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BLOQUE TEMÁTICO III

Contaminación, vertidos y auto-depuración

Objetivos del bloque

• Entender que los sistemas naturales de agua son ‘depuradoras’ naturales o reactores biogeoquímicos

• ¿Qué procesos están implicados en la ‘depuración’ del agua? ¿Cómo podemos cuantificarlos?

• Aprender a analizar, de forma cuantitativa, el funcionamiento de los sistemas acuáticos como depuradores, utilizando balances de masas

• Aprender a implementar los balances de masas en una hoja de cálculo y a utilizar otras herramientas de análisis en el ordenador (USEPA-QUAL2E)

• Aplicar los conceptos y herramientas aprendidas al estudio de un vertido de agua residual a un río

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Referencias

• [1] Chapra, 1997. Surface Water Quality Modelling. McGraw-Hill

• [2] Thomann & Mueller, 1987. Principles of surface waterquality modeling and control. Harper & Row, 1987.

• [3] Cooke y otros. 1993. Restoration and Management ofLakes and Reservoirs. Lewis Publishers.

• [4] Orozco, C. y otros. 2003. Contaminación Ambiental. Una visión desde la Química. Thompson.

• [5] Ingeniería de las aguas residuales. Tratamiento, vertido y reutilización. Ed. McGraw-Hill.

TEMA 1 Concepto de contaminación

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Definición

• «La contaminación consiste en una modificación, generalmente, provocada por el hombre, de la calidad del agua, haciéndola impropia o peligrosa para el consumo humano, la industria, la agricultura, la pesca y las actividades recreativas, así como para los animales domésticos y la vida natural» (Carta del Agua, Consejo de Europa, 1968)

• «Un agua está contaminada cuando se ve alterada su composición o estado, directa o indirectamente, como consecuencia de la actividad humana, de tal modo que quede menos apta para uno o todos los usos a que va destinada, para los que sería apta en su calidad natural» (C.E.E. de las Naciones Unidas, 1961)

• «La acción y el efecto de introducir materias, o formas de energía, o inducir condiciones en el agua que, de modo directo o indirecto,impliquen una alteración perjudicial de su calidad en relación con los usos posteriores o con su función ecológica» (Ley de Aguas)

Definición

• «La contaminación consiste en una modificación, generalmente, provocada por el hombre, de la calidad del agua, haciéndola impropia o peligrosa para el consumo humano, la industria, la agricultura, la pesca y las actividades recreativas, así como para los animales domésticos y la vida natural» (Carta del Agua, Consejo de Europa, 1968)

• «Un agua está contaminada cuando se ve alterada su composicióno estado, directa o indirectamente, como consecuencia de la actividad humana, de tal modo que quede menos apta para uno o todos los usos a que va destinada, para los que sería apta en su calidad natural» (C.E.E. de las Naciones Unidas, 1961)

• «La acción y el efecto de introducir materias, o formas de energía, o inducir condiciones en el agua que, de modo directo o indirecto,impliquen una alteración perjudicial de su calidad en relación con los usos posteriores o con su función ecológica» (Ley de Aguas)

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Definición

• «La contaminación consiste en una modificación, generalmente, provocada por el hombre, de la calidad del agua, haciéndola impropia o peligrosa para el consumo humano, la industria, la agricultura, la pesca y las actividades recreativas, así como para los animales domésticos y la vida natural» (Carta del Agua, Consejo de Europa, 1968)

• «Un agua está contaminada cuando se ve alterada su composicióno estado, directa o indirectamente, como consecuencia de la actividad humana, de tal modo que quede menos apta para uno o todos los usos a que va destinada, para los que sería apta en su calidad natural» (C.E.E. de las Naciones Unidas, 1961)

• «La acción y el efecto de introducir materias, o formas de energía, o inducir condiciones en el agua que, de modo directo o indirecto,impliquen una alteración perjudicial de su calidad en relación con los usos posteriores o con su función ecológica» (Ley de Aguas)

Definición

• «La contaminación consiste en una modificación, generalmente, provocada por el hombre, de la calidad del agua, haciéndola impropia o peligrosa para el consumo humano, la industria, la agricultura, la pesca y las actividades recreativas, así como para los animales domésticos y la vida natural» (Carta del Agua, Consejo de Europa, 1968)

• «Un agua está contaminada cuando se ve alterada su composicióno estado, directa o indirectamente, como consecuencia de la actividad humana, de tal modo que quede menos apta para uno o todos los usos a que va destinada, para los que sería apta en su calidad natural» (C.E.E. de las Naciones Unidas, 1961)

