológicos y sobre todo de la cantidad de oxígeno disuelto, que dependerá a su vez de la mayor o menor aireación. El potencial estándar del sistema oxígeno/agua, que corresponde a la reacción: O2 + 4e– + 4H+ → 2H2O. Tiene un valor: E0 = 1,23V. El potencial redox, en otras condiciones diferentes de las condiciones estándar, vendrá dado por la ecuación de Nersnt: E = Eo +

0, 06 log PO2 − 0, 06 pH 4

Por lo tanto el potencial oxidante del agua será tanto mayor cuanto menor sea el pH y mayor sea la presión parcial de O2. En consecuencia los factores preventivos que deberán tenerse en cuenta a fin de minimizar las propiedades corrosivas de un agua serán: 1.o) Eliminar al máximo el contenido de aire en el agua (evitar la aireación), 2.o) mantener el pH a valores superiores a 7, 3.o) controlar el contenido en iones calcio y magnesio, así como la de iones cloruro, 4.o) eliminar las partículas suspendidas y las partículas adheridas, 5.o) evitar las temperaturas elevadas, 6.o) utilizar velocidades de flujo elevadas y, 7.o) utilizar aceros resistentes a la corrosión. 9. Para neutralizar las aguas residuales industriales de carácter ácido (pH < 7) se utiliza principalmente cal apagada Ca(OH)2 o también sosa (NaOH). Las reacciones de neutralización serán respectivamente: 2H + + Ca (OH)2 → Ca 2 + + 2H2O H + + NaOH → Na + + H2O

Las aguas residuales básicas (pH > 7) se suelen neutralizar con ácido sulfúrico. 2OH − + H2SO4 → SO24− → 2H2O

TRATAMIENTO DE AGUAS Y AGUAS RESIDUALES

235

Generalmente los procesos de neutralización se realizan en un tanque en continuo. Posteriormente la sedimentación de las partículas suspendidas se realiza también en un tanque de sedimentación. Para favorecer dicho proceso se agregan, como ya se ha dicho en otro lugar, sustancias floculantes, tales como sulfatos de aluminio o de hierro, alúmina o bien polielectrolítos de naturaleza catiónica o aniónica. 10. Las resinas cambiadoras de iones son sustancias orgánicas insolubles de peso molecular alto, que tienen grupos iónicos como parte integrante de su estructura molecular. Cuando se ponen en contacto con soluciones que contienen iones inorgánicos, dichas resinas cambian sus iones hidrógeno o hidróxilo por los cationes y aniones inorgánicos de la solución. Con el tiempo las resinas se agotan y deben ser regeneradas. La regeneración se consigue por desplazamiento de los cationes de la resina catiónica, o los aniones de la resina anionica, por los protones o los hidróxilos de un ácido o una base fuerte respectivamente. 11. Solución: La dureza total (expresada en mg/l CaCO3) es: DT = 52 ⋅

100 100 100 100 100 100 + 3⋅ + 43 ⋅ +6⋅ + 36 ⋅ +9⋅ = 162 120, 3 111 95, 3 146, 3 186, 3 = 109, 0

mg CaCO3 l

La dureza temporal es debida a los bicarbonatos (expresada en mg/l de Ca CO3), será: D t = 52

100 100 + 36 = 56, 7 mg/l CaCO3 162 146, 3

La dureza permanente, debida a la presencia de iones sulfatos y otros aniones que no precipitan por ebullición, también se expresa en mg/l de Ca CO3. Dp = 3 ⋅

100 100 100 100 + 43 +9 +6 120, 3 111 186, 3 95, 5 D p = 52, 3

mg CaCO3 l

236

CIENCIA Y TECNOLOGÍA DEL MEDIO AMBIENTE

La DBO es la cantidad de oxígeno necesaria para oxidar la materia orgánica contenida en el agua. Vamos a suponer que la oxidación es total y que conduce a CO2 y H2O. Las reacciones de oxidación serían respectivamente: C6 H5 − CH3 + 902 → 7CO2 + 4H2O C6 H5 − NH − C2H5 + 43 / 4O2 → 8CO2 + 11 / 2H2O + 1 / 2N2 C6 H12O6 + 6O2 → 6CO2 + 6H2O C12H22O11 + 12O2 → 12CO2 + 11H2O

Por lo tanto la DBO (mg O2/l) calculada de acuerdo con las reacciones anteriores, será: DBO =

288 344 192 384 mg + + + = 8, 2 O2 92 121 180 342 l

12. Solución: a) En este caso la dureza temporal se elimina precipitando los iones calcio y magnesio del agua añadiendo hidróxido cálcico. La reacción que se produce es: Ca (HCO3 )2 + Ca (OH)2 → 2CaCO3 + 2H2O

y de igual modo Mg (HCO3 )2 + 2Ca (OH)2 → 2CaCO3 + Mg (OH)2 ↓ 2H2O

En disoluciones acuosas las ppm (partes por millón) equivalen a mg/l o bien g/m3, por tanto si llamamos X a la cantidad necesaria de Ca(OH)2. X = 100

g 3

m

10

−3

Kg 74 g Kg 74 2 + 100 3 10−3 g 146,3 g 162 m

X = 0,147 Kg/ m3 de Ca(OH)2

b) No sería conveniente puesto que el exceso de Ca(OH)2 aumentaría la dureza permanente del agua, debido a que presenta una solubilidad relativamente alta.

237

TRATAMIENTO DE AGUAS Y AGUAS RESIDUALES

13. El esquema del proceso es : X 0,1 m3/s (3.500 mg/l) 10 m3/s ≈≈≈≈≈≈≈≈≈≈≈≈≈≈≈≈≈≈≈ 10,1 m3/s (100 mg/l) X (30 mg/l) La concentración de X después del vertido se calculará mediante un balance de materia:

Conc X final =

30

mg l mg l 10 ⋅ 103 + 3500 0,1 ⋅ 103 l s l s = 64 mg l l (10 + 0,1)103 s

Dado que: 64 mg/l < 100 mg/l, la industria puede verter sus residuos al río sin depurar previamente sus efluentes. 14. Solución: a) El esquema de la instalación sería el representado por: NaOH 10% (d = 1g/ml) Agua a tratar 3

(100 m /h)

Agua tratada Sedimentador

Lodos (0,01% de entrada)

1º) La cantidad de solución de NaOH necesaria es: pH = 3 por tanto ⏐H+⏐= 10–3 la reacción de neutralización sería: H + + NaOH → H2O + Na + NaOH = 10 −3

mol g 100 40 = 0, 4 g/l NaOH (10%) 1 mol 10

238

CIENCIA Y TECNOLOGÍA DEL MEDIO AMBIENTE

la cantidad total de NaOH para neutralizar los 100 m3/h, será: 0, 4

1 g m3 kg NaOH (10%) ⋅ 100 ⋅ 103 3 ⋅ 10 –3 NaOH (10%) l h g m

que equivale a: 40

1 kg m3 l⋅ ⋅ 10 −3 = 4 ⋅ 10 −2 m3 / h de NaOH (10%) h kg l

2.o) Los lodos separados serán el 0,01% de la entrada, esto es: Lodos = 100

0, 01 m3 = 0, 01 100 h

que equivalen a 0, 01

m3 ml g kg kg ⋅ 106 3 l ⋅ 10 −3 ⋅ = 10 Lodos h ml g h m

3.o) La corriente de salida del agua tratada se calculará aplicando un balance de materia. Agua tratada = Agua a tratar + NaOH (10%) – Lodos 100

m3 m3 m3 m3 + 4 ⋅ 10 −2 − 10 −2 = 100, 039 h h h h

o, lo que es lo mismo: 100,039

g kg kg m3 ml ⋅ 106 3 l ⋅ 10 −3 = 100039 h ml g h m

b) En este caso se calcula la DQO utilizando dicromato potásico en exceso como oxidante y sulfato ferroso amónico para valorar el exceso de oxidante (valoración por retroceso). Por tanto: n .º milieq de Cr2O27− − n .º milieq FeSO4 = n .º milieq O2 = = n .º milieq mat. org. reduc. m gO2 32 / 4 mg O2 = 0, 2 mg en 100 ml de agua

n .º milieq O2 = (5,0 − 4, 9) ⋅ 0, 25

239

TRATAMIENTO DE AGUAS Y AGUAS RESIDUALES

y: 1000 mg O2 100 l mg DQO = 2 O2 l

DQO = 0, 2 ⋅

c) La curva de DBO del agua del río se representa en el siguiente gráfico: DBO V. óptimo

7 mg/l O2

V. alternativo

6

5 200

400

600

800

1000 m

Deberá seleccionarse cualquier punto situado por encima de la línea correspondiente a un contenido en O2 disuelto igual o mayor de 6,3 (5 + 1,3). Obviamente el punto óptimo será el que corresponde a una distancia de aproximadamente 1000 m, aunque también podría seleccionarse un punto situado hacia los 400 m, en donde el contenido en O2 es de aproximadamente 6,3 si bien en este punto se estaría en el límite de supervivencia de la fauna del río. 15. Solución: El esquema del proceso de depuración sería el siguiente: Ca(OH)2

Agua a tratar

Ajuste pH

Trat. 1º

Trat. 2º

Trat. 3º

Agua depurada

1.o) En la primera unidad se ajusta el pH utilizando hidróxido cálcico. A continuación se hace un tratamiento primario que elimina principalmente las partículas en suspensión con lo que se reduce la

240

CIENCIA Y TECNOLOGÍA DEL MEDIO AMBIENTE

(DBO)5 en un 25%. Dicho tratamiento consiste en una separación de los sólidos por filtrado y sedimentación. Seguidamente el agua se somete a un tratamiento secundario utilizando fangos activados por ejemplo, con lo que se consigue la oxidación de la materia orgánica contenida en el agua. Por último, el agua, opcionalmente podría someterse a un tratamiento terciario para eliminar los sólidos disueltos, mediante un proceso de osmosis inversa o utilizando resinas cambiadoras de iones. También si el agua se va a a reciclar, se debería desinfectar, además de someterla a un proceso de aireación para su oxigenación. 2.o) La concentración de protones en el agua (pH = 4,5) será: H + = 10 −4,5 ; o bien OH − = 10 −9,5

por lo que la cantidad de Ca (OH)2 será: Ca(OH)2 =

mol g g 1 ⋅ 10 −4,5 ⋅ 74 = 1,17 10 −3 Ca(OH)2 l mol l 2

o bien 1,17 ⋅ 10 −3

g l m3 g = 58, 5 Ca(OH)2 Ca(OH)2 ⋅ 103 3 ⋅ 50 l h h m

3.o) El oxígeno consumido en el proceso de la reducción de la DBO, será: (O2 )cons. = (DBO)entrada − (DBO) salida − (O2 )entrada + (O2 ) salida (O2 )cons. = 103 ⋅

mg 75 O2 − 10 − 1 + 4 = 743 l 100

o bien 743

mg l m3 mg O2 ⋅ 103 3 ⋅ 50 = 3, 715 ⋅ 10 7 O2 = 3, 715 ⋅ 10 4 g/h de O2 l h h m

que equivale a un volumen medido a {25 oC y 1 atm} de:

TRATAMIENTO DE AGUAS Y AGUAS RESIDUALES

PV = nRT = VO2 =

241

m RT MO2

3, 751 ⋅ 10 4 g 0, 082 atm. l. 298 K l O2 ⋅ = 2, 86 ⋅ 10 4 32 g/mol h 1 atm. mol K h < > 28, 60

m3 O2 h

Si suponemos que el aire contiene un 21% en volumen de O2, el volumen de aire será: Vaire = VO2 Vaire = 28, 60

100 21

100 m3 = 136, 39 aire 21 h

Capítulo 6 RESIDUOS URBANOS, INDUSTRIALES Y RADIACTIVOS

Objetivo general: En este tema se estudian las características y propiedades de los diferentes tipos de residuos producidos por la sociedad actual, así como las diversas actuaciones necesarias para una adecuada gestión de los mismos. Objetivos específicos: 1. Determinar los diferentes tipos de actividades que dan lugar en su conjunto a los residuos sólidos urbanos, (RU). 2. Relacionar las cantidades producidas y las características de los RU con el nivel de vida de la población. 3. Razonar la previsible evolución en la composición de los RU. 4. Enjuiciar la idoneidad de los diferentes métodos utilizados para la eliminación de los RU. 5. Familiarizarse con las diferentes técnicas o métodos de tratamiento de residuos para la recuperación de diversos tipos de materiales. 6. Establecer la importancia de la reutilización y/o recuperación de los residuos. 7. Valorar los aspectos económicos relacionados con la gestión de los RU. 8. Asignar el carácter de residuo tóxico y peligroso a un determinado residuo. 9. Establecer los diferentes orígenes de los residuos radiactivos. 10. Explicar las características particulares de cada una de las alternativas aplicables a la disposición final de los residuos radiactivos.

6.1. LOS RESIDUOS SÓLIDOS: DEFINICIÓN, ORIGEN Y CLASIFICACIÓN A lo largo de los tiempos, la actividad humana, basada en la explotación de los recursos naturales, ha ido creciendo desde unos niveles iniciales muy escasos hasta los niveles actuales en los que los progresos tecnológicos han traído como consecuencia un potente desarrollo económico y una notable mejora en las condiciones de vida del hombre. Fruto también de esa actividad humana ha sido la producción creciente de desperdicios o residuos que han llegado a convertirse en un problema de primera magnitud a nivel medioambiental y cuya resolución es uno de los retos que tiene planteados nuestra sociedad. Otras causas que también inciden en la generación de residuos son: el crecimiento demográfico, la vida en las ciudades, un consumismo exagerado, la explotación incontrolada de los recursos naturales, crecimiento de la actividad industrial etc. Parece por tanto que la solución al problema de los residuos debe llegar como consecuencia de actuaciones sobre el propio residuo. Es decir, damos por sentado que, aunque se puede limitar la generación de residuos de forma importante, ésta va a seguir produciéndose, ya que en cierto modo son una consecuencia de la 2.a ley de la termodinámica. Como se verá en el siguiente apartado, las actuaciones deberán encaminarse sobre todo en la dirección de la minimización en su producción, y después en el reciclado, la reutilización y recuperación de subproductos, lo cual es una forma indirecta de disminuir el volumen de los mismos, todo ello contribuirá al mismo tiempo a disminuir la toxicidad y los efectos adversos sobre el medio ambiente de lo restos no utilizables. No resulta fácil dar una definición general de término «residuos» dado su gran diversidad y origen. La OCDE los define como «Aquellas materias o productos generados como consecuencia de cualquier actividad o proceso productivo, ya sea físico, químico o biológico, que no alcanzan ningún valor económico debido a que: 1) no existe tecnología ni

246

CIENCIA Y TECNOLOGÍA DEL MEDIO AMBIENTE

mercado que posibilite su uso y 2) Aunque tenga un cierto valor, no es utilizable económicamente debido a su dispersión». Este último sería el caso de los residuos agrícolas. Por otra parte la Ley de Residuos 10/1998 (BOE 22/4/98) da una definición general de residuo como «Cualquier sustancia u objeto perteneciente a algunas de las categorías que figuran en el anejo de esta ley, del cual su poseedor se desprenda o del que tenga la intención u obligación de desprenderse. En todo caso, tendrán esta consideración los que figuren en el Catálogo Europeo de Residuos (CER), aprobado por las instituciones comunitarias». Posteriormente define específicamente los diferentes tipos de residuos: «residuos urbanos y municipales», «residuos peligrosos», «residuos industriales» etc., e indica sus formas de gestión. Los residuos se pueden clasificar según diferentes criterios. Algunas de las clasificaciones mas utilizadas se presentan en la Tabla 6.1. TABLA 6.1. Posibles clasificaciones de los residuos sólidos I. Por su estado de agregación

– Gaseoso – Líquido – Sólido

II. Por su naturaleza

– Físico – Químico – Biológico

III. Por su origen

– – – – – – – –

IV. Por su peligrosidad

– Inertes – Peligrosos y No Peligrosos

Sólidos Urbanos Industriales Agrícolas y ganaderos Mineros Transporte Hospitalarios Construcción Radiactivos..., etc.

6.2. RESIDUOS SÓLIDOS URBANOS En sentido amplio por residuos sólidos entendemos todos los materiales sólidos desechados por los núcleos de población, y por las actividades industrial y agropecuaria.

RESIDUOS URBANOS, INDUSTRIALES Y RADIACTIVOS

247

Vemos por tanto que dentro de la gran variedad de residuos posibles, están los generados en las áreas urbanas como consecuencia de la actividad de sus habitantes. Estos residuos, conocidos como residuos sólidos urbanos, RSU, consisten en todo tipo de materiales sólidos y semisólidos desechados por una comunidad. La fracción de los RSU producidos en las viviendas se llama basura. La antigua Ley 42/ 1975 de 19 de Noviembre (BOE de 21 de noviembre de 1975), sobre desechos y residuos sólidos urbanos, entiende en general los residuos como todo material resultante de un proceso de fabricación, transformación, utilización, consumo o limpieza, cuando su poseedor o productor los destina al abandono. Asimismo entiende por desecho cualquier producto deficiente, inservible o inutilizable que su poseedor destina al abandono o del que quiere desprenderse. La Ley de Residuos 10/1998, define los RSU como «Aquellos que son generados en los domicilios particulares, comercios, oficinas y servicios, así como todos aquellos que no tengan la calificación de peligrosos y que por su naturaleza o composición puedan asimilarse a los producidos en los anteriores lugares o actividades». Tendrán también la consideración de residuos urbanos los siguientes: — Residuos procedentes de limpieza de vías públicas, zonas verdes, áreas recreativas y playas. — Animales domésticos muertos, así como muebles, enseres y vehículos abandonados. — Residuos y escombros procedentes de obras menores de construcción y reparación domiciliaria.

6.2.1. Cantidades, composición y propiedades de los RSU El conocimiento de la producción de RSU es el dato más importante para poder llevar a cabo una buena gestión de los mismos es decir una recogida, transporte, tratamiento y disposición final adecuados. La experiencia demuestra que la generación de RSU es función de diversos parámetros entre los que pueden citarse el nivel de vida de la población, el día de la semana, la semana del año, el clima, los métodos de envase y embalaje de productos, etc. Las cantidades de RSU se pueden expresar en peso o volumen. El primero constituye un dato más preciso y fácil de medir por lo que su uso está más generalizado. También se utiliza el concepto de producción por

248

CIENCIA Y TECNOLOGÍA DEL MEDIO AMBIENTE

habitante, que representa una media, y que es por tanto un dato teórico. La producción española de RSU se estima en 16 millones de toneladas/año, lo que equivale a una tasa de producción que oscila entre 1,1 y 1,8 kg/persona.día. Otro dato importante en orden a una buena gestión de los RSU es el conocimiento de su composición. Al igual que ocurría con las cantidades, la composición de los RSU depende de factores tales como el clima, el nivel de vida de la población, los hábitos sociales, la época del año, el grado de urbanización e industrialización de la zona, etc. En la Tabla 6.2, se presenta la composición media de los RSU en España, y en diversos países de la U.E. TABLA 6.2. Composición de los RSU en España y en diversos países de la U.E. expresado como porcentajes en peso de los diversos materiales que contienen Países

Componentes

España Alemania Dinamarca

Papel y cartón Plásticos Metales Materia orgánica Materiales inertes Otros materiales

20 7 4 49 6 14

27 6 5 38 13 11

35 4 4 17 8 32

Francia G.Bretaña Holanda

35 5 5 37 8 10

30 3 9 30 9 19

21 6 3 49 16 5

Italia

23 7 3 42 7 18

Como ya hemos dicho, cantidades y composición son las dos variables que más influyen en el proceso de gestión de los RSU, y en cuanto a los datos sobre composición, habremos de indicar, además, a qué momento del proceso de gestión están referidas ya que pueden variar a lo largo del mismo, debido a que se producen transferencias de humedad entre los diversos componentes. Por lo que respecta a la tendencia general respecto a la producción de RSU puede indicarse que son previsibles aumentos anuales del 1 al 3% dependiendo del tamaño de la población que se considere. Referente a su composición la tendencia es hacia un mayor contenido en materiales combustibles e inertes y una disminución en materiales fermentables. Ambos datos son muy importantes de cara a los proyectos de futuras plantas de tratamiento. Además de la composición, otras características a tener muy en cuenta en la gestión de los RSU son su densidad, humedad, composición quí-

RESIDUOS URBANOS, INDUSTRIALES Y RADIACTIVOS

249

mica, y poder calorífico. La composición química se suele expresar como análisis elemental y varía enormemente dependiendo del tipo de residuo. También es posible caracterizar un residuo por su contenido en humedad, fracción combustible y cenizas. La composición media de un RSU oscila alrededor de los siguientes valores: fracción combustible 40%; cenizas 25% y humedad 35%. La densidad tiene una gran repercusión sobre los medios de recogida necesarios, y sobre las posibilidades de tratamiento. Suele variar en origen entre 0,1 y 0,3 g/cc, equivalente a 100-300 kg/m3, pero puede aumentar hasta 900 kg/m3 en el proceso de recogida y triturado antes de su disposición final. La humedad en origen de los RSU varía con su composición y con la estación del año. Los valores de humedad suelen estar comprendidos entre un 20 y un 60%. El poder calorífico es un dato muy importante de conocer sobre todo si el tratamiento que se va a dar finalmente a los mismos es la incineración. Depende fundamentalmente de la humedad y de la naturaleza y contenido de los materiales combustibles e inertes. El poder calorífico de los diferentes materiales puede oscilar desde los 40.000 kJ/kg de los componentes del residuo con alto poder calorífico, como es el caso de los plásticos, hasta cero para los componentes no combustibles, pasando por los valores intermedios de las fracciones de papel y cartón, con 16.000 kJ/kg, los 8.000 kJ/kg de la fracción vegetal y los 5.000 kJ/kg de los residuos de alimentos. El valor medio de este parámetro suele estar comprendidos entre 3.500 y 7.000 kJ/kg.

6.2.2. Gestión de los Residuos Sólidos Urbanos Se suele denominar gestión de los RSU al conjunto de operaciones que van desde su recogida hasta su eliminación, siempre que se efectúen adecuadamente tanto desde el punto de vista sanitario como medioambiental. En la figura 6.1, se presentan las fases y tratamientos en la gestión de los RSU. Recogida y transporte. La fase de recogida y transporte es la más costosa en términos económicos, ya que representa del orden del 80% de todos los gastos de gestión, y comprende toda la serie de operaciones que es preciso realizar para la retirada de los RSU desde el punto en que los sitúa o abandona el productor, hasta su descarga o entrega en el lugar de eliminación o instalación de aprovechamiento. En las medianas y grandes poblaciones la recogida suele hacerse a diario, bien diurna o nocturna, mediante vehículos diseñados para tal fin.

250

Vertedero incontrolado Recogida

Transporte

Trasferencia

Eliminación

Vertedero controlado Tratamientos

Clasificación/valoración

Vidrio Metales Papel y cartón Plásticos Fracción orgánica – Compostaje – Gasificación Incineración

Pirolisis / Gasificación

FIGURA 6.1. Fases y Tratamientos en la gestión de los residuos urbanos.

CIENCIA Y TECNOLOGÍA DEL MEDIO AMBIENTE

• • • • •

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RESIDUOS URBANOS, INDUSTRIALES Y RADIACTIVOS

El transporte puede ser directo al destino de eliminación o tratamiento, o bien pasar por una fase intermedia o estación de transferencia. En este último caso los vehículos de recogida depositan los residuos en la estación de transferencia y de aquí son posteriormente trasladados al vertedero definitivo en grandes contenedores. Debido a que como hemos dicho la fase de recogida y transporte es la más cara, se van introduciendo nuevos métodos para reducir costes. Algunos de los más utilizados son los siguientes: Tuberías neumáticas. Han sido instaladas en pequeñas comunidades de numerosos países. Los desechos se depositan en la tubería y son absorbidos a través de las tuberías subterráneas que los llevan hasta una planta central de procesado. Compactadores. Su nombre indica como actúan. Los hay individuales y para establecimientos comerciales y comunidades. Optimización de las rutas. Existen varios programas de ordenador para seleccionar las rutas y frecuencias de recogida más económicas. En la elaboración de un plan de recogida de RSU hay que tener muy en cuenta la siguiente información de cara a establecer un servicio lo más racional posible: características y cantidades de los residuos a recoger, estructura urbana, tipo de edificaciones, anchura de calles, sentidos de la circulación, distancia al centro de eliminación, normalización de cubos y recipientes de recogida, etc. Una vez los residuos están en el lugar de eliminación o tratamiento, comienzan un conjunto de operaciones encaminadas a dar a los mismos el destino final más adecuado desde el punto de vista de la salud humana, los recursos naturales y el medio ambiente. Las formas de gestión de los RSU son muy diversas dependiendo del país. En España los porcentajes estimados en las formas de gestión de los RSU año 1999, así como las metas a alcanzar al final del Plan Nacional de Residuos 2000-2006, publicado en la Resolución del 13 de enero de 2000, (BOE N.o 28 de 2/02/00), se presentan en la Tabla 6.3.

TABLA 6.3. Formas de gestión de los RSU en España en el año 1999 y previsiones para el 2006, según el Plan Nacional de Residuos 2000-2006 Forma de Gestión Vertido Incontrolado Vertido Controlado y autorizado Valoración energética Clasificación y reciclado Compostaje

Porcentaje (1999) < 5% 60-70% 5-7% 3-5% 15-20%

Porcentaje (2006) 0% 33,10% 17,70% 24,96% 24,24%

252

CIENCIA Y TECNOLOGÍA DEL MEDIO AMBIENTE

En otros países como la Gran Bretaña la principal forma de gestión de los RSU es el vertedero controlado con un porcentaje superior al 85%, en tanto que en otros como Japón debido a la escasez de suelo la forma de gestión más empleada es la incineración. La tecnología ofrece múltiples soluciones para la disposición final de los RSU pudiéndose distinguir entre las que no procesan el desecho y las que lo procesan previamente. Entre las primeras las que ofrece mejores resultados y tiene más garantías es el vertido controlado con trituración y compactación (Sanitary Landfill en inglés) que es la que nos vamos a ocupar a continuación.

6.2.2.1. Vertedero controlado Un vertedero se considera sanitariamente controlado cuando se toman todas las medidas necesarias para evitar que resulte nocivo, molesto o cause deterioro al medio ambiente. Cuando se selecciona un lugar para vertedero sanitariamente controlado deben tenerse en cuenta los siguientes aspectos: Drenaje del terreno, dirección del viento, distancia a la zona de recogida, tamaño del vertedero, producción de lixiviados, formación de gases, ruidos, olores, contaminación del aire, incendios, ratas, moscas, mosquitos, pájaros, rotura del paisaje y utilización final de los terrenos del vertedero una vez clausurado. Los vertederos controlados de RSU se suelen clasificar según sean con trituración previa o no, y según su grado de compactación. Dependiendo de como se dispongan los residuos y la tierra de cubrición, de lo que resulta el grado de compactación, se distinguen tres tipos de vertederos: De baja, media y alta densidad. En los de baja densidad los residuos se extienden y compactan en capas de 1,5 a 2,5 m de espesor que se cubre con una capa de tierra de unos 20-30 cm. Es necesaria una cubrición diaria. La densidad que resulta es de unas 0,5 t/m3. En los de densidad media, con valores de 0,8 t/m3, las capas de residuos tienen espesores inferiores a los de baja densidad y no necesitan una cubrición tan frecuente. El espesor de las capas de residuos en los de alta densidad es más pequeño que en los dos casos anteriores, lo que unido a la utilización de equipos compactadores potentes, dan como resultado densidades aproximadamente de 1 t/m3. Fijémonos ahora en los procesos de un vertedero controlado. En el fondo, un vertedero controlado es un reactor en el cual tiene lugar una serie de procesos físicos, químicos y sobre todo biológicos, en especial de

RESIDUOS URBANOS, INDUSTRIALES Y RADIACTIVOS

253

tipo anaerobios y en menor escala aerobios, que transforman los desechos en un residuo inerte al tiempo que se emiten una serie de gases y lixiviados líquidos. Efectivamente, en ausencia de oxígeno se produce una descomposición anaeróbica de los mismos que degrada la materia orgánica a formas más estables, y da lugar a la formación de diversos gases que se denominan biogás. El biogás está formado principalmente por metano, 60%, y anhídrido carbónico, junto con otros gases en mucha menor proporción. La tasa anual de gas metano generada un vertedero está comprendida entre 2,5 y 3,7 l/kg residuo por año, lo que representa entre 50 y 100 l/kg de residuo a lo largo de la vida activa del vertedero. Dado que el metano es un gas inflamable y puede explotar si su concentración en el aire está comprendida entre el 5 y el 15% en volumen, un riesgo que debe controlarse en la gestión del vertedero es su posible explosión. Por ello el control del biogás se realiza facilitando su salida a través de una red de drenajes y pozos que impiden su acumulación. Tradicionalmente se provocaba su combustión mediante antorchas situadas en la salida de cada pozo. Actualmente los pozos están interconectados por un sistema de tuberías que permite concentrar todo el gas en un punto y proceder a su combustión mediante antorchas especiales o bien conducirlo a instalaciones de recuperación energética. El poder calorífico medio del biogás que se produce es del orden de los 16000 kJ/m3, lo que posibilita su aprovechamiento para la generación de energía eléctrica o térmica. Los líquidos producidos durante los procesos de descomposición de los desechos, junto con los que resultan de la filtración del agua de lluvia a su través, dan origen a la formación de los lixiviados que son líquidos muy contaminantes caracterizados por sus valores extremos de pH, DQO, Namoniacal, fuerte coloración, así como por un intenso y desagradable olor. La cantidad de lixiviados producidos en un determinado vertedero es difícil de calcular y depende principalmente de los siguientes factores: Composición de los desechos vertidos, impermeabilización del vertedero, climatología de la zona, hidrogeología del lugar, etc. Se han desarrollado diversos modelos para predecir la producción de lixiviados partiendo del conocimiento de los factores anteriormente citados. Los lixiviados que se producen en un vertedero debido a su elevada carga contaminante, deben tratarse antes de su vertido a cualquier cauce receptor. Existen múltiples alternativas para el tratamiento de los lixiviados, cada una de ellas con una serie de ventajas e inconvenientes. Aquí tan sólo se van a mencionar aquellas que por su implantación son conside-

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CIENCIA Y TECNOLOGÍA DEL MEDIO AMBIENTE

radas más interesantes. Hay que resaltar, que debido a la complejidad de estos efluentes, no es efectivo un sistema individual de depuración, ya que ninguna alternativa permite por sí sola alcanzar un grado de depuración aceptable. Las distintas técnicas utilizadas se pueden clasificar como sigue: • Transferencia: A estaciones depuradoras urbanas o del propio vertedero. • Tratamientos biológicos: Aerobios o anaerobios. • Tratamientos físico-químicos: Precipitación química, oxidación-reducción química, adsorción sobre carbón activo, ósmosis inversa, eliminación de amoníaco. Los vertederos sanitariamente controlados, una vez agotada su capacidad de recepción de residuos deben ser clausurados y procederse a su sellado que tiene por objeto preparar el área para los posteriores trabajos de recuperación del paisaje. La recuperación de los terrenos destinados a vertederos se debe considerar ya en el proyecto de construcción. Teniendo en cuenta la localización más corriente de este tipo de vertederos, en la mayoría de los casos la recuperación de los terrenos suele consistir en la repoblación forestal u ornamental, o bien la dedicación a parque público, campos de deporte, etc.

6.2.2.2. Tratamientos térmicos de Residuos Sólidos Urbanos Dentro de los métodos de disposición final de RSU que utilizan algún tratamiento previo de los mismos, vamos a considerar sucintamente aquellos que suponen una reducción de volumen previa a su eliminación y que son la incineración, la pirólisis y la pirólisis-gasificación. La incineración consiste en la combustión controlada de los RSU en hornos adecuados. El proceso presenta una serie de ventajas pero también serios inconvenientes. Las primeras se pueden concretar en las siguientes: — El proceso implica una gran reducción del volumen y del peso inicial del residuo, que como ya se ha indicado puede llegar a ser superior al 90% en volumen y de alrededor del 70% en peso. Al contrario de lo que ocurre con un vertedero controlado la planta de incineración puede ubicarse en lugares más próximos a los puntos de colección y además necesitan de un espacio notablemente inferior al de un vertedero, lo cual implica una reducción de costes de recolección, de transporte y de inversión en terrenos. — El residuo obtenido es biógicamente estéril, que puede emplearse como agente conglomerante en la construcción.

RESIDUOS URBANOS, INDUSTRIALES Y RADIACTIVOS

255

— Se evita la producción de metano, que es considerado como un gas con efecto invernadero muy acusado. — El calor de combustión del residuo puede utilizarse para producir agua caliente para uso domestico, o generar vapor de agua y producir energía eléctrica. — La incineración es la mejor manera de gestionar ciertos tipos de residuos como son los residuos hospitalarios o los residuos altamente inflamables. Dentro de los inconvenientes destacan los siguientes: — Las instalaciones de incineración son costosas no sólo en inversión inicial, sino también en su mantenimiento. — Los gases procedentes de la incineración son de carácter tóxico debiendo ser depurados antes de su emisión a la atmósfera. — Con frecuencia el residuo de la incineración contiene restos de metales pesados que por su carácter tóxico deben ser gestionados como residuos peligrosos. — Las instalaciones de incineración son poco versátiles, ya que se diseñan específicamente en base al poder calorífico del residuo que deben mantenerse dentro de un estrecho margen. — Existe un gran rechazo social en su ubicación debido a los problemas mediambientales que potencialmente puede generar, sobre todo si no se controlan adecuadamente las emisiones gaseosas (dioxinas y furanos) y los residuos sólidos finales (metales pesados). Los principales factores a considerar al diseñar una instalación de incineración, son los siguientes: — Composición del residuo, en especial de la fracción combustible. — La potencia calorífica del residuo, que debe oscilar entre unos valores límites de 1000 kJ/kg y 10000 kJ/kg. — Temperatura del lecho de combustión — Tiempo de residencia. — Relación aire/residuo. De los datos anteriores podremos saber el calor que se va a desprender, el volumen y la composición de los humos que se van a producir, el residuo final etc. Por este motivo, como se ha mencionado anteriormente, las variaciones en la composición de los residuos constituyen un problema muy importante en la explotación de este tipo de instalaciones.

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CIENCIA Y TECNOLOGÍA DEL MEDIO AMBIENTE

En la Tabla 6.4 se indica el % de RSU incinerados en España y diversos países de la Unión Europea, así como el % llevado a cabo con recuperación energética. La mayoría de las instalaciones en funcionamiento operan de forma continua y cuentan con un sistema de depuración de efluentes gaseosos. Además, aprovechan también la chatarra contenida en las escorias y cenizas. TABLA 6.4. Porcentajes totales de incineración y de incineración con recuperación energética en diversos países de la UE País Bélgica Dinamarca Alemania España Francia Italia Holanda Gran Bretaña

% total incinerado% 22,5 32,0 33,0 7,0 38,0 14,5 43,5 10,0

Incinerado con recuperación energética 6,5 31,0 31,0 5,5 26,0 4,0 32,0 2,5

Dos problemas adicionales a la utilización de la incineración como método de tratamiento son, de una parte, que las cenizas que resultan presentan contenidos elevados en metales pesados y otros compuestos tóxicos, por lo que su disposición definitiva es problemática, y de otra, que es necesario controlar la emisión de los gases producidos, lo que eleva los costes de operación de forma notable. Si a esto unimos los costes de capital necesarios, resulta que la incineración es un método de tratamiento caro. En la Tabla 6.5 se presentan los valores límites de emisión de las plantas incineradoras según el Real Decreto 653/2003. Otro método de tratamiento de RSU con reducción del volumen, que presenta determinadas ventajas sobre la incineración es la pirólisis que consiste en una ruptura térmica de las moléculas por el calor, en ausencia de oxígeno. De esta manera se obtienen productos combustibles gaseosos, líquidos y sólidos (gas combustible, alquitranes y carbón) que poseen valor económico. Para el caso concreto de los RSU los valores estimados de la potencia calorífica de dichas fracciones comparadas con las de combustibles tradicionales son los siguientes: Gases combustibles Alquitranes Residuo sólido

18MJ/m3 25MJ/kg 19MJ/kg

< > (Gas natural 37MJ/m3) < > (Petróleo 46MJ/kg) < > (Carbón bituminoso 30MJ/kg)

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RESIDUOS URBANOS, INDUSTRIALES Y RADIACTIVOS

TABLA 6.5. Valores límites de emisión a la atmósfera de una planta de incineración de residuos sólidos (Real decreto 653/2003, BOE 142 de 30/05/03) Contaminante

Valor límite*

Materia particulada Cloruro de hidrógeno (HCl) Fluoruro de hidrógeno (HF) Dióxido de azufre (SO2) Óxidos de nitrógeno (NOx) COVs, (expresado como carbono orgánico) Cadmio (Cd) Mercurio(Hg) Otros metales (Pb;Cr;Cu;Ni;V;etc) Dioxinas y furanos

10 mg/m3N 10 mg/m3N 1 mg/m3N 50 mg/m3N 200 mg/m3N 10mg/m3N 50 μg/m3N 50 μg/m3N 500 μg/m3N 0,1 ng/m3N

* Valores medios diarios.

El rendimiento de las diversas fracciones de la pirólisis depende de tres factores: temperatura, velocidad de calentamiento, y tiempo de residencia. En líneas generales temperaturas de pirólisis altas (< 700 oC), con altas velocidades de calentamiento y bajos tiempos de residencia, conducen a un alto rendimiento de la fracción gaseosa, en tanto que temperaturas de pirólisis bajas o moderadas (400-600 oC), bajas velocidades de calentamiento y tiempos de residencia conducen a rendimientos altos de la fracción líquida. En la figura 6.2 se presentan los diversos productos que resultan de someter a un proceso de pirólisis los RSU. Actualmente se están ensayando métodos mixtos de pirólisis-gasificación en el tratamiento de RSU, que origina como productos finales gas de síntesis (CO + H2) y un residuo sólido que debe gestionarse como residuo tóxico. El gas de síntesis puede ser utilizado para generación de energía, o también como materia prima para la síntesis de otros productos como metanol.

6.2.2.3. Separación y recuperación de las fracciones para su aprovechamiento o reciclado Hay que indicar, que tanto la incineración como la pirolisis son métodos de tratamiento cuyo principal objetivo es convertir los RSU en algo más fácilmente eliminable. A continuación vamos a considerar aquellos métodos de tratamiento de RSU cuya finalidad primordial es la clasificación para la recuperación de materiales.

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CIENCIA Y TECNOLOGÍA DEL MEDIO AMBIENTE

Residuo sólido urbano Clasificación Pirólisis

Carbón

Líquidos

Gases

CO2

Agua

Metanol

Alquitrán

Acido Acético

CO

H2

CH4

Otros compuestos orgánicos

FIGURA 6.2. Productos que resultan de someter a un proceso de pirólisis los RSU

La Ley de Residuos (10/1998) impone a las Entidades Locales la obligación de la gestión de los Residuos Sólidos, así en su artículo 20 sobre normas específicas de Residuos Urbanos establece: «Los municipios con una población superior a los 5.000 habitantes, están obligados a implantar un sistema de recogida selectiva de residuos urbanos que posibiliten su posterior reciclado u otras formas de valorización a partir del año 2001». Además en lo relativo a envases y residuos de envases, se estará a lo dispuesto en la Ley General de envases y residuos de envases: Ley 11/1997 (BOE 25-4-1997) y del Reglamento que lo desarrolla Real Decreto 782/1998 (BOE 1-5-98). La recuperación de recursos de los residuos depende en primer lugar de la posibilidad de poder disponer de fracciones de componentes más o menos puros, lo cual puede conseguirse de dos maneras diferentes: mediante la separación de los mismos por parte del ciudadano (separación en origen), o bien por su separación en la central de transferencia o clasificación. La separación de materiales por el usuario, llamada también separación en origen, suele chocar con la inercia ciudadana de hecho, aunque no de intención. Esto quiere decir que los resultados de las encuestas sobre la participación en programas de esta naturaleza indican que un 9095% de ciudadanos están dispuestos a colaborar, mientras que la participación real es bastante menor. La separación en origen debe realizarse en 2 fases. En el propio hogar, utilizando para ello 2 bolsas, una para la materia orgánica y otra para los plásticos, metal y brick, y en la calle utili-

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RESIDUOS URBANOS, INDUSTRIALES Y RADIACTIVOS

zando los contenedores de vidrio por una parte y de papel y cartón por otra. Por tanto, aunque este tipo de separación es el más barato y el que necesita menor consumo de energía, los esfuerzos, por los motivos expuestos, deben dirigirse por el momento, hacia la separación una vez recogidos los RSU. Combinando la separación en origen (vidrio) con técnicas de separación neumáticas, mecánicas y magnéticas, es posible separar de los RSU: una fracción magnética (chatarra), una fracción celulósica (papel, cartón), una fracción plástica, una fracción orgánica (de la que puede obtenerse el compost y briquetas combustibles), además del vidrio ya separado. La rentabilidad del proceso tropieza con dos problemas: las inversiones necesarias y la comercialización de las fracciones recuperadas. Así, mientras la chatarra es relativamente fácil de comercializar, el compost depende del entorno agrícola, y las briquetas del entorno industrial donde está situada la planta de clasificación. El proceso de clasificación de RSU implica normalmente separaciones binarias por lo que vamos a recordar aquí algunos conceptos relacionados con este tipo de separaciones. Cuando de lo que se trata es de separar un material x de una mezcla, la separación es binaria. Un esquema simplificado de cómo se lleva a cabo el proceso se representa en la Figura 6.3. Si la mezcla de partida tiene una composición de xo, yo, y la separación no es perfecta, al final lo que tendremos será el componente xo, más una pequeña cantidad de yo, de composición x1 y1, que es lo que se llama producto o extracto, y la mezcla de partida de la que ha desaparecido casi todo el componente x, que se conoce como rechazo, de composición x2 y2. La recuperación de x podrá expresarse como: R( x) = ( x1 / x0 ) ⋅ 100

donde R(x) es el% de recuperación siendo x0 la cantidad del componente x antes de la separación y x1, la cantidad de x en el producto o extracto.

x0 + y0

Separador binario

Extracto(x1 + y1)

Rechazo (x2 + y2)

FIGURA 6.3. Esquema de funcionamiento de un separador binario.

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Otros términos que se utilizan para expresar la recuperación de un material son las pureza del extracto definida como:

[

]

P( x) = x1 /( x1 + y1) ⋅ 100

y la eficiencia del proceso que viene expresada por la ecuación: E( x, y) = ( x1 / x0 ).( y2 / y0 ) ⋅ 100

Las técnicas de separación de los diferentes sólidos que se encuentran en los RSU son las operaciones básicas o unitarias del tratamiento de sólidos. En el caso de los RSU las operaciones pueden realizarse, como ya hemos dicho, en la fuente donde se producen los residuos o mediante una separación centralizada (estación de transferencia). Las operaciones más utilizadas son: separación con aire, separación magnética y tamizado. La separación con aire se ha empleado en operaciones industriales para mezclas secas. En el caso de los RSU se aplica a la separación de los componentes orgánicos o fracción ligera, de los componentes inorgánicos más pesados o fracción pesada. Mediante separadores magnéticos se consigue la separación de los materiales férreos. El tamizado, implica la separación de mezclas de materiales de diferente tamaño en dos o más fracciones, pudiéndose llevar a cabo en seco o en húmedo. Además de las técnicas de recuperación anteriormente indicadas, cuando los sólidos se utilizan en procesos de producción de energía, es aconsejable someterlos a procesos de deshidratación y/o secado. Vamos a continuación a considerar brevemente cada una de las fracciones recuperables de los RSU. Vidrio. La campaña del reciclado de vidrio se inició en España el año 1982 en Madrid y Barcelona, participando en la actualidad incluso municipios de menos de 500 habitantes. Entre las causas que motivaron el reciclado del vidrio podemos citar que el vidrio, por sus características propias, permite su reciclado casi sin ningún problema técnico sobre todo si se cuenta con la colaboración ciudadana. En España es la Asociación de fabricantes de vidrio, (ANFEVI) quien se ocupa de la gestión del reciclado del vidrio. En la Tabla 6.6, se presenta una estimación de los porcentajes de vidrio reciclados en España y en diversos países de la UE, respecto al vidrio consumido. Papel y Cartón. La fracción papelera formada por papel y cartón es un componente importante en las operaciones de reciclado porque se en-

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cuentra en un porcentaje muy elevado en los RSU, se dispone de la tecnología adecuada y además, es cada vez más difícil el aprovisionamiento de materia prima virgen, debido al alto grado de desforestación al que se está llegando. En la Tabla 6.7, se presentan los porcentajes aproximados del papel y cartón reciclados por algunos países de la UE, se debe remarcar que España presenta unos % de reciclaje de los más elevados. TABLA 6.6. Porcentajes de vidrio reciclado en España y diversos países de la UE respecto al vidrio consumido País%

Sobre el vidrio consumido

España ........................... Alemania ........................ Francia ........................... Italia ............................... Reino Unido .................... Holanda.......................... Bélgica............................ Dinamarca ...................... Portugal ..........................