• «La acción y el efecto de introducir materias, o formas de energía, o inducir condiciones en el agua que, de modo directo o indirecto,impliquen una alteración perjudicial de su calidad en relación con los usos posteriores o con su función ecológica» (Ley de Aguas)

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• No partimos del agua pura, sino de la calidad/composición natural del agua

• Se considera contaminación la provocada de forma directa/indirecta por la actividad humana

• La calidad se define en función de los usos• Los mecanismos de contaminación son

múltiples, asociados a cambios en el régimen de movimiento natural

• Composición y la calidad del agua son propiedades dinámicas (i.e. cambian con el tiempo)

Aspectos clave

Usos consuntivos- Urbano, doméstico

o abastecimiento- Industrial

- Agropecuario

Otros- Generación de energía eléctrica

- Medio de vida acuático (acuicultura) - Navegación

- Recreativo o estético - Función ECOLÓGICA!!!

Pantano de Kesterson(Caso 1)

6

1 ac

re-f

oot=

12

33.4

8 cu

bic

met

ers

7

1983 Kesterson Reservoir(El ‘Chenobil’ de la agricultura)

8

Las Tablas de Daimiel(Caso 2)

8-12

20

30-40

90 hm3

715-1047 µmhos/cm

90 hm3

2121-5533 µmhos/cm

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La historia de las Tablas de Daimiel

• Década de los 1960: El Instituto de Colonización promovió la canalización y desecación del río Guadiana y sus afluentes, para el uso agrícola de sus márgenes. Con el fin de preservar el valor ecológico del lugar es declarado Parque Nacional a final de la década de los 60.

• Años 70 y 80: El INC del MOP, promovió la explotación de aguas subterráneas para riego, lo cual produjo un descenso pronunciado de los niveles freáticos de los acuíferos y con ello …

20-70 hm3

0!! hm3

8-12

0!!

0!!

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Impacto de la alteración del balance hídrico en las Tablas y Ojos del Guadiana

• Disminución de la superficie de encharcamiento• Aumento de la salinidad de las Tablas.• Reducción de especies nidificantes• Sustitución de especies (masiega � carrizo)• Combustión espontánea de turberas• Colapsos y subsidencias del terreno• Emisión de gases tóxicos

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Toolik Lake, Alaska(Caso 3)

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Aspectos clave

• No partimos del agua pura, sino de la calidad/composición natural del agua

• Se considera contaminación la provocada de forma directa/indirecta por la actividad humana

• La calidad se define en función de los usos• Los mecanismos de contaminación son

múltiples y asociados a cambios en el régimen de movimiento natural

• Composición y la calidad del agua son propiedades dinámicas (i.e. cambian con el tiempo)

Vertidos

TEMA 2 Parámetros indicadores

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Parámetros indicadores

• FísicosCaracterísticas organolépticas (color, olor y sabor), turbidez y sólidos totales, temperatura y conductividad

• Químicos Indicadores de materia orgánica (DBO, DQO, COT); salinidad, dureza y cloruros; pH (acidez y alcalinidad); nutrientes vegetales (N y P), metales pesados y contaminantes prioritarios; oxígeno disuelto y otros gases (sulfuro de hidrógeno);

• BiológicosBacterias, virus, hongos, algas � coliformes

Parámetros indicadores

• FísicosCaracterísticas organolépticas (color, olor y sabor), turbidez y sólidos totales, temperatura y conductividad

• Químicos Indicadores de materia orgánica (DBO, DQO, COT); salinidad, dureza y cloruros; pH (acidez y alcalinidad); nutrientes vegetales (N y P), metales pesados y contaminantes prioritarios; oxígeno disuelto y otros gases (sulfuro de hidrógeno);

• BiológicosBacterias, virus, hongos, algas � coliformes

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• Sólidos en totales (mg/l) - residuo después de someter al agua a un proceso de evaporación a 103-105 oC.

• Sólidos sedimentables (ml/l) – volumen de sólidos que sedimentan el fondo de un cono Imhoff en 60 min.

• Sólidos totales* = filtrables � disueltos y coloidales+ no-filtrables � suspensión

* según pase o no por un filtro de fibra de vidrio de 1.2 µm (Whatman GF/C)

• SF y SS = Fracción volátil � fracción orgánica+ Fracción fija � fracción fija

* según se volatilice o no a 550 ± 5oC

1. Sólidos en agua

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Ejemplo

Resultado de ensayos con muestras de 50 ml

- Tara del plato de evaporación = 53.5433 g - Masa del plato + residuo tras evaporación a 105 oC = 53.5793 g- Masa del plato + residuo tras combustión a 550 oC = 53.5772 g- Tara del filtro Whatman (GF/C) = 1.5433 g- Residuo en el filtro tras secado a 105 oC = 1,5553 g- Residuo en el filtro tras combustión a 550oC = 1.5531 g

¿? Determina la concentración de sólidos totales, sólidos totales volátiles y sólidos volátiles en suspensión

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2. Materia orgánica

- ¡Casi un 75% de sólidos en suspensión y un 40% de los sólidos filtrables son compuestos orgánicos!

- Formados por combinaciones de C, H, O, N y P + otros elementos (S, Fe)

- Proteinas (40-60%) + hidratos de carbono (25-50%) + grasas (10%) + otras moléculas orgánicas (agentes tensioactivos, contaminantes orgánicos prioritarios, COV y pesticidas)

- Grupo complejo de sustancias ¿Cómo cuantificamos el contenido orgánico?

Medida del contenido orgánico

C6H12O6 +6O2 → 6CO2 + 6H2ORespiración (descomposición)

g

g0

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¿Qué relación cuantitativa hay entre DO y materia orgánica?

C6H12O6 + 6O2 ���� 6CO2 + 6H2O

“1 mol de glucosa reacciona con 6 moles de oxígeno para dar 6 moles de dióxido de

carbono y 6 moles de agua”

ò si multiplicamos por el peso molecular de la glucosa y el oxígeno,

‘180 g de glucosa reaccionan con 192 g de oxígeno’

DBO y materia orgánica oxidable

L0- y = L0e-kt

y = L0(1 - e-kt)

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¿DBO5 vs. DBOu?

)1( 1

0

tkeLy −=Recordad que definimos DBO como

i.e. es una función del tiempo.

)1()1(

5

50

5

051

1

k

k

e

yLeLy

−

=→−=

DBO5 es la DBO para 5 días, i.e.

Ejemplo

Cálculo de la DBO - Determinar la DBO de 1 día y la DBO última de la primera fase de un agua residual cuya DBO a los 5 días a 20oC es de 200 mg/l. La constante de reacción k = 0.23 d-1

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DBO5 Valores guía

• Aguas muy puras DBO5 < 3 mg/l O2

• Pureza intermedia 3<DBO5< 5• Agua contaminada DBO5> 5• Agua residual urbana DBO5 ≈ 100-400• Industria agroalimentaria DBO5 < 1000

Inconvenientes del método

- Larga duración de la determinación- Su valor puede verse afectado por la presencia de

sustancias tóxicas para las bacterias- No detecta sustancias poco degradables- Difícil de aplicar a aguas residuales industriales

Agentes químicos oxidantes (dicromato/permanganato)

DQO - Se valoran todos los compuestos orgánicos (biodegradables o no), y otras especies químicas (ej. Fe++, Mn++, etc) oxidables, es rápido (3h), y se expresa en mg O2/l

DBO/DQO indicador del tipo de contaminación- DBO5/DQO < 0.2 – contaminantes no biodegradables- DBO5/DQO > 0.6 – contaminación orgánica

DBO DQO

Carbono orgánico total (TOC)

Mide la cantidad de CO2 (medido por absorción en infrarrojo), que se desprende de una muestra al ser calcinada (mg C/l)

Microorganismos oxidantes

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Tipo de parámetro Parámetro Unidades Contaminación fuerte Contaminación media Contaminación ligera

Sol. Suspensión Mg/l 500 300 100

S.S. volátiles Mg/l 400 250 70

S.S. fijos Mg/l 100 50 30

Sol totales Mg/l 1000 500 200

S.T. volátiles Mg/l 700 350 120

S.T. fijos Mg/l 300 150 80

S. disueltos Mg/l 500 200 100

S. D. Volátiles Mg/l 300 100 50

S.D. fijos Mg/l 200 100 50

Temperatura ºC 10-20 10-20 10-20

Color Gris-negro Gris-negro Gris-negro

Olor SH2 SH2 SH2

Químicos D.B.O.5 MgO2/l 300 200 100

D.Q.O. MgO2/l 800 450 160

pH. 6-9 6-9 6-9

N. total Mg/l 86 50 25

N. orgánico Mg/l 35 20 10

NH4+ Mg/l 50 30 15

NO3- Mg/l 0,4 0,2 0,1

NO2- Mg/l 0,1 0,05 0

P total Mg/l 17 7 2

Cl- Mg/l 175 100 15

Grasas Mg/l 40 20 0

Biológicos Coli totales NMP/l 109

5 x 108

108

Coli fecales NMP/l 108

5 x 107

107

Virus totales Ui/l 10000 5000 1000

Físicos

Químicos

Biológicos

Parámetro