27 54 41 44 21 66 59 40 23

Materiales metálicos. El contenido en metales de los RSU oscila entre el 5 y el 10%, de la que más de una quinta parte corresponde a metales ferrosos, que tradicionalmente, ha sido la fracción que más se ha recuperado en forma de chatarra. Los porcentajes de recuperación de los diversos metales oscilan alrededor de los siguientes valores: hierro, 60%; aluminio, 40%; cobre, 35%; cinc, 20% y plomo, 75%. TABLA 6.7. Porcentajes aproximados de papel y cartón reciclado País Alemania....................... Bélgica ......................... Dinamarca .................... España ......................... Francia ......................... Holanda ....................... Italia ............................. Portugal ........................ Reino Unido ..................

Porcentaje papel y cartón reciclado (%) 58 30 72 68 50 76 56 42 60

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La separación magnética es la que normalmente se utiliza para recuperar los materiales ferromagnéticos que después se compactan en cubos para que puedan ser utilizados como chatarra bien directamente, o después de haber eliminado el estaño de la hojalata. El aluminio por su parte se recupera separadamente de otros materiales metálicos por diferencia de densidad utilizándose sistemas de soplado, chorros de agua, trómeles, etc. Plásticos. El contenido en materiales plásticos de los RSU oscila entre el 7 y el 10%. Su distribución aproximada según el tipo de plástico es la siguiente: polietileno de alta y baja densidad 62%; poliestireno 12%; policloruro de vinilo 10%. Polietilentereftalato 6%, polipropileno 7%, y otros 3%. Existe tecnología suficiente para conseguir la recuperación de los plásticos y su reciclado. El reciclado de plásticos puede ser mecánico, energético y químico. El reciclado mecánico es el más ampliamente utilizado. Consiste en utilizar el material recuperado como materia prima para la fabricación de nuevos productos plásticos, siendo las principales aplicaciones la fabricación bolsas de basura, macetas, losetas de suelos, diversos tipos de bidones, botellas y tubos, etc.. El reciclado energético supone el aprovechamiento como combustible de los residuos plásticos, ya que presentan un poder calorífico del orden de los 30000 kJ/kg. El reciclado químico, por último, engloba la pirólisis, la hidrólisis y el hidrocraking que permiten la obtención de diversos productos intermedios y de los materiales básicos de partida. En España se reciclan actualmente del orden del 10% de los residuos plásticos que se generan. Materia orgánica La materia fermentable de los RSU se utiliza para la obtención del compost mediante un proceso conocido como compostaje que consiste en un proceso de descomposición termófilo y aerobio de sus constituyentes orgánicos mediante la actividad de poblaciones de microorganismos. Es un proceso de degradación relativamente rápido que necesita entre 4 y 6 semanas para conseguir la estabilidad del producto, con una reducción en volumen del orden del 70%. En el caso de los RSU y dado que este tipo de residuos contienen una gran cantidad de componentes no fermentables, la primera operación a realizar consiste en la obtención de una fracción orgánica, que supone entre el 40 y el 50%, más o menos pura y que en gran medida se puede conseguir por la separación en origen de dicha fracción. En el proceso de fermentación de la fracción orgánica de los RSU es conveniente controlar los siguientes factores: cantidad de aire (O2), humedad, temperatura, pH, contenido en nutrientes y tamaño de grano. Los factores que determinan el proceso son:

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• Aireación. La aireación es particularmente importante por ser el factor que va a determinar que la fermentación sea aerobia. La concentración mínima de oxígeno debe ser del orden del 18% en volumen. En la práctica siempre se generan zonas de fermentación anaerobia, que dan lugar a la aparición de olores. La aireación se consigue mediante el volteo de la masa a fermentar o por medio de sistemas mecánicos de ventilación. • Temperatura. El proceso global se realiza en dos fases una primera fase termófila, que es la más importante, donde la temperatura puede llegar hasta los 60 oC, si bien debe controlarse entre los 3035 oC, donde actividad de los microorganismos que intervienen en el proceso es máxima, y una segunda fase mesófila (maduración) a una temperatura inferior a los 30 oC. • Humedad. La humedad mínima del residuo debe ser del 40%, no obstante contenidos en agua altos dificultan el intercambio de oxígeno, facilitando la degradación anaerobia y produciendo olores desagradables debidos a producción de una gran variedad de compuestos orgánicos. • pH. El intervalo óptimo de pH es de 5,5 a 8. Los microorganismos bacterianos prefieren pH neutros en tanto que los hongos ligeramente ácidos. • Relación C/N. La relación carbono/nitrógeno (C/N) óptima debe ser de 25, valores más altos se traducen un una disminución de la velocidad de degradación, en tanto que valores más bajos originan perdidas significativas de N. Los valores de la relación C/N de los RSU suelen estar comprendidos entre 26 y 45, por ello es conveniente añadir lodos de depuradoras de aguas residuales, que presentan unos valores de C/N comprendidos entre 7 y 12 para alcanzar relación optima. • Tamaño del grano. La degradación es tanto más rápida cuanto menor es el tamaño de grano. Una vez obtenido el compost se procede a su depuración con objeto de reducir su contenido en inertes y conseguir una granulometría adecuada que facilite su aplicación agrícola como corrector y como fertilizante. Otros métodos de gestión de la fracción orgánica de los RSU es la hidrólisis ácida, mediante la cual la celulosa de la fracción orgánica produce finalmente gas metano. Existen además divesos procesos químicos que conducen finalmente a etanol. Por último, los procesos biológicos anaerobios, a los que ya nos hemos referido en el caso de los vertederos, permiten la obtención de biogás.

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6.2.3. Costes de la gestión de los RSU De acuerdo al Plan de Residuos Urbanos, las metas de recuperación y reciclaje para el año 2006 de los principales componentes de los RSU, se presentan en la Tabla 6.8. TABLA 6.8. Previsiones del Plan de RSU sobre la recuperación y reciclaje para el año 2006 de los principales componentes de los RSU Tipos de residuo

Porcentajes de recuperación (2006)

Papel y cartón Vidrio Metales Plásticos Madera Aceites usados

75% 75% 90% 40% (PVC) 50% 80%

Para alcanzar estos objetivos los municipios deben dedicar una parte importante de sus presupuestos para la gestión de sus RSU, que en muchos casos llega actualmente al 20%. A la hora de evaluar los costes que supone la gestión de los RSU habrán de considerarse dos grandes bloques: uno en el que se tengan en cuenta los costes de explotación y otro en el que se contemplen las amortizaciones. Dentro de los costes de explotación habrán de incluirse los costes de personal, maquinaria, energía consumida, transporte, mantenimiento y conservación de instalaciones, etc. Por lo que respecta a la amortización de las inversiones, deberán incluir la amortización de obra civil, maquinaria, instalaciones, etc Los ingresos por venta de los productos recuperados habrán de descontarse de los costes totales de explotación. Pensemos al respecto que los expertos consideran que en cada tonelada de RSU existen componentes recuperables por valor de 6 a 8 euros. Resulta difícil comparar los costes de gestión de los RSU dependiendo del sistema de tratamiento que se siga, pues como hemos apuntado hay que tener en cuenta numerosas variables. No obstante, a título orientativo, en la Tabla 6.9, se presentan unas cifras estimadas para cada sistema de tratamiento.

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TABLA 6.9. Costes de explotación e inversión de diversos sistemas de tratamiento de RSU en España Coste de Inversión Costes de explotación (en miles de euros/t y día (euros/t) de capacidad nominal) Vertedero controlado Planta de Compostaje Incineración sin rec. de energía Incineración con rec. de energía Clasificación selectiva de residuos Recogida y Transporte

4,6 7,5 14,5 18 10,6

2,3 9,3 22,8 24,8 13,8 20-30 (euros/t)

6.3. RESIDUOS TÓXICOS Y PELIGROSOS 6.3.1. Definición y clasificación de un RTP Residuos tóxicos y peligrosos es un término que engloba todos los desechos de actividades productivas que pueden representar un determinado riesgo o peligro para el hombre, para cualquier otro ser vivo o para el medio ambiente. Definiciones más precisas, ninguna de las cuales ha recibido una aceptación general, han sido dadas por diversas Autoridades y Organismos Internacionales. Así por ejemplo, de acuerdo con la Agencia de Protección Medioambiental (EPA) de los Estados Unidos, los residuos peligrosos se definen como residuos o combinación de residuos que presentan un determinado peligro, ya sea actual o potencial, para la salud humana o para otros organismos vivos, debido a alguno de los cuatro motivos genéricos siguientes: — Difícil degradabilidad y persistencia en el lugar de vertido. — Posibilidad de efectos nocivos por acumulación. — Posibilidad de sufrir transformaciones biológicas, que aumenten sus efectos perjudiciales. — Contenido elevado en componentes tóxicos. La Ley Básica de Residuos Tóxicos y Peligrosos del 20/1986 de 14 de Mayo, (BOE de 20 de Mayo de 1986), así como el Reglamento para su ejecución, Real Decreto 833/1988 (BOE 20/7/1988), define estos residuos

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como «materiales sólidos, pastosos, líquidos, así como los gaseosos contenidos en recipientes, que siendo el resultado de un proceso de producción, transformación, utilización o consumo, su productor destine al abandono y contengan en su composición alguna de las sustancias o materias que figuran en el anejo de la presente Ley, en cantidades o concentraciones tales que representen un riesgo para la salud humana, recursos naturales y medio ambiente». En términos similares, se expresa la Directiva del Consejo Europeo 79/319/CEE, de 20 de marzo, o Directiva marco, modificada por la Directiva 91/689/CEE donde Residuo Tóxico o Peligroso «es todo residuo contenido o contaminado por las sustancias o materias que figuran en el anexo de la citada directiva, en cantidad o concentraciones tales que representen un riesgo para la salud o para el medio ambiente». Por último la Ley 10/1998 de Residuos, que transpone la Directiva 91/156/CEE, vuelve a recuperar el término de Residuos Peligrosos y los define como «Aquellos que figuran en una lista de residuos peligrosos (Real Decreto 952/1997), así como los recipientes y envases que los hayan contenido. Los que hayan sido calificados como peligrosos por la normativa Comunitaria y los que puede aprobar el Gobierno de conformidad con lo establecido en la Normativa Europea o en convenios internacionales de los que España forma parte».

6.3.2. Métodos de gestión de los residuos tóxicos y peligrosos Según la Ley básica sobre RTP se entiende por gestión de los mismos «el conjunto de actividades encaminadas a dar a los RTP el destino final más adecuado de acuerdo con sus características y en orden a que se garantice la protección de la salud humana, la defensa del medio ambiente y la preservación de los recursos naturales. Comprende las operaciones de recogida, almacenamiento, transporte, tratamiento, recuperación y eliminación de los mismos». Para poder proceder a la gestión de los RTP lo primero que debemos conocer es si un determinado residuo está incluido en la categoría de RTP. Para ello utilizaremos el ya citado Real Decreto 952/1997 (BOE 5-71997) relativo a la ejecución de la ley básica de RTP. En él se indica que «Tendrán carácter de RTP aquellos que por su contenido, forma de presentación, u otras características, puedan considerarse como tales según los criterios que se establecen en el citado reglamento, incluyendo asimismo los recipientes y envases que los hubieran contenido y se destinen al abandono».

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Los criterios de asignación del carácter de peligrosidad de los residuos de acuerdo con Anexo 1, se resumen en la Figura 6.4. Pues bien, una vez que sabemos que un determinado residuo es un RTP, el objetivo de cualquier plan de gestión de este tipo de residuos es su transformación en algo menos o nada tóxico o peligroso, y si no puede ser así, almacenarlo en un lugar seguro. Desgraciadamente en muchos casos no se actúa así, y un tanto por ciento muy elevado de los RTP no han tenido una gestión adecuada y se han vertido de forma no controlada a distintos medios receptores.

6.3.2.1. Depósitos de seguridad Un depósito de seguridad es una instalación controlada para la disposición por tiempo indefinido de RTP en condiciones totalmente seguras para la salud de las personas y para el medio ambiente, lo que se consigue a base de que los residuos queden totalmente confinados de forma que no puedan escapar fuera de la instalación. Los principales medios de escape son el aire y el agua. El aire mediante arrastre de emanaciones gaseosas y dispersión de polvos, y el agua por solubilización parcial o arrastre de la carga contaminante y posterior contaminación de acuíferos superficiales o subterráneos. Por esta razón los depósitos de seguridad deberán contar con las instalaciones necesarias para la recogida y tratamiento de aguas contaminadas y lixiviados, así como para impedir las emisiones gaseosas y de polvos. Aún cuando un depósito de seguridad se construye para el confinamiento indefinido de los residuos en él almacenados, deberá existir un mapa tridimensional del lugar por si en un futuro pudiera resultar económicamente rentable la recuperación de alguno de los residuos almacenados en el depósito. Los requerimientos constructivos de un depósito de seguridad vienen impuestos fundamentalmente por la posibilidad de contaminación del entorno a través de los lixiviados que se producen. Entre ellos se pueden citar la alta impermeabilidad del fondo, la ausencia de acuíferos cercanos, una climatología conveniente, el control en la admisión y disposición de residuos que evite la incompatibilidad entre los mismos, y un buen plan de control que abarque acuíferos, drenajes de seguridad, contaminación de suelos, emisiones gaseosas, etc. En definitiva antes de la construcción de un depósito de seguridad deberá efectuarse un detallado estudio geológico e hidrogeológico del lugar con objeto de conocer la impermeabilización del terreno, presencia o ausencia de acuíferos próximos, aprovechamiento o no de dichos acuíferos, etc.

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No RTP NO Residuo

Formados por residuos Tabla 3 (parte A)

Presentan características Tabla 5

SI

SI Presentan características Tabla 5

SI

RTP

NO Formados por residuos Tabla 3 (parte B) NO No RTP

NO No RTP

SI Contiene compuestos Tabla 4

RTP

NO No RTP

FIGURA 6.4. Esquema para la asignación del carácter tóxico y peligroso a un residuo según el Real Decreto 833/1998

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SI

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Respecto a los residuos que son aptos para su disposición en un depósito de seguridad hay que indicar que previamente a su disposición definitiva los RTP deben haber sido destoxificados y concentrados para minimizar su peligrosidad y volumen. Así mismo los residuos incompatibles deben ser segregados para evitar las posibilidades de interacción entre ellos. En la Tabla 6.10, se presenta una relación de RTP considerados no aptos para su disposición en un depósito de seguridad. Otras dos cuestiones de gran interés dentro de la gestión de los RTP, aunque aquí no nos ocupemos de ellas, lo constituyen el transporte de dichos residuos desde el lugar de producción al de tratamiento o disposición definitiva, y la información a otras empresas sobre los RTP disponibles, pues puede darse el caso de que lo que para unos es un RTP para otros puede ser una materia prima barata. En relación con la última cuestión, debemos señalar la existencia de las llamadas Bolsas de Subproductos que pretenden cubrir ese capítulo de información para posibilitar el aprovechamiento de los RTP, lo que finalmente significa un beneficio empresarial y medioambiental El objetivo final de una Bolsa de subproductos, en España llamada Bolsa de Remanentes Químicos, es facilitar el intercambio de productos y se caracteriza porque lo que se vende es algo que hasta ese momento no tenía valor o lo tenía negativo porque suponía costes de tratamiento. Las particularidad más significativas de una Bolsa de Productos son: • Su confidencialidad, con objeto de que la Bolsa no se transforme en una fuente de información para la competencia. • Su ámbito geográfico, que viene determinado por cuestiones como la actividad empresarial, la red de comunicaciones, la división administrativa, etc. • Su grado de intervención en el proceso de intercambio, que se traduce en una mayor o menor participación no sólo a nivel de información sino también a nivel de transferencia de materiales. • La forma en la que se hacen públicas la oferta y la demanda, que normalmente se lleva a cabo a través de una publicación periódica, variando la periodicidad entre tres y seis meses. En España, la Bolsa de Remanentes Químicos es gestionada por la Federación Empresarial de la Industria Química Española. Así mismo han implantado el servicio de Bolsas de Subproductos, diversas Cámaras de Comercio, Industria y Navegación.

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TABLA 6.10. Relación de RTP que no son susceptibles de disposición en un depósito de seguridad Tipo de residuos Residuos radiactivos Residuos inflamables Residuos explosivos Residuos líquidos Residuos que pueden sufrir ignición espontánea Residuos que ataquen la lámina de impermeabilización del depósito Residuos con un contenido en agua superior al 65%

6.3.2.2. Tratamientos de los RTP Los tratamientos a los que se someten los RTP, independientemente de su estado de agregación, se clasifican en función de su naturaleza en tres tipos: físicos, químicos y biológicos. Una planta de tratamiento de RTP es cualquier instalación industrial donde los residuos puedan ser sometidos a algún tipo de tratamiento físico, químico o biológico o combinación de los mismos, con objeto de disminuir o eliminar su peligrosidad. En general, en EEUU, los tratamientos físico-químicos se llevan a cabo dentro de la planta donde se generan los RTP, mientras que en Europa y por tanto en España, la situación es diferente y los tratamientos se suelen realizar de forma centralizada. Normalmente, antes de su tratamiento o evacuación, los RTP son separados por tipos y características químicas, lo que se conoce como segregación de residuos. Entre los procesos físicos, los más utilizados son los que permiten separaciones sólido-líquido, entre ellos podemos citar la centrifugación, la sedimentación, la flotación y la filtración. Como métodos particulares para separar un componente específico se puede citar la ósmosis inversa, la electrodiálisis o la adsorción sobre carbón activo. También pueden resultar métodos útiles la extracción y la destilación. Por último, puede citarse la encapsulación del residuo para la que pueden utilizarse numerosos materiales, cemento, vidrio..etc, aunque los recipientes que más se utilizan son los bidones de acero. Los tratamientos químicos comprenden cualquier tratamiento que suponga una reacción química. No vamos aquí a considerar todas las posibilidades pero sí pondremos algún ejemplo de los tipos de reacciones

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más frecuentemente utilizadas. Destacan entre otros, la oxidación de cianuros a cianatos mediante cloro, a la que ya nos hemos referido al hablar de la depuración de aguas, y también la reducción de Cr6+ a Cr3+ por anhídrido sulfuroso; la precipitación de metales pesados, cómo Cd y Hg por iones sulfuro; el ajuste de pH; el intercambio iónico para separar determinados cationes y aniones inorgánicos; la fijación o absorción química de compuestos inorgánicos sobre silicatos; la hidrólisis de pesticidas organofosforados o con grupos carbamato; etc. La incineración y la pirolisis, también son tratamientos químicos que se aplican a RTP de naturaleza hidrocarbonada que fueron tratados al hablar de la gestión de los RSU. La incineración a altas temperaturas, permite llevar a cabo la combustión de los RTP, con lo que se consigue su destrucción reduciendo enormemente su volumen al tiempo se aprovecha su contenido energético. Se lleva a cabo en una planta de incineración, que debe de incorporar los sistemas de depuración adecuados para controlar que las emisiones de gases estén dentro de los niveles legales de emisión, al mismo tiempo las cenizas o residuos sólidos finales se deben gestionar como RTP. Como también se indicó, no todos los residuos son aptos para ser sometidos a un proceso de incineración. Para determinar si un residuo es apropiado para incinerar se tendrán en cuenta entre otras las siguientes características: Poder calorífico, grado de humedad, contenido en inertes, composición elemental, viscosidad, etc. Por otra parte, todos los métodos de tratamiento considerados, a excepción de la incineración y la pirolisis, generan grandes cantidades de lodos que deben almacenarse en depósitos de seguridad junto con los residuos tóxicos a los que la tecnología actual no es capaz de transformar en productos inocuos. Por último los procesos biológicos aplicables a los RTP, que también fueron considerados en el caso de los RSU, pueden ser de tipo aerobio y anaerobio. Los segundos normalmente se realizan diluyendo los RTP en las aguas residuales municipales. En estos casos habrá de prestarse especial cuidado a que no se alcancen condiciones tóxicas para los microorganismos que intervienen en el proceso biológico.

6.3.3. Gestión de los residuos industriales en España La mayor parte de los RTP tienen su origen en las actividades industriales, dentro de las cuales cabe destacar algunas de ellas tanto por las características tóxicas y peligrosas como por las cantidades generadas. El

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inventario en España de RTP, iniciado el año 1989, ha puesto de manifiesto los sectores industriales que generan más cantidad de residuos. En la Tabla 6.11 se presenta una estimación de los porcentajes de generación de RTP por los sectores industriales mas significativos. TABLA 6.11. Porcentajes de generación de RTP por sectores industriales Sector industrial% Industria Química Industria Automòvil Industria Metalúrgica Industria Alimentación Industria Papelera Industria del Cuero Industria de transformación de Metales Industria de material eléctrico y electrónico Industria de Madera y Corcho Industria Refino de Petróleo Industria Productos no metales Industria Maquinaria Resto

RTP generados 32,6% 11,2% 10,2% 8,1% 7,6% 7,1% 4,1% 3,4% 1,9% 1,5% 1,4% 1,3% 9,6

La gestión controlada de los RTP en el contexto del artículo 11 de la citada Ley Básica de Residuos Tóxicos y Peligrosos, se inicio en Marzo de 1989 con el Primer «Plan Nacional de Residuos Industriales» (PNRI), que pretendía alcanzar unos objetivos mínimos para el quinquenio 19891993, mediante mecanismos de promoción e incentivación, en el tratamiento y eliminación de RTP, de los materiales contenidos en dichos residuos, así como mediante el desarrollo de programas para la minimización de la generación de RTP y la concienciación empresarial. El concepto de minimización de residuos está relacionado con los de tecnología limpia o tecnología sin residuos, que se definen como las formas de fabricación en las que las repercusiones sobre el medio ambiente son las menores posibles, y en donde todas las materias primas y energías son utilizadas de la forma más racional e integrada dentro del ciclo: materias primas - producción - consumo - recursos materiales secundarios. Una idea que debe quedar clara dentro de este apartado de minimización de RTP es que las técnicas para conseguir dicha reducción no necesariamente deberán estar basadas en tecnologías punta, o requerir

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grandes inversiones de capital. Simplemente una buena gestión del proceso productivo puede ser suficiente para evitar la generación innecesaria de residuos. Aunque puede parecer anecdótico, evitar cualquier tipo de goteo, impedir el rebose de tanques y depósitos, utilizar procedimientos adecuados de transferencia de materia, la realización de programas de mantenimiento de instalaciones, de formación de personal, etc., son algunos tipos de actuaciones que puedan llevarse a cabo en cualquier industria y que contribuirán notablemente a la minimización de residuos. Como continuación del PNRI surgió el denominado «Plan Nacional de Residuos Peligrosos» (BOE 144, 13-5-95. En la actualidad la Directiva 96/61/CEE de 24 de septiembre de 1996, relativa a la Prevención y al Control Integrado de la Contaminación (PCIC), transcrita a la legislación española mediante la Ley 16/2002 de 1 de julio de 2002, a la que ya hemos hecho referencia en otra ocasión, establece como objetivo principal respecto a los residuos la minimización de los mismos durante la producción y una vez producidos su reciclado, reutilización y valoración.

6.4. RESIDUOS RADIACTIVOS Como todos recordamos en la naturaleza existen numerosas especies nucleares caracterizadas por un número másico A y un número atómico Z representadas como AZX: de las que la mayoría son estables y unas pocas inestables, manifestando estas últimas su inestabilidad a través de un proceso espontáneo de transformación nuclear conocido como radiactividad natural, que va acompañado de la emisión de radiaciones ionizantes denominadas α, β y γ. Además de la radiactividad natural también se conoce la radiactividad artificial a la que pertenecen las reacciones nucleares de fisión, que consisten en el bombardeo de un núcleo de número másico elevado, por ejemplo el U-235, mediante un neutrón, rompiéndose el núcleo de partida en dos mitades y liberándose dos o tres neutrones y energía. Puede ocurrir que los dos o tres neutrones emitidos, causen la fisión de otros dos o tres núcleos de uranio que a su vez producirán dos o tres neutrones cada uno, y así sucesivamente, con lo que tendrá lugar una reacción en cadena. La fisión en cadena del uranio discurre con gran desprendimiento de energía, hecho éste que se utiliza en las centrales nucleares para producir energía eléctrica. La parte más importante de una central nuclear es el reactor nuclear que permite: iniciar, mantener y controlar una reacción de fisión en ca-

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dena sin que resulte explosiva. A este respecto, en la Universidad de Chicago existe una placa que recuerda que el día 2 de diciembre de 1942 el hombre consiguió por primera vez una reacción de fisión en cadena automantenida, con lo que dio comienzo la era nuclear. El físico Enrico Fermi fue el artífice de aquella primera reacción en cadena controlada. Pues bien, consecuencia inevitable de la utilización por el hombre de las reacciones nucleares con fines científicos, biomédicos, químicos, industriales o militares, son los residuos radiactivos. Se consideran residuos radiactivos a aquellos materiales que contienen o están contaminados por radionuclidos, en concentraciones superiores a las establecidas por las autoridades en la materia y para los cuales no está previsto ningún uso. Es necesario establecer una clasificación de los diversos tipos de residuos radiactivos que genera nuestra sociedad con el fin primordial de gestionar su disposición definitiva en los lugares más adecuados para cada tipo de residuos. El primer factor a considerar es el estado físico en que se encuentran, que puede ser sólido, líquido o gaseoso. Un segundo parámetro, de gran importancia con vistas a su almacenamiento definitivo, es el período de semidesintegración definido como el tiempo necesario para que el número de átomos radiactivos se reduzca a la mitad, que da idea de la vida radiactiva del residuo. Con arreglo a esto, se clasifican en : residuos de vida larga y de vida corta. Un tercer parámetro a considerar en la clasificación de los residuos radiactivos es su actividad específica, definida como el número de desintegraciones nucleares por unidad de tiempo y por unidad de masa de dicho material. Se expresa en curios/g o en becquerelios/kg. En una cantidad determinada de residuo, habrá una actividad específica determinada para cada uno de los elementos radiactivos que contenga. En función de que esta cantidad supere o no un límite que se establece por elemento radiactivo, se tendrán residuos con actividad específica alta o baja en el elemento considerado. Estos valores sirven para establecer una clasificación de los residuos en base a su actividad, que nos permite distinguir entre residuos nucleares de baja, media y alta actividad. De acuerdo con los parámetros que definen las características de un residuo radiactivo, los residuos de actividad baja y media serán aquellos que cumplan lo siguiente:

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• Deberán tener un período de semidesintegración inferior a 30 años. • Su actividad específica por elemento radiactivo, no superará unos valores determinados. • Su contenido en isótopos artificiales emisores de radiaciones α será inferior a 0,01 curios/tonelada. Los principales radionuclidos que contienen son: Estroncio-90 (período 30 años), Cesio-137 (período 30 años), Cobalto-60 (período 5 años) y Hierro-55 (período 2, 5 años). Por su parte las características genéricas que definen los residuos radiactivos de alta actividad son: • Período de semidesintegración superior a 30 años. • Actividad específica por encima de unos valores determinados. • Contenido en isótopos artificiales emisores de radiaciones α superiores a 0,01 curios/tonelada. • Suelen ser residuos que desprenden calor. Los principales radionúclidos que contienen son: Neptuno-237 (período de 2 millones de años), plutonio-239 (período de 25.000 años), americio-241 (período de 460 años). El mayor porcentaje de residuos radiactivos se produce como consecuencia de las actividades relacionadas con la industria nucleoeléctrica. Desde la extracción de los minerales uraníferos hasta su utilización como combustible en las Centrales Nucleares hay un buen número de procesos que generan productos residuales a los que, debido a su contenido en isótopos radiactivos, es necesario acondicionar de forma adecuada para su almacenamiento final. Del propio funcionamiento de las Centrales Nucleares surgen residuos radiactivos debido a la utilización del uranio como combustible. Por otra parte, el propio combustible tendrá la consideración de residuo una vez utilizado, si no se somete a un proceso de recuperación en el que se eliminan los elementos inútiles para la fisión y se recupera el uranio no gastado. También otras actividades militares, industriales, médicas y de investigación producen elementos residuales que generan una problemática no menos importante que los anteriores. La gestión de todos estos residuos radiactivos tiene como objeto prioritario la protección de las personas y del medio ambiente frente a este tipo de residuos tanto en el momento presente como en el futuro. En orden a apreciar la magnitud del riesgo potencial asociado con el empleo de los materiales radiactivos, es conveniente considerar primero

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los efectos en el cuerpo humano que produce la exposición a las radiaciones ionizantes. Los efectos de la radiación ionizante sobre los seres vivos pueden ser de dos clases: unos somáticos por afectar al individuo expuesto y otros genéticos que pueden afectar a futuras generaciones. Las radiaciones ionizantes afectan a los organismos vivos porque producen la formación de iones y radicales libres en los tejidos y a las posteriores reacciones químicas que ocurren entre esas especies reactivas formadas y las moléculas de los constituyentes celulares, siendo la intensidad del efecto dependiente, de una parte, de la cantidad de energía transferida por unidad de masa de tejido, y de otra, de un factor de calidad propio de cada tipo de radiación. La gestión de los residuos radiactivos en España, es competencia de la Empresa Nacional de Residuos Radiactivos (ENRESA), empresa constituída en base al Real Decreto 1522 del año 1984 que regula las actividades que la misma debe desarrollar. ENRESA es por tanto responsable de que los residuos radiactivos que se producen en la industria, medicina, investigación o cualquier otra actividad, sean tratados de forma adecuada, de acuerdo a las normas establecidas, desde su origen hasta su confinamiento final en los lugares más apropiados. Por ley, el actual Ministerio de Industria, Turismo y Comercio es la autoridad competente en materia de legislación y reglamentación, sobre gestión de residuos radiactivos así como de la concesión de autorizaciones administrativas para las instalaciones. Por su parte, el Consejo de Seguridad Nuclear (CSN) es el organismos asesor del Ministerio en materias de seguridad nuclear y protección radiológica, de modo que cualquier licencia que éste concede, debe incorporar el correspondiente dictamen vinculante del CSN. Corresponde también al CSN la inspección de las instalaciones nucleares. El CIEMAT, antigua Junta de Energía Nuclear, es la institución responsable de la investigación y desarrollo en el campo nuclear y constituye un soporte tecnológico para ENRESA y el Ministerio de Industria, Turismo y Comercio.

6.4.1. Disposición final de los residuos radiactivos Como es lógico, la característica de los residuos nucleares que más influye para su disposición final es la carga radiactiva que contienen, aunque su volumen, por razones de tipo técnico, también es importante.

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La solución generalmente utilizada para la disposición final de los residuos radiactivos consiste en aislarlos del medio ambiente para que decrezca su actividad en condiciones tales que, aun cuando la radiactividad remanente pueda volver a la biosfera, se garantice que se cumplen unos requisitos básicos de protección. Los residuos de actividad media y baja procedentes de centrales nucleares, desmantelamiento de instalaciones nucleares y radiactivas, y algunos residuos de las aplicaciones médicas y de la industria e investigación, requieren su acondicionamiento y disposición final en instalaciones especialmente diseñadas para ello. Durante varios años la opción preferente para el almacenamiento de los residuos de actividad media y baja fue el vertido marino, hoy en moratoria. En la actualidad, la solución generalizada para su almacenamiento definitivo es el enterramiento superficial que puede incluir o no barreras de ingeniería. De las dos opciones que hoy se utilizan para el almacenamiento de los residuos de media y baja actividad a nivel mundial, su enterramiento próximo a la superficie, o su almacenamiento subterráneo a mediana o gran profundidad, en España se ha considerado como más adecuada la opción del almacenamiento próximo a la superficie, habiéndose propuesto el emplazamiento de El Cabril en la provincia de Córdoba, donde actualmente existe una instalación de almacenamiento temporal de residuos de baja actividad, diseñada y construida por ENRESA y en operación desde 1992. Desde el inicio de sus actividades hasta el 31 de diciembre de 2004, la instalación ha almacenado un total de 24985 m3 de residuos, con lo que se encuentra al 50% de su capacidad, lo cual hace prever que podrá cubrir las necesidades de almacenamiento de residuos de baja y media actividad hasta la segunda década de este siglo. Simultáneamente al desarrollo de los sistemas de almacenamiento temporal, ENRESA ha abordado el proceso de selección de un emplazamiento para residuos radiactivos de alta actividad. El punto de partida de dicho proceso ha sido la elaboración de un Inventario Nacional de Formaciones Favorables conocido como proyectos IFA. Sobre la base de la información disponible puede afirmarse que existen numerosos emplazamientos que podrían utilizarse, sin embargo, la localización final del emplazamiento, tanto en lo referente al método elegido como a los criterios que se utilizaban, es algo que no está previsto decidir después de 2007. En cuanto a los residuos de alta actividad contienen más del 99 por 100 de la radiactividad generada en el ciclo de combustible nuclear y son los que presentan las mayores dificultades para su disposición final.

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CIENCIA Y TECNOLOGÍA DEL MEDIO AMBIENTE

Dada su significativa radiactividad y la presencia de emisores alfa de largo período, como en el caso de los actínidos, resulta necesario garantizar su aislamiento por un largo período de tiempo, (al menos de un millar de años). En la actualidad sólo existe una instalación de este tipo funcionando en el mundo situada en Nuevo Méjico en EE.UU. sobre formaciones salinas estratiformes. La tecnología actual está en condiciones de garantizar ese aislamiento por las barreras utilizables en el acondicionamiento del residuo y el contenedor. Respecto de su almacenamiento definitivo, existe amplio consenso internacional en que su enterramiento en formaciones geológicas estables profundas es el sistema más seguro, ya que además, cumple varios requisitos básicos desde la perspectiva de la protección del medio ambiente: • Las formaciones geológicas seleccionadas adecuadamente han demostrado ser estables durante cientos de miles a millones de años, lo que hace desaparecer prácticamente el riesgo de fenómenos disruptivos. • El enterramiento a grandes profundidades asegura que cualquier fenómeno físico en la superficie terrestre (inundaciones, caída de meteoritos, etc) o cualquier actividad humana de similares consecuencias tendría una baja probabilidad de afectar al aislamiento de los residuos. • Proporciona un aislamiento de los residuos por muy largos períodos de tiempo lo cual permite garantizar el cumplimiento de los límites y objetivos deseados. • La corrosión a muy largo plazo de los contenedores sólo puede producirse por acción del agua, razón por la cual la formación geológica ideal es aquella en la que no exista agua o su presencia sea mínima. Para terminar con este apartado sobre residuos nucleares, debemos dejar claro que existen soluciones técnicas para resolver los diversos problemas medioambientales asociados con el conjunto del ciclo nuclear, por lo que no debería existir más preocupación por este tema que por otros igualmente peligrosos medioambientalmente hablando, que pasan más desapercibidos a la opinión pública.

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EJERCICIOS DE AUTOCOMPROBACIÓN 1. Defina los siguientes términos, poniendo un ejemplo característico en cada caso: Reciclar, Reutilizar y Recuperar. 2. ¿Cuales son las principales características y propiedades de los RSU. 3. Indique esquemáticamente las principales fases de gestión de los RSU. 4. ¿Qué es un vertedero sanitariamente controlado? Indique sus tipos y los factores que deben ser tenidos en cuenta a la hora de su ubicación. 5. Incineración y Pirólisis de los RSU, ventajas e inconvenientes. 6. Procedimientos de separación selectiva para recuperación de materiales. 7. Tratamiento de los lixiviados de los RSU. 8. Residuos tóxicos y peligrosos. Definición, características y clasificación. 9. Contaminación radiactiva en instalaciones nucleares. 10. Gestión y tratamiento de los residuos radiactivos. 11. Los residuos acuosos procedentes de una depuradora de fangos activados tienen una concentración en sólidos del 7% en peso y se quieren espesar hasta el 14% en peso. ¿Cuál será el porcentaje de reducción en volumen que le acompaña? Para la resolución del problema, considerar que el residuo sólido, está constituido por un 60% de sólido fijo y un 40% de volátiles, cuyas densidades respectivas son: de 2,4 y 1 g/ml. 12. Para eliminar la materia sólida suspendida en un agua residual se utiliza un tanque de sedimentación en continuo. Si el flujo de entrada es de 50 l/s, la concentración en sólidos en suspensión (ss) es de 200 mg/l y la eficiencia del proceso de sedimentación en el tanque es del 60%. Se pide: Calcular la cantidad de sólidos acumulados por día y la concentración en sólidos a la salida del tanque. DATOS: densidades del agua y sólidos en suspensión: 1,0 y 2,5 g/cc.

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CIENCIA Y TECNOLOGÍA DEL MEDIO AMBIENTE

13. Un residuo procedente de un filtro rotatorio tiene la siguiente composición 25,8% de sólidos y el resto de agua. Se somete a un proceso de secado en un horno rotatorio con un caudal de 500 kg/día. El sólido obtenido aún contiene un 10% de agua residual. Se pide: 1) Calcular los kg/día de sólidos obtenidos 2) Si la potencia calorífica del residuo es de 10 kJ/g. ¿Cuál será la potencia en kJ/dia que podría generarse por la combustión del residuo suponiendo que la eficiencia es del 33%? 14. Los lodos procedentes de un tanque de sedimentación con un caudal de 100 kg/h y una concentración de sólidos del 5% deben ser concentrados con el fin de quemarlos en un incinerador. La operación se realiza en 2 etapas. En una primera se utiliza un tanque de espesamiento con lo que se consigue aumentar la concentración de sólidos hasta el 10%. En la 2.a etapa, utilizando un filtro de vacío se consigue eliminar el 95% de agua del residuo anterior. Considerando que la densidad del residuo seco es aproximadamente igual a la del agua. Se pide: a) El caudal de agua residual de salida del tanque de espesamiento o de entrada al filtro de vacío. b) El peso del residuo después de filtrar, así como su composición. 15. Suponiendo que la composición de los residuos de una zona residencial es la siguiente: Fracción combustible

% en

%

peso

humedad

Densidad

Potencia calorífica

Papel y Cartón

35

7

80 kg/m3

16,3·103 kJ/kg

Residuos alimenticios

15

70

300 kg/m3

5,8·103 kJ/kg

Residuos de jardines

10

60

250 kg/m3

8,5·103 kJ/kg

Otros

10

20

200 kg/m3

10,5 ·103 kJ/kg

Metales

10

1

480 kg/m3

—

Vidrios alimenticios

10

2

160 kg/m3

—

6

3

—

Cenizas

10

465 kg/m

Calcular: a) El contenido en humedad del residuo b) Su densidad c) La potencia calorífica media del mismo.

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SOLUCIÓN A LOS EJERCICIOS DE AUTOCOMPROBACIÓN Preguntas: 1. Reciclar: Consiste en recuperar de un residuo un material del que se hace un determinado producto para reintroducirlo en el ciclo de fabricación de ese mismo producto. Un buen ejemplo sería la utilización de restos de objetos de vidrio para volver a fabricar botellas. Reutilizar: Supone que un mismo material o producto se utiliza varias veces. El ejemplo más típico sería el caso de las botellas retornables de cerveza, gaseosas, etc. Recuperar: Término que indica la recuperación de un determinado material pero para usarlo de forma diferente a como se utilizó anteriormente. Un ejemplo sería la utilización de latas de hierro para la cementación del cobre. 2. Los residuos sólidos urbanos (RSU) están constituidos por los desechos sólidos o semisólidos procedentes de los núcleos de población. Abarcan los residuos producidos por las actividades: domiciliarias, comerciales, sanitarias (algunos de los cuales se consideran como residuos tóxicos y peligrosos), limpieza de calles y zonas verdes, residuos de la construcción, abandono de animales muertos, muebles, enseres, vehículos... etc, así como los residuos industriales y agrícolas de zonas clasificadas como urbanas. Los principales componentes y su composición cuantitativa, dependen del nivel de vida de los habitantes que los producen y suelen agruparse en las siguientes categorías e intervalos dentro de cada una de ellas: Papel y cartón: Materia orgánica: Metales Materiales Inertes Polímeros y Plásticos Otros materiales

20-43% 17-49% 4-10% 6-16% 3-7% 5-18%

La producción media por habitante/año oscila dependiendo, también, del nivel de vida de la población que se considere. En España alcanza un valor medio de alrededor de los 280 kg/habitante.año, con una tendencia de crecimiento del 0,5 al 5% por año. Las principales propiedades de los RSU son: Densidad: oscila entre 0,1 y 0,3 g/cm3

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Humedad: Comprendida entre el 20 y el 60% en peso. Poder Calorífico real: Comprendido entre 3500 y 8000 kJ/kg Composición Química: muy variable, se suele expresar en base a su análisis elemental. 3. Las principales fases de gestión de los RSU se representan en el siguiente esquema general: Fase I

Recogida y transporte

Fase II

Estacion de transferencia

Fase III

Disposicion final

Vertido incontrolado

Vertido controlado

– Clasificación – Recuperación – Aprovechamiento energético

4. Un vertedero de RSU controlado, es aquel que no resulta nocivo ni molesto para el hombre y su medio ambiente. Dependiendo del grado de compactación se clasifican en tres grupos: • Vertederos de baja densidad, son poco compactos con densidades próximas a 0,5 t/m3. • Vertederos de densidad media, presentan densidades alrededor de 0,8 t/m3. • Vertederos de alta densidad, tiene un grado de compactación relativamente elevado, su densidad se sitúa alrededor de 1 t/m3. Para conseguir este grado de compactación se necesita un utillaje y maquinaria, más complejo que en los casos anteriores. Los factores más importantes a considerar a la hora de seleccionar la ubicación de un vertedero controlado son entre otros los siguientes: — Características del terreno — Situación respecto a la ciudad o ciudades circundantes — Vientos dominantes en la zona — Posibles problemas de contaminación del aire y de olores. — Problemas sanitarios derivados de las posibles plagas de moscas, mosquitos, ratas..., etc.

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— Producción y tratamiento de lixiviados. — Problemas de incendios y explosiones debidos a la producción de metano. — Posibilidad de recuperación paisajística de los terrenos. 5. Incineración: La incineración consiste en la combustión controlada en hornos adecuados. El proceso de combustión depende de varios factores que condicionan su eficiencia tales como, naturaleza y composición de los residuos, aporte de aire, utilización de combustible auxiliar...etc, todo ello va a influir sobre la composición de los humos, que en muchos casos pueden originar un problema adicional de contaminación del aire, si no son tratados. Como ventajas más importantes tenemos en primer lugar la reducción de volumen de los RSU de partida que llegan al 90% y la posibilidad de recuperación energética del proceso. Un inconveniente adicional del proceso son las cenizas que se producen, que en muchos casos contienen cantidades importantes de metales pesados que deben ser tratados como residuos tóxicos y peligrosos. Pirólisis: Significa calentamiento en ausencia de oxígeno. Una ventaja de este tipo de tratamiento es que se originan productos estables, y que da lugar a pocos problemas de contaminación atmosférica ya que el volumen de gas a tratar es bajo. Otra ventaja adicional de la pirólisis es que los residuos que resultan (gas, combustible, alquitrán, carbón) tienen un cierto valor económico. 6. La separación selectiva de materiales es un procedimiento que permite la recuperación y posterior aprovechamiento de los diferentes componentes de los RSU. La separación se puede realizar en origen, es decir por el propio ciudadano, o bien en la central de recogida. El primer método está muy poco extendido y hasta ahora únicamente se ha conseguido implantar para la separación de vidrio, de papel y cartón, en mucha menor extensión en la separación y recuperación de otras fracciones. Las técnicas más utilizadas para la separación de las diferentes fracciones de los RSU en las plantas de recuperación son las siguientes: — Separaciones neumáticas — Separaciones mecánicas — Separaciones magnéticas Las separaciones neumáticas permite obtener dos fracciones, una «fracción ligera» formada por papel, cartón, plásticos y residuos or-

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gánicos ligeros y una «fracción pesada» formada por los residuos orgánicos más pesados, vidrio, materiales metálicos, y otros residuos inorgánicos. Esta técnica es solo eficaz para mezclas secas. Las separaciones mecánicas o de tamizado permite, clasificar los residuos por tamaños independiente de su naturaleza. Se pueden realizar tanto en mezclas secas como húmedas. Estas separaciones facilitan las operaciones posteriores de compostaje y fabricación de briquetas a partir de las fracciones orgánicas. Las separaciones magnéticas permiten recuperar los materiales ferrosos (chatarra) de los RSU que son la fracción más fácil de comercializar. La chatarra junto al aluminio, constituyen más del 90% de la fracción metálica de los RSU. La separación entre ellas se consigue debido a su diferente densidad mediante sistemas de soplado, flotación, chorros de agua, etc. 7. Los lixiviados de RSU, son líquidos que resultan principalmente de la degradación del residuo y filtración del agua de lluvia a su través. Se caracterizan por sus valores extremos de pH, DQO, DBO, sales amoniacales (NH4+), fuerte coloración, así como por un intenso mal olor, lo que les convierte en unos efluentes líquidos altamente contaminantes. Existen múltiples alternativas de tratamiento de los lixiviados cada una de ellas con una serie de ventajas e inconvenientes. Hay que resaltar que debido a la complejidad de estos efluentes, no es efectivo un sistema individual de depuración, ya que ninguna alternativa permite por sí sola alcanzar un grado de depuración aceptable. Las distintas alternativas para su tratamiento son: • Transferencia: A estaciones depuradoras urbanas o al propio vertedero (recirculación). • Tratamientos Biológicos: Aerobios o Anaerobios. • Tratamientos Físico-Químicos: Adsorción sobre carbón activo, Ósmosis inversa, Desorción de amoníaco y eliminanción mediante tratamientos químicos. 8. Se define residuo tóxico y peligroso (RTP) como todo residuo procedente de actividades industriales o productivas que supone un riesgo para la salud del hombre y su medio ambiente. Las características generales que define los RTP son los siguientes: • Baja degradabilidad y persistencia en el medio. • Posibilidad de bioconcentración.

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• Posibilidad de sufrir transformaciones químicas y biológicas que incrementen su toxicidad. • Contenido elevado en compuestos tóxicos. Se clasifican en los siguientes tipos: — Corrosivos

— Carcinogénicos

— Explosivos

— Mutagénicos

— Inflamables

— Teratogénicos

— Tóxicos

— Alergenos

— Irritantes 9. Las instalaciones nucleares y radiactivas producen residuos que se pueden clasificar de acuerdo con diversos criterios: a) En cuanto a su origen, según la instalación que los genera: extracción y concentración de uranio, central nuclear, instalación de reelaboración de combustible nuclear, centro de investigación, hospitales, etc. b) En cuanto a sus características físicas y químicas se suelen clasificar en gases, líquidos y sólidos, cada clase requiere unos métodos de tratamiento específicos. c) En cuanto a la naturaleza y concentración de núclidos radiactivos, se clasifican en residuos de alta, media y baja actividad, en función de las desintegraciones producidas por segundo. De todos los residuos producidos en las instalaciones nucleares y radiactivas, los más significativos son: — Residuos gaseosos y líquidos emitidos como efluentes radiactivos en centrales nucleares. — Residuos sólidos de actividad baja y media producidos en centrales nucleares y otras instalaciones que utilizan materiales radiactivos, tales como hospitales, centros de investigación, etc. — Residuos sólidos de alta actividad producidos exclusivamente en las instalaciones de reelaboración de combustible. 10. Las instalaciones de almacenamiento de los residuos radiactivos deben asegurar su aislamiento y evitar el peligro de irradiación directa, así como la emigración de los isótopos radiactivos contenidos en ellos y su paso al entorno humano. Para garantizar dicho aislamiento se establecen varias barreras entre los residuos y el medio ambiente, que pueden ser artificiales y naturales.

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CIENCIA Y TECNOLOGÍA DEL MEDIO AMBIENTE

La primera barrera artificial se consigue sometiendo los residuos radiactivos originalmente sólidos, líquidos o gaseosos a procesos físicoquímicos de acondicionamiento que los convierte en un producto sólido insoluble, químicamente inerte, mecánicamente resistente y estable a temperaturas altas y que se envasa o encapsula en recipientes metálicos. La segunda barrera artificial consiste en la construcción de recintos diseñados para garantizar el confinamiento del producto final envasado, y cuyas características varían según la categoría del residuo almacenado. La selección del lugar más adecuado para su almacenamiento o disposición final, suministra una tercera barrera o barrera geológica (natural). Su misión será retener y/o retardar el acceso de los radionúclidos y de sus productos de desintegración hasta el medio ambiente exterior, sobre todo en aquellos casos en que fallen las barreras artificiales. Los requisitos que deben cumplir las formaciones geológicas para el almacenamiento de residuos radiactivos son: — Ser geológicamente estables. — No ser afectados, previsiblemente, por fenómenos externos (terremotos, inundaciones, meteoritos, o cualquier actividad humana). — Bajo contenido en agua, lo que dificulta los fenómenos de corrosión de los envases. — Tener una composición geológica que favorezca la absorción de las radiaciones producidas en la desintegración de los radionúclidos (basaltos, granito, arcillas). 11. Solución: (Lodos)1 (7%SS) 100 kg

X H2O Espesador Y (Lodos)2 conc.(14%SS)

Vamos a calcular en 1.er lugar la reducción en porcentaje en peso. Para ello hacemos un balance de materia considerando 100 kg de lodos a la entrada. (Lodos )1 = (Lodos )2 + (H2 O )salida 100 = X + Y

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A continuación hacemos a su vez un balance del agua X (H2 O) = (H2 O )LODOS – (H2 O )LODOS 1 2 93 86 – (100 – X) 100 100 X = 50 kg H2 O

X = 100

Por tanto el peso de será: (Lodos)2 = 100 – 50 = 50 kg Con lo que la reducción en peso será: (100 – 50) 100 = 50% en Peso 100

Para calcular la reducción en % en volumen. Determinaremos las densidades de los lodos aplicando la regla de las mezclas. 1 ρmezcla

=Σ

Pi ρi

Pi = Tanto por uno en peso de los componentes de la muestra. ρi = Densidades de los componentes. Por tanto la densidad de los (lodos)1, será: 1 ρ(Lodos)1

⎧ 0,07 ⋅ 0,6 0.07 ⋅ 0,40 ⎫ 0,93 =⎨ + ⎬+ 2,4 1,0 ⎩ ⎭ 1,0 volátiles sólido fijo ρ(Lodos)1 = 1, 025 kg/l

Análogamente: 1 ρ(Lodos)

= 2

0,14.0,6 0,14.0,4 0,86 + + 2,4 1,0 1,0

ρ(Lodos)2 = 1, 051 kg/l

Por lo cual: 100 = 97,56 l 1,025 50 = 47,57 l V(Lodos)2 = 1,051 V(Lodos)1 =

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CIENCIA Y TECNOLOGÍA DEL MEDIO AMBIENTE

por tanto la reducción en volumen será: (97,56 – 47,57) 100 = 51,24% 97,56

12. Solución: El esquema del proceso podría representarse así: 50 l/s

Vs l/s

Agua residual (200 mg/l)

Tanque

Agua purificada (40% sólidos)

X (60% sólidos)

La cantidad de sólidos acumulado será el 60% de los sólidos que inicialmente entran en el tanque. X=

60 mg l mg ⋅ 200 ⋅ 50 = 6000 100 l s s kg < > 5,18 ⋅ 102 día

La concentración de sólidos en el agua de salida será obviamente el 40% de la entrada. El volumen de salida será: Vs = 50 – (6/2,5 · 10–3) l/s; Vs = 44,998 y la concentración de sólidos: Cs =

4000 mg/s = 80, 00 mg/l 49.998 l/s

13. Solución: (Residuo)1 500 kg/d (25,8% S) (74,2% H2O)

¿X? vapor H2O Horno

(Residuo)2 (10% H2O)

1.o) La cantidad de agua evaporada se calcula haciendo un balance de masas referida al agua, en efecto: 0,742 ⋅ 500 = X + 0,1 (500 – X) X = 356,7 kg/d H2 O

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Por tanto los kg/día de sólido de salida serán: (Residuo)2 = 500

kg kg kg – 356,7 = 143,3 d d d

2.o) La potencia generada sería: P = 143,3

kg kJ 10 ⋅103 0,33 = 472900 kJ/d d kg

que equivale a: 472900

kJ d ⋅ = 5,47 kJ / s d 24.3600s

o bien a una potencia en kW de 5,47. 14. Solución:

100 kg/h (Lodos)1 (5% SS)

Agua separada (95% agua lodos)2

Q agua 1ª Etapa

2ª Etapa (Lodos)2(10% SS) Residuo

a) El caudal de lodos a la salida del tanque de espesamiento se calculará teniendo en cuenta que la concentración de SS se duplica, como consecuencia el volumen se va a reducir a la mitad (densidad unidad). Por tanto el caudal de lodos de salida será: Q (LODOS)2 = 50 kg/h y el caudal de agua separada Q H2O= 50 kg/h < >50 l/h b) Para calcular la cantidad de residuo después de la filtración se hace un balance de materia. Peso (Lodos)2 = Peso (agua separada) + Peso (residuo) Peso (Lodos)2 = 50 kg/h El agua separada la calcularemos haciendo un balance de agua: Peso(agua separada) = 50 · 0,9 · 0,95 = 42,75 kg/h Peso (residuo) = 50 – 42,75 = 7,25 kg/h

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De los cuales Peso de residuo seco = 5 kg/h < >69% Peso de agua = 2,25 kg/h < >31% 15. Solución: Como base de cálculo tomamos 100 kg de residuo. a) Contenido en humedad: (0,35. 0,07) 100 = (0,15. 0,70) 100 = (0,10. 0,60) 100 = (0,10. 0,20) 100 = (0,10. 0,01) 100 = (0,10. 0,02) 100 = (0,10. 0,06) 100 =

2,45 kg 10,50 kg 6,00 kg 2,00 kg 0,10 kg 0,20 kg 10,60 kg 21,85 kg

HUMEDAD = 21, 85

kg 100

b) La densidad de la mezcla será: 100 = ΣVi = Σ Pi/ρi ρM

Vi = Volumen ocupado por cada componente Pi = Porcentaje en peso ρi = densidad de cada componente 100 ⎛ 35 15 10 10 10 10 10 ⎞ =⎜ + + + + + + ⎟ = 0,6823 ρM ⎝ 80 300 250 200 480 160 465 ⎠ ρM =

100 kg kg = 147 3 3 0, 6823 m m

c) La potencia calorífica (PC) ponderada será: PC = (0,35 ⋅ 16,3 + 0,15 ⋅ 5,8 + 0,10 ⋅ 8,5 + 0,10 ⋅ 10,5)103 PC = 8,47 ⋅ 103 kJ/kg

Capítulo 7 CONTAMINACIÓN POR AGENTES FÍSICOS

Objetivo general: Con este tema se pretende que el alumno tome conciencia de la importancia de los agentes contaminantes físicos sobre la salud de las personas, sin lugar a dudas, de significación equiparable a la de los contaminantes químicos y biológicos. En el tema se estudian los dos agentes físicos de mayor incidencia, el ruido y las radiaciones, en especial las radiaciones no ionizantes, analizándose de uno y otras los riesgos que implican y estableciéndose las medidas de prevención y protección necesarias a fin de evitar sus efectos perjudiciales. Objetivos específicos: 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7.

Distinguir entre sonido y ruido. Estudiar los fundamentos físicos del sonido. Relacionar sonido y audición. Evaluar los niveles de ruido y sus efectos sobre los humanos. Prevenir la aparición del ruido. Informar sobre los medios de protección frente al ruido. Clasificar las radiaciones electromagnéticas en función de su energía, frecuencia y longitud de onda. 8. Estudiar las características, los riesgos de exposición y las medidas de prevención y control frente a las radiaciones UV-VIS; IR y microondas. 9. Conocer el riesgo de exposición a campos electromagnéticos de baja frecuencia y a las radiaciones láser. 10. Conocer la legislación aplicable sobre esta materia.

7.1. CONTAMINACIÓN SONORA 7.1.1. Introducción La contaminación sonora o acústica, el ruido, es uno de los tipos de contaminación ambiental más extendidos, especialmente en los medios urbanos e industriales, tanto si se considera el medio ambiente exterior como el interior, y, en particular, el medio ambiente laboral. Se trata de un tipo de contaminación a la que no suele prestarse excesiva atención; quizás, precisamente, por estar presente en cualquier actividad que se desarrolle, y por no dar la importancia que merecen a las disfunciones auditivas que conlleva, ni a las demás perturbaciones de la salud y molestias más o menos acusadas de las que es la causa. En el mundo del trabajo la exposición al ruido es también el tipo de riesgo más extendido, no siendo, como acabamos de comentar, uno de los contaminantes a los que se preste especial interés, ya que en la mayoría de los trabajos, la disminución de la capacidad auditiva apenas perturba la actividad laboral y en muchos casos carece de relevancia en la vida extralaboral. No obstante, el oído es un sentido muy valioso. Después de la vista, los seres humanos obtienen la mayor parte de la información sobre su entorno por medio de la audición. En numerosas ocasiones el oído es el órgano que puede detectar situaciones anómalas o extrañas y más fácilmente puede atraer la atención. Por otra parte, en determinadas profesiones se necesita este sentido para llevar a cabo tareas muy precisas, como ocurre, por ejemplo, en la detección de ciertas averías en los motores, o en todo lo relacionado con el ámbito de la música. El ruido se suele definir como todo sonido no deseado por el receptor, tanto por las propias características físicas del sonido como por las psicofisiológicas del receptor en sí, al que puede producir efectos nocivos tanto en el orden de lo fisiológico, como de lo psicosociológico, además

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de suponer un factor que puede afectar a la seguridad del individuo en determinados casos, por el efecto de enmascaramiento de otros sonidos que podrían resultar vitales (avisos, alarmas, etc.). El ruido como contaminante atmosférico, puede considerarse mayoritariamente como una energía residual, de modo análogo a la contaminación térmica en los ríos, por ejemplo, presentando las características diferenciadoras con respecto a este último de no persistir largo tiempo en el medio, y ser su magnitud muy inferior a la de otras formas de energía. No obstante, la alta sensibilidad del oído de numerosas especies biológicas, incluida la humana, da lugar a que tan pequeña cantidad de energía mecánica pueda llegar a producir efectos adversos muy graves. Con la industrialización, la contaminación acústica se ha incrementado enormemente, originándose ambientes muy ruidosos como son los medios urbano, laboral, de ocio y el relacionado con todos los medios de transporte: suburbano (el metro), terrestre, aéreo y marítimo. Es claro que se trata de un contaminante muy extendido y generalizado. Hasta en el medio rural existe este tipo de contaminación como consecuencia de la moderna maquinaria agrícola y forestal que se utiliza, las actividades de caza y la generalización del uso de aparatos de entretenimiento cada vez más ruidosos. En el momento actual existe gran información a nivel científico y tecnológico sobre el ruido y sus efectos, así como sobre las formas de rebajarlo y controlarlo. A continuación se tratará brevemente de todos estos aspectos.

7.1.2. Características físicas del sonido El sonido es toda sensación percibida por el órgano auditivo debido a la incidencia en el mismo de ondas de presión, consecuencia de una vibración mecánica, que son el resultado de una sucesión de compresiones (sobrepresiones) y enrarecimientos (depresiones), producidas en el medio elástico en que se propaga. La presión acústica es consecuencia de la variación de presión inducida en el medio como consecuencia de la perturbación producida en él al trasmitirse la onda sonora (diferencia entre la presión existente en el medio perturbado y la presión en el mismo punto del medio en ausencia de toda perturbación). Estas vibraciones constituyen un conjunto de ondas sonoras, ondas de naturaleza puramente mecánica y de carácter longitudinal. Cualquier sonido necesita para propagarse de un medio elástico, no pudiéndose propagar, por lo tanto, en el vacío. Además, en general, un sonido puede producir en los seres humanos y en otras numerosas especies biológicas sensaciones sonoras.

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En relación con estas sensaciones sonoras siempre se dan dos aspectos: el objetivo, en estrecha relación con las magnitudes físicas de esta manifestación energética que es el sonido, y el subjetivo, en relación con la personalidad de cada individuo y de las circunstancias sociales y temporales en que ocurre. Es esencial el aspecto subjetivo, ya que puede ocurrir que lo que es un ruido, sonido desagradable para unos, sea un sonido deseado y agradable para otros, como puede apreciarse en muchas manifestaciones de ocio, algunas de las cuales pueden llegar a altos niveles de intensidad como es el caso de los espectáculos pirotécnicos. De ahí la definición de ruido expuesta con anterioridad, aunque se han propuesto otras muchas, que como todas las definiciones tienen sus limitaciones, resultando más adecuadas unas que otras en función de la consideración y circunstancias del tratamiento de este fenómeno. Quizás pueda resultar interesante desde el punto de vista medioambiental la que considera el ruido como la energía acústica audible que afecta de manera adversa al bienestar fisiológico y psicológico de las personas. Aunque no deben perderse de vista los posibles efectos sobre la fauna. En los aspectos audibles subjetivos hay que tener en cuenta especialmente los sonidos conversacionales, propios del lenguaje y de la intercomunicación de unos con otros, y los sonidos musicales, que resultan de una percepción mental muy compleja y altamente subjetiva. Desde el punto de vista físico, en la percepción de cualquier sonido, habrá en esencia: 1) Un foco sonoro origen de las ondas sonoras resultado de vibraciones mecánicas. 2) Un conjunto de ondas sonoras (ondas de presión) que transportan energía mecánica a través de un medio elástico de propagación. Las ondas acústicas son ondas de variación sinusoidal de la presión, en la que la amplitud es la máxima variación de presión (ya sea como sobrepresión o como depresión) con respecto al estado normal de presión (valor de la presión en el medio en ausencia de perturbación acústica). En la Figura 7.1 se representa la propagación de una onda sonora. 3) Un receptor, el oído humano, un micrófono, etc., que recibe la energía sonora y la transforma en una señal que, si se trata del oído humano, mediante la audición produce la sensación del sonido correspondiente. En la consideración de cualquier ruido resulta de interés tener en cuenta tres parámetros físicos y tres cualidades subjetivas.

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Amplitud

T

Ae

Am Tiempo

Am = Amplitud máxima

Ae = Amplitud eficaz

T = Periodo

FIGURA 7.1. Representación de la propagación de una onda sonora.

Los parámetros físicos más interesantes de las ondas acústicas son: — La intensidad acústica representa la energía acústica transmitida, en la dirección de la propagación del sonido, por unidad de área y por unidad de tiempo, siendo función de la amplitud de la vibración. La potencia acústica es la cantidad de energía acústica emitida por unidad de tiempo por una fuente sonora. Intensidad I y Energía W están relacionadas por la fórmula: I=

W A

donde: A es la unidad de área perpendicular a la dirección de propagación. La Intensidad, y por tanto la energía, están relacionadas con la presión de la forma siguiente: ⎛ (P )2 ⎞ I = ⎜ rms ⎟ ⎝ ρc ⎠

I = Intensidad en W/m2 Prms = presión eficaz en Pa (root mean square) = 1/ 2

⎤ ⎡ 1 TM 2 = p =⎢ p2 ( t) dt ⎥ ⎥⎦ ⎢⎣ TM 0 ρ = densidad del medio en kg/m3 c = velocidad del sonido en el medio en m/s TM = tiempo de medida

( )

1/ 2

∫

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Dado que el oído humano puede apreciar enormes diferencias de presión acústica y reacciona según una ley aproximadamente logarítmica, en la práctica se utiliza una escala de este tipo mediante la introducción de los niveles, que expresan estas variables de modo relativo con referencia a un determinado valor absoluto adoptado por acuerdo internacional. Se utilizan respectivamente: ➢ El nivel de presión acústica: LP = 20 log (P/P0) P0 = 2 · 10–5 Pa ➢ El nivel de intensidad acústica: LI = 10 log (I/I0) I0 = 10–12 W/m2 ➢ El nivel de potencia acústica: Lw = 10 log (W/W0) W0 = 10–12 W Las variables P, I y W se representan por los valores eficaces (rms, root mean square) de la correspondiente variación senoidal de la onda acústica, expresados respectivamente en pascales (Pa), vatios por metro cuadrado (W/m2) y vatios (W). Los valores de referencia P0, I0 y W0 representan las mínimas variaciones que el oído humano normal puede apreciar. La unidad para los tres niveles es el decibelio (dB) en honor de Alejandro Graham Bell. Un dB de nivel de presión acústica es el cambio más pequeño que se puede apreciar. La escala en dB, logarítmica, se aproxima mucho a la percepción humana, ya que el oído en nuestra especie reacciona de esa manera a los cambios de nivel y de presión. — La frecuencia f de un sonido puro es la frecuencia de la vibración que lo produce. Se mide en hertzios (Hz). Se relaciona con la longitud de onda λ y la velocidad de propagación c mediante la expresión: f = c/λ. El oído humano reacciona de manera diferente según la frecuencia del sonido: Los de baja se oyen como graves y los de alta como agudos. El inverso de la frecuencia es el periodo T. — El tiempo de exposición o duración del sonido, que se define por sí solo y se utiliza para determinar la dosis de ruido que un individuo ha soportado y que como tal dosis, está relacionada con los efectos fisiológicos que puede producir. Las cualidades subjetivas del sonido, tradicionalmente son: — La intensidad subjetiva o fisiológica, que se denomina también sonoridad. Depende de las características físicas del sonido y de las psicofisiológicas del oyente y mide la sensación sonora producida por aquél sobre éste. Su unidad es el sonio y según su magnitud se aprecian unos sonidos como fuertes y otros como débiles.

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— El tono, que está relacionado con la frecuencia de la vibración. Según su magnitud se distinguen sonidos graves (frecuencias bajas) y sonidos agudos (frecuencias altas). — El timbre es consecuencia de la complejidad que normalmente posee un sonido, ya que generalmente se trata de una onda resultante de la superposición de ondas sinusoidales puras. La principal de éstas corresponde al tono y las otras, las secundarias, son los armónicos, que corresponden al timbre y que permiten distinguir la fuente sonora que lo emite. Para que un sonido pueda ser percibido por el oído humano, su frecuencia ha de estar comprendida entre 20 Hz y 20 kHz, con un nivel de presión acústica por encima del umbral de audición correspondiente, que es diferente según sea la frecuencia. Los infrasonidos son vibraciones mecánicas de frecuencia inferior a 20 Hz y los ultrasonidos vibraciones mecánicas de frecuencia superior a 20 kHz. Ambos son inaudibles para los seres humanos, que solo perciben los que se denominan simplemente como sonidos. La denominación sobresonidos corresponde a sonidos de muy alta frecuencia, entre 10 y 20 kHz, para los que ya en edades tempranas se comienza a perder capacidad para su audición. Por otra parte, el oído humano es sensible a los sonidos cuyos niveles de presión acústica están comprendidos entre los valores alrededor de los 0 dB (mínimos audibles) y los valores alrededor de los 120 dB (umbrales de dolor). Ambos umbrales dependen de la frecuencia del sonido, de la edad y del estado del oyente. En la Tabla 7.1 se presenta una escala relativa de niveles de presión acústica de diferentes sonidos.

TABLA 7.1. Escala relativa de niveles de presión acústica de diferentes sonidos Niveles (dB)

Presión acústica (μPa)

140 120 100 80 60 40 20 0

200.000.000 20.000.000 2.000.000 200.000 20.000 2.000 200 20

Sonido umbral de dolor, despegue de aviones sala de máquinas de un buque nave de prensas automáticas, paso de trenes tráfico urbano intenso oficina comercial, restaurante biblioteca, área residencial de noche estudio de radiodifusión umbral de audición

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Por lo que respecta a la velocidad de transmisión del sonido en el aire, se sabe que es independiente de la presión atmosférica y que varía proporcionalmente a la raíz cuadrada de la temperatura absoluta, siendo a 0 oC de unos 332 m/s y a unos 15 oC de 340 m/s. En condiciones de campo sonoro libre (ausencia de eco) y de una fuente sonora que pueda considerarse como puntual, una aeronave, por ejemplo, se cumple la ley de la distancia: El nivel de presión acústica del ruido decrece proporcionalmente al cuadrado de la distancia al foco emisor, lo que significa que cada vez que se duplica la distancia al foco sonoro, la intensidad se reduce a la cuarta parte, es decir, que el nivel de presión acústica disminuya en 6 dB, en efecto: (Lp1/Lp2) lo que significa que Lp1 – Lp2=20 × log (d2/d1), y si por ejemplo d2=2d1 queda Lp1-Lp2=20 × log (d2/d1) = 20 × 0,30 = 6 dB. También sabemos que las intensidades son directamente proporcioA d I A2 nales a los cuadrados de las amplitudes, 1 = 12 , por tanto, 1 = 2 , A 2 d1 I2 A 2 lo que equivale a que amplitudes y distancias al foco emisor son inversamente proporcionales. En los casos de campo sonoro libre y de una fuente sonora lineal, por ejemplo el ruido originado por el tráfico en una carretera, la atenuación es de 3 dB cada vez que se duplica la distancia a la misma. Al utilizar como unidad el decibelio hay que tener en cuenta que se trata de una escala logarítmica, por lo que no es posible sumar o restar aritméticamente niveles de ruido expresados en dicha unidad. Para poder realizar la suma lo normal es utilizar un gráfico como el de la Figura 7.2 o un cálculo aproximado como el del ejemplo siguiente: Si en un determinado punto inciden simultáneamente dos sonidos procedentes de dos focos situados a la misma distancia con un nivel de 80 dB cada uno, la suma no será 80 + 80 = 160 dB sino 80 + 3 = 83 dB. (Con los dos focos incide el doble de energía; por lo tanto son 3 dB más que la procedente de un solo foco). Uno de los métodos aproximados (para evitar recurrir a fórmulas complejas) consiste en realizar el siguiente cálculo por pares de valores, sumando al mayor la corrección obtenida en la Tabla 7.2. A partir de una diferencia de 11 dB la corrección es menor de 0,3 dB, por lo tanto prácticamente despreciable, por lo que la suma deja casi inalterable el mayor valor de los dos. Cuando se trata de sumar más de dos valores se realiza la operación por pares de una manera ordenada (de menor a mayor): se suman los dos primeros; a su resultado se suma el tercero; a este resultado el cuarto y así sucesivamente hasta el último.

300

Incremento

Incremento sobre el valor superior

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3,0 2,5 2,0

5 0

1

2

3 4 5 Diferencia

6

7

8

4

5

6

7

10 11 12

1,2 1,0 0,5 1

2

3

8

9

Diferencia en dB entre los dos niveles a sumarse

FIGURA 7.2. Gráfico para resolver problemas de suma de decibelios.

TABLA 7.2. Cálculo aproximado de suma de dos niveles de ruido diferentes que se diferencian en menos de 10 dB Diferencia entre los dos valores 0 Suma al mayor valor (dB)

1

2

3

4

5

3 2,6 2,2 1,8 1,5 1,2

6 1

7

8

9

10

0,8 0,6 0,5 0,4

A veces se realizan mediciones de un nivel sonoro, por ejemplo de una máquina, en una nave ruidosa (con un ruido de fondo importante) y se desea conocer el nivel de ruido debido exclusivamente a tal máquina (es decir, descontando el nivel de fondo). Para ello se hace una medición con la máquina funcionando (nivel de máquina más nivel de fondo) y otra con la máquina parada (nivel de fondo). Para ello debemos restar ambos niveles. Un cálculo aproximado se puede realizar, siempre que el ruido de fondo esté al menos 3 dB por debajo del de la máquina, restando la corrección correspondiente según se presentan en la Tabla 7.3. TABLA 7.3. Cálculo aproximado de la sustracción de dos niveles de ruidos diferentes que se diferencian en menos de 10 dB Diferencia entre valor total y el de fondo

3

4y5

6a9

>10

Resta al total (dB)

3

2

1

0

Imaginemos el siguiente caso: se mide el nivel de ruido con una máquina en funcionamiento resultando un nivel sonoro de 86 dB. Volvemos a medir el nivel sonoro con la máquina parada lo que nos dará el ruido de

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fondo que resulta ser de 80 dB. Como la diferencia entre ambos valores es de 6 dB, el nivel correspondiente a la máquina será aproximadamente, utilizando la Tabla 3 de 86 – 1 = 85 dB.

7.1.3. Fisiología de la audición Las ondas sonoras procedentes del medio ambiente llegan por el conducto auditivo externo hasta la membrana del tímpano donde se inducen unas vibraciones que se transmiten por la cadena de huesecillos hasta la ventana oval, donde se producen movimientos ondulatorios en los líquidos del laberinto de la cóclea. Aquí la energía mecánica se transforma en químico-eléctrica, bioeléctrica, y en la excitación del órgano de Corti, que analiza y codifica las señales recibidas para su remisión al cerebro por medio del nervio auditivo. Allí las señales bioeléctricas sufren un proceso de integración, con su correspondiente memorización y correlación. El comportamiento del oído humano es muy complejo y no es objeto, aquí, como es lógico, de un estudio pormenorizado. Tan sólo conviene resaltar que los sonidos de baja frecuencia, los tonos graves, son amortiguados en su interior, mientras que los de alta frecuencia, los tonos agudos, no lo son en absoluto. En otros términos: el oído humano tiene un comportamiento sordo o amortiguado para los tonos graves mientras que los agudos se oyen plenamente. En conjunto, el oído humano posee una sensibilidad diferente para cada frecuencia, siendo máxima para las frecuencias de alrededor de 4096 Hz, que se corresponde con un tono agudo. En general, a los seres humanos la contaminación sonora les produce diversos efectos que pueden clasificarse como auditivos, que afectan a la audición; extra-auditivos que se manifiestan en otros aspectos fisiológicos distintos de los específicos de la audición; y los psicosociológicos, que se traducen en respuestas individuales o colectivas diversas, desde el agrado al rechazo, por diversas razones a analizar desde el punto de vista de los comportamientos individuales y sociales, como puede ser el rechazo ante un ruido excesivamente molesto por lo repetitivo. Entre los efectos auditivos, el más importante es el que conduce a un trauma sonoro que puede ser de diversa intensidad y ocasionar finalmente la sordera. El trauma sonoro se define como el conjunto de trastornos fisiológicos y patológicos, tanto de carácter local como general, causados por la exposición a ambientes ruidosos.

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La sordera se presenta en las fases avanzadas del trauma sonoro y consiste en una pérdida subjetiva de audición tal que la vida de relación se ve dificultada. La pérdida total de la audición se denomina cofosis. Los efectos del trauma sonoro en el organismo pueden ser de carácter local, auditivo, y de carácter general, extra-auditivo. Entre los efectos auditivos se distinguen: — El enmascaramiento, que tiene lugar cuando el oído está inmerso en un ambiente ruidoso, con lo que se encuentra excitado y a la vez disminuido en su capacidad para distinguir nuevos estímulos auditivos. En este caso los sonidos graves enmascaran más a los agudos que al contrario. Estos fenómenos son muy importantes cuando interfieren en el entendimiento de señales u órdenes de determinadas acciones peligrosas o que suponen estados de atención o alarma. Fuera de este ambiente ruidoso, si las condiciones en cuanto a niveles de ruido y tiempo de exposición no sobrepasan ciertos límites, el oido se recupera rápidamente, sin embargo si el tiempo de exposición a un determinado nivel de ruido es suficientemente largo, puede tener lugar una adaptación del oído, con la consiguiente disminución de su sensibilidad, que persistirá un período de tiempo más o menos corto después de desaparecer el estímulo ruidoso. — La fatiga auditiva aparece tras una larga exposición a un ruido elevado, quedando el oído disminuido en su sensibilidad más allá de lo que ocurre con la adaptación descrita anteriormente. No obstante, la fatiga auditiva puede ser recuperable, puesto que el estado de alteración de la sensibilidad auditiva desaparece en un tiempo que puede oscilar entre unas horas y varias semanas después de cesar la exposición que lo produjo. Las audiometrías en estas condiciones aprecian niveles sensoriales por debajo de lo normal, pero no deben considerarse sus resultados como definitivos, dada la reversibilidad del proceso. — La hipoacusia es una pérdida permanente de la capacidad auditiva que por ser relativamente leve o por afectar a frecuencias no utilizadas en la vida de relación, no se traduce en una sensación subjetiva de anormalidad, por lo que sólo puede ser detectada por una audiometría. Se produce cuando la persona afectada está sometida durante mucho tiempo, meses o años, a la acción de un ambiente ruidoso de altos niveles de presión acústica, que produce diversas lesiones de carácter destructivo en el órgano de Corti. Estas pérdidas de sensibilidad auditiva comienzan por las frecuencias comprendidas entre 4000 y 6000 Hz (el espectro de frecuencias de la voz hu-

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mana normal abarca de 100 a 8000 Hz). Pueden producirse pérdidas por otras causas, como las post-traumáticas por lesiones en accidentes, las provocadas por ciertos procesos otíticos, las cocleosis degenerativas por tratamiento con ciertos medicamentos, o ser debidas simplemente a la vejez en la presbiacusia. Ésta es una pérdida de la capacidad auditiva natural que se deriva del envejecimiento y que se añade a la disminución de tal capacidad, causada por exposiciones crónicas a ruidos elevados a lo largo de la vida. — La sordera, como hemos dicho, aparece en una fase avanzada del trauma sonoro. Supone la pérdida de capacidad auditiva para las frecuencias conversacionales. Esta evolución suele ser relativamente larga, ya que conforme se acentúan las pérdidas auditivas, éstas retardan el proceso debido a que la acción del ruido está en relación directa con la capacidad auditiva de la persona expuesta. Los efectos extra-auditivos son más difíciles de determinar que los auditivos. Suele distinguirse dos grupos: inespecíficos y pasajeros, y crónicos y patológicos de tipo cardiovascular, respiratorio, endocrino y nervioso principalmente. En cualquier caso estos efectos, sean del tipo que sean, referidos a un determinado ruido, dependen en gran medida de la sensibilidad individual. (Condiciones físicas, fisiológicas y psíquicas del individuo en cuestión). En cuanto a la respuesta psicosociológica de las personas, un ruido puede resultar molesto cuanto mayor sea su intensidad y más alta su frecuencia, o si es discontinuo o se presenta de modo inesperado, como consecuencia, además, del estado o tendencia emocional o el tipo de actividad que se esté desarrollando. El ruido puede incidir en la concentración, la relajación, el sueño y la emotividad, como también puede ser un factor en la disminución del rendimiento y de la productividad. También puede constituir un factor de riesgo para la seguridad, ya que por efecto del enmascaramiento y de la fatiga auditiva posibilita que la persona no se percate de algún signo sonoro de anomalía o un aviso o alarma, pudiendo llegar a ser víctima de un accidente.

7.1.4. Evaluación del nivel del ruido. Legislación Dada la complejidad del mecanismo de la audición humana, para medir el ruido según la diferente sensibilidad a las distintas frecuencias, se ha optado por dotar a los instrumentos de medida de unos circuitos o redes de ponderación que emulan al oído humano en determinadas circunstancias, respondiendo de manera análoga. Para la evaluación de la

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exposición laboral se utiliza la ponderación normalizada A, con la que se mide el nivel sonoro en decibelios A (dBA). Si se necesitan más detalles de un sonido complejo se pueden emplear varios sistemas. Uno no demasiado complicado se basa en determinados filtros, que rechazan todas las señales que no están incluidas en su intervalo. Estos intervalos suelen ser bandas de octavas o de tercio de octava, denominándose el método análisis en frecuencia (espectro de frecuencias). En general se pueden distinguir los siguientes tipos de ruido: — Ruido continuo, de banda ancha y espectro de frecuencias y nivel prácticamente constantes durante la jornada laboral en el caso de los ambientes de trabajo. — Ruido intermitente fijo, semejante al anterior pero solo en determinados períodos de la jornada laboral separados por otros no considerados como ruidosos. Ruido intermitente variable, de intensidad y espectro variables a lo largo del tiempo. — Ruido de impactos, o de impulsos, cuya duración cuando se produce es de menos de medio segundo cada vez (impulso), siendo el intervalo entre dos picos consecutivos superior a un segundo.

7.1.4.1. Ambientes laborales Para la evaluación de la exposición al ruido en ambientes laborales se mide o calcula la dosis de ruido recibida por el trabajador en su jornada laboral. Se basa en dos parámetros: el nivel sonoro y el tiempo de exposición. Con este fin se define el nivel sonoro continuo equivalente (Leq) como el nivel sonoro en dBA de un ruido continuo durante una jornada de 8 horas diarias, siendo a la semana de 40 horas, que produciría el mismo efecto que el ruido intermitente considerado. La instrumentación corrientemente más utilizada corresponde a los sonómetros que miden el nivel de presión sonora en dBA y los dosímetros de ruido que obtienen directamente la dosis recibida de acuerdo con el criterio de evaluación escogido. Para valorar la capacidad auditiva individual se utilizan los audiómetros. Para la correcta valoración tanto de la exposición como de la capacidad auditiva, existen diferentes criterios. En España se utilizan los criterios de la norma ISO al igual que en los demás Estados de la Unión Europea. Los valores de referencia, niveles de acción (Leq1 = 80 dBA y Leq2 = 85 dBA para ruidos no de impactos) y límite de exposición (Leq = 87 dBA), así como las disposiciones de carácter preventivo de obligado cumplimiento

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en España se recogen en el Real Decreto 286/2006 de 10 de marzo publicado en el BOE de 11 de marzo de 2006 Los tres valores anteriores se refieren a la exposición continuada durante toda la jornada laboral. En otras palabras el valor límite de 87 dBA significa la prohibición de sobrepasar 8 horas de exposición a un nivel sonoro de 87 dBA, pero de acuerdo con el criterio ISO también significa la misma prohibición para, incrementos de 3 dBA sobre 87 por tiempos de 4 horas o de 6 dBA por 2 horas, y así hasta 15 dBA por 15 minutos. Lo mismo se aplica a los niveles de acción. En la Tabla 7.4. se resumen los datos anteriores. TABLA 7.4. Tiempos máximos de exposición y valores de referencias máximos de exposición al ruido en ambientes laborales Tiempo máximo

1.er nivel de acción

2.o nivel de acción

Valor límite

8h 4h 2h 1h 30 min 15 min

80 dBA 83 dBA 86 dBA 89 dBA 92 dBA 95 dBA

85 dBA 88 dBA 91 dBA 94 dBA 97 dBA 100 dBA

87 dBA 90 dBA 93 dBA 96 dBA 99 dBA 102 dBA

Si se superan los niveles de acción, se deben poner en marcha todo un conjunto de medidas, más estrictas en el caso del segundo nivel de acción, en cumplimiento del Real Decreto mencionado. El valor límite de 87 dBA de promedio para una jornada de ocho horas fijado en el citado Real Decreto tiene la particularidad de permitir un nivel mayor en el ambiente, ya que este valor máximo de exposición se aplica descontando del nivel ambiental la atenuación del protector auditivo que utilice el trabajador. El valor de esta atenuación debe indicarla obligatoriamente el fabricante del protector auditivo, junto con el resto de la información útil para el usuario. En el caso de los valores de los niveles de acción las mediciones son ambientales sin descartar la atenuación de los protectores auditivos que puedan utilizarse.

7.1.4.2. Ambientes no laborales Para la evaluación del ruido en ambientes no laborales existen diversos criterios técnicos que se utilizan según el tipo de emisión sonora, actividad, receptor, efectos a considerar, legislación aplicable, etc. Entre otros se distinguen los siguientes:

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Para evaluar los efectos de interferencias sobre la conversación entre dos personas se utiliza el índice S.I.L. (Speech Interference Level) que se corresponde con la media aritmética de las mediciones en dB de un análisis en bandas de octava del nivel de ruido existente para los intervalos 600-1200, 1200-2400 y 2400-4800 Hz. También se utiliza con este propósito el índice P.S.I.L. (Prefered Speech Interference Level) que utiliza las bandas de octava centradas en 500, 1000 y 2000 Hz, efectuando análogamente el promedio de estas tres lecturas. Las Curvas N.C. (Noise Criteria) se utilizan como criterio sobre el espectro de un ruido de fondo para que pueda llevarse a cabo una determinada actividad, teniendo en cuenta las interferencias en la conversación normal. Este criterio se suele utilizar en la evaluación del ruido en el interior de viviendas. El criterio N.P.L. (Noise Pollution Level) se aplica cuando el ruido que afecta a las comunidades no es continuo, considerando que la molestia que se percibe tiene una relación directa con la intensidad o energía acústica total del ruido medido para un intervalo de tiempo determinado que puede ser 24 horas, duración del sueño, período de vigilia, etc. En estos casos se produce una molestia tanto mayor cuanto más altas son las variaciones del ruido a igualdad de la energía total del mismo en el intervalo considerado. Para su evaluación se recurre al registro y análisis estadístico de los niveles sonoros. No obstante, puesto que la legislación aplicable es generalmente una Ordenanza Municipal, es ésta la que determina el criterio y los límites correspondientes, aunque existe a nivel de la Unión Europea una legislación de limitación de la potencia sonora emitida por ciertos tipos de maquinaria utilizada en construcción y en otras actividades, así como la relativa a vehículos y tractores. En general se admite un valor de 45 dBA como límite superior durante el día en el interior de las viviendas. Para la noche y ciertas actividades, como salas de conferencias, escuelas, hospitales y auditorios, los valores son aún menores. En la Directiva de la U.E. 2002/49/CE, de 25 de junio de 2002, sobre evaluación y gestión del ruido ambiental, se establece un marco y un enfoque común para la lucha contra el ruido en el ambiente, con el objeto de evitar, prevenir y reducir los efectos perjudiciales debidos a la exposición al ruido. Para ello se establece la obligación de la elaboración de mapas de los niveles de exposición al ruido, la información a la población afectada, y la adopción de planes locales de acción. En España se aplican básicamente la Ley 37/2003 de 17 de noviembre sobre el ruido, y el Real

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Decreto 1513/2005 de 16 de diciembre sobre evaluación y gestión del ruido ambiental.

7.1.5. Prevención y protección frente a la exposición al ruido Para disminuir la exposición al ruido se puede actuar sobre el foco, el medio en el que se transmite, y el receptor que es la propia persona expuesta. Siguiendo los principios de prevención el orden citado coincide con el de prioridades, aunque aun se podría actuar con una prioridad anterior: mejorando el diseño de aparatos, máquinas, herramientas, equipos, instalaciones y espacios, para rebajar su nivel de potencia acústica de emisión, así como en la toma de decisiones para la incorporación de nuevos equipos de trabajo, atendiendo a la información que obligatoriamente deberá incluir el manual de instrucciones tanto para el uso como para la instalación y lugar de ubicación. La actuación en la fuente incluye su aislamiento acústico y una adecuada instalación que evite en lo posible la propagación del ruido tanto por vía aérea como por suelos, paredes, techos, tuberías, etc. La actuación sobre el medio de propagación debe comenzar durante la fase de proyecto de forma que los locales que vayan a albergar equipos ruidosos sean construidos con materiales absorbentes y aislantes del ruido, y se diseñen las instalaciones de modo que se evite la reverberación y se minimice, mediante una buena organización y distribución de equipos y tiempos de uso, la suma de los distintos niveles sonoros. Si estas medidas no son suficientes, se actua sobre el medio alejando las fuentes (6 dB si duplicamos la distancia) e interponiendo, por ejemplo, barreras absorbentes. La actuación sobre el sujeto expuesto solo se deberá llevar a cabo cuando, de acuerdo con los principios de prevención de la Ley de Prevención de Riesgos Laborales, las demás medidas, que técnicamente sean posibles, no resulten suficientes para garantizar una protección eficaz. En general este tipo de medidas se reduce a la adecuada utilización del equipo de protección individual (E.P.I.) idóneo, debiendo advertir que esta idoneidad es función del nivel sonoro existente y de su espectro de frecuencias, por lo que para su elección adecuada se deberá disponer de estos datos y de las características absorbentes del protector auditivo, que además debe cumplir con las exigencias de diseño y fabricación del Mercado Interior Único Europeo y presentar la debida certificación y marcado CE. También pueden adoptarse otras medidas complementarias de protección colectiva que no responden al carácter de última prioridad

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de los E.P.I., como, por ejemplo, las cabinas aisladas donde se debe aislar al trabajador y la disminución del tiempo de exposición mediante medidas de tipo organizativo o administrativo. Si el nivel sonoro equivalente supera los 80 dBA (primer nivel de acción) ya se deben tomar determinadas medidas como la información, la formación, la puesta a disposición de los trabajadores expuestos de protectores auditivos, así como controles de audición de las personas expuestas. La legislación laboral específica aplicable es, aparte de la Ley 31/1995, de 8 de noviembre, de Prevención de Riesgos Laborales, el Real Decreto 286/2006 citado, sobre protección de los trabajadores contra los riesgos relacionados con la exposición al ruido y el Real Decreto 773/1997, de 30 de mayo, sobre disposiciones mínimas de seguridad y salud relativas a la utilización por los trabajadores de equipos de protección individual. Para los ambientes tanto laborales como no laborales, además de las Ordenanzas Municipales a los que hemos hecho referencia, hay que tener en cuenta fundamentalmente, entre otras normas jurídicas, la Norma Básica de Edificación NBE.CA 88 sobre condiciones acústicas en los edificios; el Real Decreto 1435/1992, de 27 de noviembre, sobre la Comercialización de las máquinas, modificado por el R. D. 56/1995; y el Real Decreto 212/2002 sobre limitación de la emisión sonora de máquinas y aparatos utilizados al aire libre.

7.2. CONTAMINACIÓN ELECTROMAGNÉTICA 7.2.1. Introducción Las radiaciones electromagnéticas son energías o interacciones electromagnéticas, transmitidas por ondas electromagnéticas, de carácter transversal en el vacío y a través de la materia no opaca. Constituyen el denominado espectro electromagnético de energía, compuesto por radiaciones de la misma naturaleza que solo se diferencian por el valor de unos determinados parámetros relacionados entre si, y que sirven para caracterizarlas : su frecuencia ν, su longitud de onda λ, y su mayor o menor cantidad de energía (E = hν, donde h es la constante de Plank). En la Figura 7.3 se representa el espectro de ondas electromagnéticas, que abarca desde las radiaciones cósmicas de alta energía y baja longitud de onda a las radiaciones generadas por campos eléctricos y electromagnéticos de baja energía y gran longitud de onda. Como puede apreciarse, se distinguen en su conjunto, en orden decreciente de frecuencias y de energía las siguientes zonas, cuyos límites se solapan y que se designan con nombres específicos:

309

CONTAMINACIÓN POR AGENTES FÍSICOS

— — — — — — — — — — — — —

Radiación cósmica. Radiación γ (gamma). Radiación X. Radiación ultravioleta (UV). Radiación visible (luz visible para la especie humana). Radiación infrarroja (IR). Microondas (MW). Radiación de Radiofrecuencias (RF). Sub-radiofrecuencias. Láseres. Campos eléctricos estáticos. Campos magnéticos estáticos. Pulsos electromagnéticos.

Frecuencias (Hz)

1023

Longitudes de onda (m) Rayos cósmicos

10–15 m (1 fm)

Rayos gamma 10–12 m (1 pm) 10

20

Rayos X

400 nm Violeta Azul Verde Amarillo Naranja Rojo 750 nm m (1 mm)

10–9 m 1017

Ultravioleta zona visible

1014

Infrarrojo 10–3

10

11

Microondas

108

Bandas FM. TV. y onda corta de radio

105

Bandas de radio AM.

1m

103 m (1 km)

106 m (1 Mm) 10

2

C. alterna (60 ciclos)

FIGURA 7.3. Espectro de onda electromagético.

310

CIENCIA Y TECNOLOGÍA DEL MEDIO AMBIENTE

De acuerdo con la energía asociada a la onda electromagnética, cabe dividir el espectro electromagnético en dos grandes regiones: la región de las radiaciones ionizantes, que son aquellas que tienen energía suficiente para arrancar electrones cuando interaccionan con la materia, y de las radiaciones no ionizantes, cuya energía no es suficientemente alta para romper enlaces e ionizar la materia. Las denominadas radiaciones no ionizantes tienen como límite los Rayos X y a partir de ahí hasta los rayos cósmicos constituirán la región de las radiaciones ionizantes. Asimismo el conjunto de la zona del espectro que abarca el ultravioleta, visible e infrarrojo recibe el nombre de radiaciones ópticas. En general, las actuaciones de prevención y protección que se aplican frente a los riesgos de exposición a radiaciones no ionizantes son semejantes, cualquiera que sea el tipo de radiación, aunque las soluciones concretas y específicas son diferentes. En consecuencia, son actuaciones que se pueden llevar a cabo a nivel de proyecto, sobre la fuente, sobre el medio y sobre la persona expuesta, sin excluir a las siempre importantes medidas de tipo organizativo, dirigidas a la disminución del tiempo de exposición y del número de personas expuestas. A continuación se describen brevemente las características y riesgos de las principales radiaciones ionizantes y no ionizantes, así como las principales medidas de prevención y protección a aplicar.

7.2.2. Radiaciones ionizantes Las radiaciones electromagnéticas y corpusculares con un nivel de energía suficiente para arrancar electrones cuando interaccionan con los átomos o moléculas de la materia, se les denominan radiaciones íonizantes. El límite inferior de longitudes de onda capaz de ionizar la materia se sitúa alrededor de los 100 nm, equivalente a una energía de 2 10–17 J (125 electrón-voltios). De acuerdo con su naturaleza y origen, las radiaciones ionizantes se clasifican en dos grupos: radiaciones corpusculares, formadas por partículas submicroscópicas de alta energía producidas generalmente en los fenómenos radiactivos naturales o artificiales y las ondas de carácter electromagnético. Si bien su origen es diferente producen los mismos efectos. Louis de Broglie propuso la teoría de la dualidad onda-corpúsculo, según la cual en sistemas microscópicos, toda partícula lleva asociada una onda y viceversa cuya longitud de onda, según dicha teoría es: λ= h/mv, donde h es la constante de Planck, m la masa de la partícula y v

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311

su velocidad, que permite explicar un comportamiento similar de partículas y ondas electromagnéticas. Las características más importantes de las radiaciones ionizantes son dos: 1) La capacidad de ionización, que es directamente proporcional a su energía (E= hν) y 2) La capacidad de penetración, que es inversamente proporcional al tamaño de la partícula. Dentro de las radiaciones corpusculares cabe distinguir los siguientes tipos: — Radiaciones α. Están formadas por núcleos de helio, (2He4). Presentan un elevado poder de ionización, pero una baja capacidad de penetración. — Radiaciones β. Son radiaciones corpusculares con carga negativa formadas por electrones (e–). Se caracterizan por tener una capacidad de ionización más baja que las radiaciones α, pero un poder de penetración notablemente más elevado. — Radiaciones neutrónicas. Formadas por neutrones (1no), que son partículas sin carga y de masa similar a la del protón. Tienen un elevado poder de penetración y una baja capacidad de ionización. Otras radiaciones corpusculares menos frecuentes son: las radiaciones de protones (1H1+), las radiaciones de positrones (β+); así cómo otras partículas formadas por núcleos desnudos de diversos átomos ligeros. Todas las radiaciones corpusculares tienen su origen en fenómenos de radiactividad natural o en procesos radiactivos artificiales: fisión nuclear, fusión nuclear y reacciones de transmutación. Por su parte dentro de las ondas electromagnéticas ionizantes cabe distinguir los siguientes tipos: — Radiaciones cósmicas. Tienen su origen en procesos nucleares en el cosmos. Son radiaciones de muy alta energía, que afortunadamente son retenidas en su mayoría en la alta atmósfera. — Radiaciones γ. Se originan en procesos de radiactividad natural y artificial. Se caracterizan por su elevado poder de penetración, pero por una capacidad de ionización moderada (generalmente secundaria). — Rayos X. Tiene una energía inferior a las radiaciones γ, se originan como consecuencia de la caída de electrones externos de los átomos a orbitales próximos al núcleo que previamente le han sido arrancados mediante una radiación de rayos catódicos. En el espectro electromagnético, ocupan una zona comprendida entre las

312

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radiaciones γ y las radiaciones UV de alta energía. Tienen una capacidad de ionización moderada y un poder de penetración alto. — Radiaciones UV de muy alta energía. Se encuentran en el límite de la capacidad de ionización, su poder de penetración es moderado y son retenidas en la ozonosfera. En la Figura 7.4 se representa de manera cualitativa las capacidades de ionización y de penetración de las diversa radiaciones ionizantes citadas anteriormente. Ambas propiedades dependen del tamaño de la partícula y más aún de su energía. Por ejemplo para una energía de 1 Mev, la penetración de las radiaciones producidas en la radiactividad natural son respectivamente: α = 2 · 10–4 cm, β= 40 cm y γ = 60 cm.

7.2.2.1. Efectos biológicos de las radiaciones ionizantes Cuando las radiaciones ionizantes interaccionan con la materia viva originan diferentes tipos de alteraciones en sus células y tejidos. Esta acción puede ser directa, produciéndose en la propia molécula, o indirecta, es decir producida por radicales libres originados por la acción directa, que extienden sus efectos o otras moléculas. Los daños ocasionados por las radiaciones ionizantes a nivel macromolecular afectan a las moléculas de ADN (ácido desoxirribonucleíco), pudiendo producir fragmentaciones que dan lugar a aberraciones cromosómicas, origen de alteraciones genéticas o incluso de la muerte

Crece

P. ionizante

R. α R. β– β+ R. cósmicas R. γ R. x R. neutrones Crece P. Penetración

FIGURA 7.4. Capacidades de penetración y de ionización de las radiaciones ionizantes.

313

CONTAMINACIÓN POR AGENTES FÍSICOS

celular. También pueden ocasionar alteraciones en la estructura química de la molécula de ADN, dando lugar a mutaciones genéticas no deseadas. En la Figura 7.5 se resumen las fases, los efectos biológicos y la escala temporal de la acción de las radiaciones ionizantes sobre los organismos vivos Como puede apreciarse en la Figura 7.5 las radiaciones ionizantes pueden producir un daño o efecto biológico de carácter somático en el propio individuo, que puede ser inmediato o diferido y que a largo plazo puede degenerar en cáncer, o bien en daños genéticos cuyos efectos se ponen de manifiesto en generaciones posteriores. FASES

EFECTOS

TIEMPO

Fase física (conversión de energía)

Irradiación

10–16 s

Excitación

Ionización

Fase Biofísica (posible protección química)

Alteraciones moleculares

Fase bioquímica (posible restauración)

Efectos bioquímicos

Alteración metabólica

segundos

Alteración morfológica

días

Efecto local

Fase Biológica (posible restauración)

horas

Efecto general años Somáticos Inmediatos

Genéticos

Diferidos

FIGURA 7.5. Efectos biológicos de las radiaciones ionizantes.

siglos

314

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El efecto producido solo tiene una relación «causa-efecto» a partir de un nivel de dosis de radiación recibida por el individuo, llamada dosis umbral, por encima de dicho valor aparecen daños más o menos inmediatos. El valor de la dosis umbral se establece en 0,25 Sv (Sievert). Esto no quiere decir que por debajo de dicho valor no se produzca ningún efecto en el organismo, sino que a medida que aumenta la dosis de radiación recibida aumenta la probabilidad de que se produzcan efectos aleatorios a largo plazo (efectos estocásticos).Tanto en un caso como en otro el efecto es proporcional a la dosis recibida. El organismo humano es incapaz de detectar las radiaciones ionizantes, lo que representa un factor de riesgo añadido al poder pasar desapercibida hasta que afloran los daños producidos, que como se ha dicho pueden presentarse a largo plazo, incluso mucho tiempo después de haber cesado la exposición.

7.2.2.2. Tipos de riesgos de exposición a radiaciones ionizantes Considerando los distintos tipos de radiaciones y sus diferentes capacidades de ionización y de penetración, se pueden diferenciar dos tipos de riesgos de exposición: — Irradiación externa. Se produce cuando la persona está expuesta, sin contacto con ella, a una fuente externa no dispersa. Puede ser total si afecta a todo el cuerpo o parcial si afecta solo a una parte del mismo. Este tipo de riesgo es muy importante sobre todo para radiaciones de alta capacidad de penetración, como es el caso de la radiación γ y de los rayos X. — Contaminación radiactiva. Se produce cuando el organismo entra en contacto directo con la fuente, que puede estar dispersa en el ambiente en forma de gases, vapores o aerosoles, o bien depositada en forma sólida o líquida en una superficie. Además puede ser interna y externa según penetre o no en el interior del organismo. Por ejemplo las radiaciones α de energía elevada, pero poco penetrantes, son peligrosas si producen contaminación interna ya que pueden afectar a órganos internos muy sensibles.

7.2.2.3. Magnitudes y unidades Para poder medir las radiaciones ionizantes y el daño biológico producido por una radiación ionizante es necesario definir las magnitudes y unidades de medida. Las unidades más empleadas relacionadas con dichas radiaciones, son:

315

CONTAMINACIÓN POR AGENTES FÍSICOS

Actividad. Se define como el número de desintegraciones producidas en el radionucleido por unidad de tiempo. La unidad de medida en el sistema internacional (SI) es el Becquerelio (Bq). Anteriormente se utilizaba el Curio (Ci) en el denominado sistema cegesimal. 1 Bq (SI) = 2,7 · 10–11 Ci La actividad disminuye con el tiempo, a un ritmo que depende del valor de la constante de semidesintegración, que se define como el tiempo necesario para que la actividad del radionucleido se reduzca a la mitad. Dicho valor es característico de cada radionucleido. Dosis. Se define como la cantidad de energía absorbida en un punto por el individuo o medio por unidad de masa. La unidad de medida es el Gray (Gy). En el sistema cegesimal en (rads). Gray (Gy) = 1J/kg 1Gy (SI) = 100 rads Dosis equivalente. Se define como la dosis absorbida por el individuo considerando el daño o efecto biológico producido. La dosis equivalente (D. equiv.) es la dosis absorbida (D. abs.) multiplicada por un factor de calidad (QF) distinto según el tipo de radiación. D. equiv. = (D. abs.) · (QF) La unidad de medida es el Sievert (Sv). 1 Sv (SI) = 100 rem (cegesimal) Los factores (QF) de las radiaciones más corrientes son: γ rayos X

QF = 1

β+, β–, e–

QF = 1

α

QF = 10

7.2.2.4. Límites máximos permisibles En la mayoría de países hay una reglamentación que establece unos límites de dosis máximas que puede recibir el individuo a lo largo de un periodo de tiempo determinado. En España estos límites se hayan recogidos en el «Reglamento sobre Protección Sanitaria contra Radiaciones Ionizantes». (RD. 783/2001. BOE de 6 de julio). Los límites de dosis se aplican a la suma de las dosis recibidas por exposición externa durante el periodo considerado y a la dosis integrada resultante de la incorporación de radio núclidos durante el mismo periodo.

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Estos límites nunca deben ser sobrepasados, aunque pueden ser rebajados de acuerdo con estudios de optimización y justificación adecuados. Los límites de dosis distinguen entre personas profesionalmente expuestas y no expuestas, además de ciertos casos especiales. En la Tabla 7.5 se resumen los límites anuales de dosis permitidas para cada uno de estos grupos. TABLA 7.5. Límites anuales de dosis permitidas aparecen en el Reglamento sobre Protección Sanitaria contra Radiaciones Ionizantes

Exposición total y homogénea

LÍMITE DE DOSIS Personas profesionalmente expuestas • Todo el organismo ..... Dosis efectiva.100 mSv para un periodo de 5 años • Estudiantes entre 16 y 18 años ............................................ 6 mSv/año Personas profesionalmente no expuestas miembros del público • Todo el organismo ......................................... 5 mSv/año (0,5 rem/año)

Casos especiales

Exposición parcial o total no homogénea del organismo

Personas profesionales expuestas • Cristalino .................................................................... 150 mSv/año • Piel ............................................................................. 500 mSv/año • Extremidades ............................................................... 500 mSv/año Personas profesionales no expuestas miembros del público • Cristalino ....................................................................

15 mSv/año

• Piel .............................................................................

50 mSv/año

• Extremidades ..............................................................

50 mSv/año

• Otros órganos o tejidos ................................................

50 mSv/año

• Mujeres gestantes .......................................... 10 mSv/embarazo (feto)

7.2.2.5. Medidas preventivas Como ya se indicó, todo lugar en la que se manipulen o almacenen radionúclidos o que disponga de un generador de radiaciones ionizantes, constituye una instalación radiactiva, lo que obliga a que haya un supervisor que debe conocer perfectamente todo lo relativo a la instalación, y

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317

funcionamiento de la misma, así como ser el responsable del cumplimiento de las normativas que sean de aplicación. Asimismo debe procurar que el personal que trabaja en la instalación tenga una información y formación adecuadas, siendo aconsejable que todos realicen el curso de formación para operadores. De todas formas el responsable último de la instalación es el titular de la misma. A continuación se indican algunas de las medidas preventivas que deben tenerse en cuenta en el trabajo con radiaciones ionizantes. Delimitación de zonas y señalización. Los lugares o espacios en los que se manipulan o manejan sustancias radiactivas deben estar perfectamente delimitados y señalizados de forma que constituyan una unidad aparte. Según la dosis que se estima que puede ser recibida en cada espacio, se establecen varias zonas de acuerdo con el Reglamento sobre Protección Sanitaria contra Radiaciones Ionizantes, que son las siguientes. — Zona vigilada. Se define como aquel espacio donde es probable recibir más de 1/10 de los límites anuales de dosis e improbable recibir más de 2/10 de los mismos. Se señaliza con un trébol grisazulado sobre fondo blanco. — Zona controlada. Se trata del espacio donde es probable recibir más de 3/10 de los límites de dosis anuales. Se señaliza con un trébol verde sobre fondo blanco. — Zona de permanencia limitada. En la zona en que podrían superarse los límites para dosis anuales en más de una exposición. Se señalizan con un trébol amarillo sobre fondo blanco. — Zona prohibida. Formada por el espacio en que se pueden superar los límites anuales pero sólo en una exposición. Se señalizan mediante un trébol rojo sobre fondo blanco. En la señalización anterior se utiliza para distinguir entre riesgo de irradiación externa o de contaminación, bordear de puntas radiales el trébol del pictograma en el primer caso, rodear el trébol de un campo punteado en el segundo, y ambos, si existe riesgo de los dos tipos. En la Figura 7.6 se representan los diversos pictogramas de señalización para una de las 4 zonas consideradas.

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Irradiación

Contaminación

Contaminación e irradiación

FIGURA 7.6. Pictogramas de señalización de riesgos frente a radiaciones ionizantes.

7.2.2.6. Medida de la dosis de radiación En las instalaciones con riesgo de exposición a radiaciones ionizantes, se debe realizar periódicamente un doble control, por una parte la medida del nivel de radiación ambiental en las diversas zonas, para lo cual se utilizan aparatos de medida como contadores Geiger, y por otra, el control periódico de las dosis individuales recibidas por cada operario, mediante dosímetros individuales donde se van acumulando las dosis recibidas.

7.2.2.7. Plan de emergencia Las instalaciones radiactivas deben disponer de un plan de emergencia perfectamente definido, en el que se deberán detallar las acciones a efectuar en caso de emergencia, que son: 1. Delimitación y señalización de la zona afectada. 2. Comunicación a la dirección. 3. Medida de la contaminación (dosis recibida) de las personas afectadas, aislándolas su caso del resto de personal. 4. Medida de la contaminación ambiental de la zona. 5. Descontaminación del personal y de la zona afectada.

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7.2.3. Radiaciones no ionizantes 7.2.3.1. Radiación ultravioleta (UV) Las radiaciones ultravioletas están situadas en la zona del espectro electromagnético inmediatamente por debajo en energía (y frecuencia) que la radiación X y en la inmediata zona superior de la luz visible (limita con el color violeta). La zona corresponde a las longitudes de onda λ comprendidas entre 10 nm (límite con rayos X) y 400 nm (límite con la luz visible). El ojo humano no es sensible a ellas y, por lo tanto, son invisibles. La zona del espectro de radiaciones UV se subdivide a su vez en cuatro subregiones: — Región A (UV-A) limítrofe con la luz visible (con λ entre 350 y 400 nm), también denominada luz negra. — Región B (UV-B) (280 < λ < 315 nm), denominada eritémica. — Región C (UV-C) (100 < λ < 280 nm), denominada germicida y actínica. — Región UV-vacio (10 < λ < 190 nm), inocua a nivel de la superficie terrestre o bajo ella, por absorberse en la atmósfera. Las fuentes de radiación ultravioleta además del Sol son: — Fuentes de baja intensidad: Ciertos metales sólidos a temperaturas muy altas (2000 0C), tubos fluorescentes y lámparas de descarga muy variadas según el gas que contengan, en particular las de vapor de mercurio a baja presión (usado como germicida en hospitales, laboratorios biológicos y farmacéuticos, aire acondicionado, etc.) — Fuentes de alta intensidad: Lámparas de descarga a alta presión, como las de vapor de mercurio (utilizadas en análisis metalográfico, ciertos diagnósticos, etc.), arcos eléctricos como los de electrodos de carbono, arcos de soldadura, etc. — También se pueden encontrar emisiones de rayos ultravioleta en la esterilización de instrumental clínico y otras, en arcos de soldadura y, de corte, en hornos de fundición, en fototerapia, en lámparas de luz negra para detección de ciertos materiales o detalles en fotocopiadoras, en ciertas reacciones fotoquímicas, etc. La acción de los rayos UV sobre el organismo humano está limitada a la piel y al ojo, en virtud de su bajo poder de penetración los UV-B y UV-C sólo llegan a la epidermis; en el caso del ojo, la mayor parte es absorbida

320

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por la córnea. Los rayos UV-A pueden llegar al cristalino y sólo los de frecuencias muy próximas al violeta alcanzan la retina. Los posibles riesgos están relacionados con la intensidad y la frecuencia de la radiación así como por ciertas características personales (por ejemplo: hay una mayor penetración en pieles menos pigmentadas). Entre los posibles efectos de índole no estocástica se encuentran: Pigmentación de la piel (bronceado), eritemas, hiperplasia epidérmica, y fotoqueratitis de los ojos. Entre los posibles efectos estocásticos, por exposiciones crónicas, se encuentra tres tipos de cáncer de piel: carcinoma basocelular, carcinoma espinocelular y melanoma.

7.2.3.2. Radiación visible El espectro de la luz visible abarca las longitudes de onda desde 400 nm (violeta) hasta 780 nm (rojo) pasando sucesivamente por los colores azul, verde, amarillo y naranja. La protección se refiere exclusivamente a los riesgos por radiaciones lumínicas intensas y prolongadas, dejando de lado los debidos a la iluminación propiamente dicha, objeto de la seguridad laboral y de la ergonomía. Las fuentes son el Sol, las lámparas incandescentes (y los metales sólidos a muy alta temperatura), los arcos eléctricos, los tubos fluorescentes, las lámparas de descarga, antorchas de plasma, las llamas, etc. Los posibles efectos son daños o lesiones térmicas en la retina y lesiones fotoquímicas también en la retina por exposición crónica a la luz azul.

7.2.3.3. Radiación infrarroja (IR) Corresponde a la región de longitudes de onda comprendida entre los 780 nm (límite con el color rojo) y 1 mm (con lo que se solapa con las microondas). La región de los rayos infrarrojos se subdivide a su vez en tres regiones: — Infrarrojo próximo o IR-A (780 a 1.400 nm). — Infrarrojo medio o IR-B (1.400 a 3.000 nm). — Infrarrojo lejano o IR-C (3.000 nm a 1 mm).

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Son radiaciones fundamentalmente caloríficas y completamente invisibles. Sus efectos están asociados al calor y perjudican al organismo en su conjunto, influyendo decisivamente otros factores como la humedad y la velocidad del aire. Principalmente afectan a la capacidad termorreguladora del organismo. Las fuentes más comunes son el Sol, los cuerpos incandescentes, determinadas superficies muy calientes (metales, fabricación de vidrio, soldadura, fotograbado, secado de esmaltes, etc.) y sistemas IR activos (emisores de IR de banda estrecha e intensidad elevada, como los radares). Los posibles efectos de la radiación infrarroja son exclusivamente de naturaleza térmica y pueden afectar a la piel y a los ojos. Para la piel el riesgo de quemaduras se debe solamente al IR-A, ya que es opaca para IR-B e IR-C que sólo llegan a producir calentamiento (estrés térmico). Sin embargo son estos dos últimos los que pueden provocar lesiones corneales, eritemas y quemaduras en los ojos, en tanto que los IR-A pueden causar opacidades y cataratas en el cristalino.

7.2.3.4. Evaluación de riesgos por exposición a radiaciones ópticas y medidas de prevención y protección Por el momento no existen en España ninguna legislación específica ni una metodología oficial de evaluación de los riesgos, referidas a este tipo de radiaciones ópticas. Está previsto que durante 2006 se apruebe una directiva de la Unión Europea sobre la protección de los trabajadores expuestos a radiaciones ópticas no naturales (se excluye la radiación solar). Esta directiva sigue los criterios de evaluación de riesgos por exposición que adopta la ICNIRP, Comisión Internacional para la Protección contra las Radiaciones No Ionizantes cuyo Secretariado Científico está Munich. En cuanto a las medidas de prevención y protección frente a la exposición a las radiaciones ópticas, hay que tener en cuenta en primer lugar los principios generales de prevención entre los que ocupan un lugar muy importante la información y formación adecuadas de los usuarios, además de la necesaria vigilancia de la salud. En particular, se deben tomar medidas en el diseño que traten de evitar o minimizar riesgos. Y posteriormente debe realizarse un mantenimiento y control del funcionamiento de los equipos, dispositivos e instalaciones que puedan dar lugar a emisiones de este tipo de radiaciones.

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7.2.4. Microondas (MW) Se denominan microondas las radiaciones electromagnéticas de longitudes de onda entre 1 mm y 1 m, aproximadamente (o frecuencias entre 300 GHz y 300 MHz). Son varios los tipos de generadores de microondas (magnetrones, klystrons, tubos amplificadores TWT, antenas, etc.). Estas radiaciones se suelen utilizar como fuente de calor (hornos, secaderos, pasteurización, diatermia clínica, etc.), o como medio de transmisión de información (radares, TV, radiodifusión, telefonía, etc.). Los posibles efectos de este tipo de radiaciones son de tipo térmico originando en el interior del organismo humano un calentamiento de distribución irregular debido al diferente comportamiento de los distintos tejidos y órganos, con lo que se establecen diversos gradientes térmicos, y efectos no térmicos, no suficientemente explicados por el momento. Los efectos térmicos, perfectamente comprobados, pueden llegar a la producción de lesiones localizadas, quemaduras, hemorragias, necrosis, etc, siendo los ojos (queratitis, cataratas, ...) y los testículos (oligospermia, infertilidad...) los más susceptibles a este tipo de daños. En general, además de las actuaciones preventivas en el diseño y proyecto y las correspondientes a la información, formación, participación y vigilancia de la salud de los trabajadores, se deben tomar acciones preventivas tales como el aislamiento o apantallamiento de las zonas o habitáculos donde pueda haber emisiones, alejamiento de la fuente y protección individual adecuada: trajes absorbentes y protectores adecuados de los ojos.

7.2.5. Campos electromagnéticos (CEM) Actualmente se suele englobar bajo este término los campos eléctricos y magnéticos estáticos, los campos de frecuencia extraordinariamente baja (FEB) y los campos de radiofrecuencia (RF), incluidas las microondas, todos ellos en un amplio intervalo de frecuencias comprendido entre ≅0 Hz y 300 GHz, denominada también intervalo de contaminación electromagnética. Las radiofrecuencias propiamente dichas están comprendidas entre 100 kHz y 300 MHz y las sub-radiofrecuencias se refieren a valores inferiores a 30 kHz. Tanto ellas como los campos eléctricos y los campos magnéticos asociados, así como los estáticos, están siendo sometidos a multitud de estudios e investigaciones, con resultados inciertos y sin nin-

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guna evidencia respecto a posibles efectos sobre la salud por exposición crónica a los mismos. No obstante, ante determinadas sospechas se han propuesto ciertos valores límite de exposición con carácter provisional. Con fecha 12 de julio de 1999, el Consejo de la Unión Europea adoptó la Recomendación 1999/519/CE relativa a la exposición del público en general a campos electromagnéticos (0 Hz a300 GHz), que como tal recomendación carece de carácter vinculante, suponiendo tan solo una referencia que los Estados Miembros pueden libremente seguir o no. A continuación se citan los principales conceptos técnicos utilizados en el campo de las radiaciones CEM. • La intensidad de corriente de contacto Ic en amperios (A) entre una persona y un objeto. Un objeto conductor en un campo eléctrico puede ser cargado por el campo. • La densidad de corriente J como la intensidad de corriente en A/m2 que fluye por una unidad de sección transversal en un conductor volumétrico como el propio cuerpo humano o parte de éste. • La intensidad de campo eléctrico E, en V/m, magnitud vectorial que corresponde a la fuerza ejercida sobre una partícula. • La intensidad de campo magnético H, en A/m, magnitud vectorial que con la inducción magnética determina un campo magnético en cualquier punto del espacio. • La inducción magnética B, en teslas (T), magnitud vectorial referida a una fuerza que actúa sobre cargas en movimiento. • La densidad de potencia S, utilizada en frecuencias muy altas, que se refiere a la potencia radiante por unidad de área que incide perpendicularmente a una superficie, medida en W/m2. • La absorción específica de energía SA (specific energy absorption), energía absorbida por unidad de masa de tejido biológico en J/kg, utilizada para limitar los efectos no térmicos de la radiación de microondas pulsátil. • El índice de absorción específica de energía SAR (specific energy absorption rate) cuyo promedio se calcula para el conjunto del cuerpo o para parte de éste y se expresa en W/kg). La Recomendación del Consejo de la Unión Europea citada utiliza para la evaluación de los posibles efectos de los campos electromagnéticos las restricciones básicas y los niveles de referencia aunque por el momento no existen evidencias de que la exposición a largo plazo a las radiaciones CEM produzca ninguna forma de cáncer.

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— Las restricciones básicas son las restricciones que se fijan para la exposición a los campos eléctricos, magnéticos y electromagnéticos de duración variable, basadas directamente en los efectos conocidos sobre la salud y en consideraciones biológicas. — Los niveles de referencia se ofrecen a efectos prácticos de evaluación de la exposición para determinar la probabilidad de que se superen las restricciones básicas. El cumplimiento del nivel de referencia garantiza el respeto de la restricción básica correspondiente. Si el valor medio de las magnitudes medidas o calculadas supera el nivel de referencia no supone que necesariamente se sobrepase la restricción básica, pero debe comprobarse si se respeta o no. En las recomendaciones citadas no se establecen restricciones cuantitativas para los campos eléctricos estáticos. No obstante, se recomienda evitar la percepción molesta de cargas eléctricas superficiales y de descargas de chispas que puedan provocar molestias o estrés. En la Tabla 7.6 se presentan las restricciones básicas contenidas en la Recomendación 1999/519/CE. Dichas restricciones se aplican de acuerdo con los siguientes criterios: — Se utilizan para la inducción magnética (B) en campos magnéticos estáticos (0 Hz) y para la densidad de corriente (J) en campos variables de hasta 1 Hz con el fin de prevenir efectos sobre el sistema cardiovascular y el sistema nervioso central. — Entre 1Hz y 10 Hz las restricciones básicas de la densidad de corriente tienen por objeto prevenir efectos sobre el sistema nervioso. TABLA 7.6. Recomendaciones del Consejo de la UE 1999/519/CE sobre restricciones básicas para CEM

Frecuencia F

B (Tm)

0 Hz >0-1 Hz 1-4 Hz 4-1000 Hz 1-100 kHz 0,1-10 MHz 10 MHz-10 GHz 10-300 GHz

40

J(rms) (mA/m2)

SAR medio Cuerpo entero (W/kg)

SAR Cabeza y tronco (W/kg)

SAR Miembros (W/kg)

S (W/m2)

8 8/f 2 f/500 f/500

0,08

2

4

0,08

2

4 10

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— Entre 100 kHz y 10 GHz se persigue la prevención de la fatiga calórica del cuerpo en su conjunto y el calentamiento excesivo de los tejidos. — Entre 10 GHz y 300 GHz con las restricciones básicas de la densidad de potencia se trata de prevenir el calentamiento de los tejidos. Las restricciones básicas fijadas se han establecido teniendo en cuenta las variaciones de las distintas sensibilidades individuales, las diferentes condiciones medioambientales que pueden darse y la diversidad de edades y estado de la salud de los ciudadanos. Los niveles de referencia como límite de exposición se obtienen a partir de las restricciones básicas suponiendo el máximo acoplamiento del campo con la persona expuesta, por lo que significan el mayor grado de protección. Están concebidos como valores promedio calculados para la totalidad del cuerpo de la persona expuesta, pero teniendo muy en cuenta que no deben superarse las restricciones básicas de exposición localizadas que son de aplicación a determinadas partes del cuerpo. En los casos en que la exposición está muy localizada, como ocurre con los teléfonos móviles y la cabeza de la persona expuesta, no es adecuado utilizar los niveles de referencia, debiendo evaluarse directamente si se respeta la restricción básica localizada. En la Tabla 7.7 se presentan los niveles de referencia para CEM como valores eficaces rms que aparecen en la Recomendación. TABLA 7.7. Recomendaciones del Consejo de la UE 1999/519/CE sobre Niveles de Referencia para CEM Frecuencia F

E (V/m)

H (A/m)

B (μT)

0-1 Hz 1-8 Hz 8-25 Hz 0,025-0,8 kHz 0,8-3 kHz 3-150 kHz 0,15-1 MHz 1-10 MHz 10-400 MHz 400-2000 MHz 2-300 GHz

10000 10000 250/f 250/f 87 87 87/f1/2 28 1,375f1/2 61

3,2 · 104 3,2 · 104/f2 4000/f 4/f 5 5 0,73/f 0,73/f 0,073 0,0037f1/2 0,16

4 · 104 4 · 104/f2 5000/f 5/f 6,25 6,25 0,92/f 0,92/f 0,092 0,0046f1/2 0,20

S Equivalente de onda plana (W/m2)

2 f/200 10

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Para las frecuencias de hasta 110 MHz se recomiendan niveles de referencia adicionales con el fin de evitar los riesgos por corrientes de contacto. En la Tabla 7.8 de la citada Recomendación se facilitan dichos niveles. Para ello se ha tenido en cuenta que las intensidades de corriente de contacto umbral que pueden provocar reacciones biológicas en mujeres adultas y niños equivalen aproximadamente a dos tercios y a la mitad respectivamente, de las que corresponden a hombres adultos. TABLA 7.8. Recomendaciones del Consejo de la UE sobre Niveles de Referencia para CEM de hasta 110 MHz Intervalo de frecuencias f

Intensidad máxima de contacto (mA)

0 Hz – 2,5 kHz 2,5 kHz – 100 kHz 100 kHz – 110 MHz

0,5 0,2f [f en kHz] 20

Para las frecuencias entre 10 MHz y 110 MHz se recomienda un nivel de referencia de 45 mA para intensidades a través de cualquier extremidad. Para la protección de los trabajadores expuestos a los CEM. (incluidas las microondas), el Instituto Nacional de Seguridad e Higiene en el Trabajo sigue los criterios de la ICNIRP que son los mismos en los que se basa la directiva comunitaria específica 2004/40/CE referida a la exposición laboral a estos agentes, cuyo plazo para aplicarse en los Estados Miembros finaliza el 30 de abril de 2008.

7.2.6. Radiaciones láser La denominación láser, responde a un acrónimo: «Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation». Los láseres se definen como dispositivos electrónicos que, basados en la emisión inducida, amplifican extraordinariamente una radiación electromagnética en el intervalo de longitudes de onda de 200 nm a 1 mm (de UV a IR) esencialmente por el fenómeno de emisión estimulada controlada. Este tipo de radiaciones se diferencian de las demás en que son monocromáticas (intervalo muy estrecho de longitudes de onda), son coherentes (el conjunto de radiaciones emitidas coincide en frecuencia y en fase) y direccionales (haz perfectamente definido y dirigido). Existen láseres que pueden emitir varias longitudes de onda simultáneamente. Unos emiten de forma continua (láseres continuos) y otros por impulsos (láseres pulsantes).

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Sus aplicaciones aumentan constantemente por lo que su uso se extiende cada vez más. Existen dos grandes campos: el de la información, transmisión, procesamiento, y detección del que serían ejemplos las comunicaciones, los identificadores o scanners, los discos compactos, las impresoras, la topografía, la cartografía, los controles, la metrología, etc; y el de la interacción con materiales como en los tratamientos muy precisos para soldadura y corte, en reacciones químicas inducidas, medicina, defensa, etc. Los riesgos de exposición son muy diversos, dependiendo de las características propias de cada sistema. En general pueden producirse efectos térmicos, por calentamiento excesivo de tejidos y órganos, efectos fotoquímicos por inducción de ciertas reacciones químicas, efectos electromagnéticos no muy bien conocidos, y efectos mecánicos por láseres pulsantes a modo de microexplosiones, produciendo efectos adversos sobre todo en la piel y ojos expuestos. La directiva sobre riesgos laborales por exposición a radiaciones ópticas cuya aprobación está prevista para 2006 considera también los láseres.

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EJERCICIOS DE AUTOCOMPROBACIÓN 1. Diferencia entre presión e intensidad acústica de un sonido. 2. ¿Puede un sonido progagarse en el vacío? 3. Una propiedad física de las ondas sonoras es su frecuencia. Defina dicha característica y relaciónela con el periodo de la misma onda sonora. 4. ¿Cuál es el rango de frecuencias para que un sonido pueda ser percibido por el oido humano? 5. En la escala relativa de niveles de presión acústica, ¿qué valores de dB y de μ Pa corresponden a los umbrales de audición y de dolor? 6. ¿Pueden sumarse o restarse aritméticamente niveles de ruido diferentes expresados en dB? 7. Enumere los tipos de ruido que pueden distinguirse. 8. Calcular el nivel de intensidad en decibelios de una onda sonora de 10–7W/m2 de intensidad. 9. Probar que si se duplica la intensidad de un sonido, el nivel de intensidad aumenta en 3dB. 10. En un campo de fútbol con 100.000 espectadores gritando a la vez, calcular el nivel de intensidad conjunto suponiendo que cada espectador grita con un nivel de intensidad sonora de 60 dB. Datos: Suponemos que la intensidad sonora en un punto es la suma de la de todas las fuentes (los espectadores) y que todas están a la misma distancia del lugar de medida. 11. Relacionar los parámetros: longitud de onda (λ); frecuencia ν; velocidad de la luz (c) y número de onda (n), que se emplean para caracterizar las ondas electromagnéticas. 12. Ordenar por longitud de onda creciente las siguientes radiaciones: a) 30 MHz; b) 60kHz; c) 2,5 · 10–19 J ;d) 300 GHz; e) 30 mm y f) 50 ev. ¿A que zona del espectro pertenecen cada una de ellas? Datos: Velocidad de la luz, c = 3 · 108 m/s, Constante de Planck, h = 6,6 · 10–34 J · s, 1 e.v = 1,6 · 10–19 J.

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13. Clasifique los diferentes tipos de radiaciones UV. Resuma brevemente los efectos adversos sobre el organismo humano. 14. Defina los conceptos de Restricciones básica y Niveles de referencia para la evaluación de los efectos de campos electromagnético de baja frecuencia. 15. Cuál es el valor de la longitud de onda asociada a sendas radiaciones a (electrones) y b (partículas α), que se mueven con una misma velocidad igual a 1/5 de la velocidad de la luz. ¿Cuál es la energía de dichas radiaciones. Datos: h = 6,62 10–34 J · s ; c = 3 108 m/s; masa del electrón 9,1 10–31 kg, y masa de la partícula a 6,6 10–27 kg.

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SOLUCIÓN A LOS EJERCICIOS DE AUTOCOMPROBACIÓN 1. La presión acústica es la variación de presión inducida en el medio como consecuencia de la perturbación producida en el mismo al transmitirse la onda sonora (diferencia entre la presión instantánea en un punto cuando existe una onda sonora y la presión estática (en reposo) que existe en ese mismo punto). Se mide en newton/m2 (N/m2), también denominado pascal Pa. La intensidad acústica es igual al valor medio de la energía trasportada por la onda por unidad de superficie y de tiempo. Se mide en vatios/m2 (W/m2). 2. El sonido es toda sensación percibida por el órgano auditivo debido a la incidencia en el mismo de ondas de presión, consecuencia de una vibración mecánica, que son el resultado de una sucesión de compresiones y enrarecimientos producidas en el medio elástico en que se propaga. Por lo tanto no puede propagarse en el vacío. 3. Frecuencia y periodo son dos propiedades de las ondas sonoras siendo 1 el periodo T el valor inverso de la frecuencia f, es decir, T = . f 4. Los limites de la audición en el hombre están comprendidos entre los 20 Hz y los 20 kHz. Cuando la frecuencia del sonido es inferior a los 20 Hz no es audible y se denominan infrasonidos, y cuando es superior a los 20 kHz se denominan ultrasonidos. 5. Cero y 140 dB, y 20 y 200.106 μPa respectivamente. 6. Al utilizar como unidad el decibelio hay que tener en cuenta que se trata de una escala logarítmica por lo que no es posible sumar o restar aritméticamente niveles de ruido diferentes. 7. Pueden distinguirse los tipos de ruido siguientes: — Ruido continuo, de banda ancha y espectro de frecuencias y nivel prácticamente constantes durante la jornada laboral en el caso de los ambientes de trabajo. — Ruido intermitente fijo, semejante al anterior pero solo en determinados períodos de la jornada laboral separados por otros no considerados como ruidosos. — Ruido intermitente variable, de intensidad y espectro variables a lo largo del tiempo.

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— Ruido de impactos, o de impulsos, cuya duración cuando se produce es de menos de medio segundo cada vez (impulso), siendo el intervalo entre dos picos consecutivos superior a un segundo. 8. El nivel de intensidad viene dado por la fórmula: LI = 10 log

I I0

siendo: I0 = 10–12 W/m2, luego L1 = 10 log

10 –7 = 10 log 105 = 50 dB 10 –12

9. Por el anterior problema sabemos que LI = 10 log la intensidad tendríamos LI′ = 10 log

I y si duplicamos I0

2I , restando ambas expresiones I0

nos queda: LI′ − LI = 10 log

2I I − 10 log = I0 I0

10 [log 2I – log I0 – log I + log I0 ] = 10 [log 2 + log I – log I] = 10 ⋅ log 2 = 10 ⋅ 0, 30 = 3dB

10. Tendremos: L I = 10 log

⎛ 105 I I⎞ = 10 ⎜ log 105 + log ⎟= I0 I0 ⎠ ⎝

⎛ I⎞ I 10 ⎜ 5+ log ⎟ = 50 + 10 ⋅ log = (50 + 60) dB = 110 dB I I ⎝ 0⎠ 0

11. Las radiaciones electromagnéticas resultan de la interacción por dos ondas una eléctrica y otra magnética perpendiculares entre sí, que se desplazan en fase a la velocidad de la luz, una representación simplificada se muestra a continuación donde también se representan los paramentos que sirven para definirla.

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c λ

ν n

λ = longitud de onda ν = Frecuencia o número de ondas que pasan por un punto en un segundo n = Número de ondas en una unidad de longitud c = Velocidad de la luz (3 · 108 m/s) La relación entre los parámetros es la siguiente: λ = c/ν ; n = 1/λ y ν = c · n Por otra parte teniendo en cuenta las teoría de los cuantos de Planck, la energía que transporta un fotón es igual a: E = hν, por lo que también: E = h c/λ y E = h · c · n 12. Los valores respectivos de λ (en metros) de las radiaciones son los siguientes: λ = 10 m

a) 30 MHz < > 3 · 108m/30 · 106Hz (Radio FM) b) 60kHz < > 3 · 108m/60 · 103Hz (Radio AM)

λ = 5 · 103 m

c) 2,5 · 10–19 J < > 6,6 · 10–34 J s · 3 · 108m/2,5 · 10–19 J (Infrarrojo) d) 300 GHz < > 3 · 108m/300 · 106Hz (infrarrojo) e) 30 m m < > 30 · 10–3 m (Microondas)

λ = 7,9 · 10–7 m

λ = 1 · 10–3 m

λ = 3 · 10–2 m

f) 50 ev < > 8 · 10–18 J < >6,6 · 10–34 J s · 3 · 108 (m/s)/8 · 10–18J λ =2,5 · 10–8 m (Ultravioleta) Por lo tanto el orden creciente respecto a λ de las radiaciones es: f