TEMA: CONTAMINACIÓN DE AGUA, AIRE Y SUELO

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1 TEMA: CONTAMINACIÓN DE AGUA, AIRE Y SUELO 1/

2 Parte 1 de 3 CONTAMINACIÓN DE AGUA, SUELO Y AIRE (Agua) 2/

3 CONTAMINACIÓN DEL AGUA: Introducción PAÍSES EN VÍAS DESARROLLO 3 2 Agua Potable Rural Urbano Estimación año X 10 9 personas sin acceso al agua potable. 2.7X10 9 personas sin acceso a servicio saneamiento Servicios sanitarios /

4 CONTAMINACIÓN DEL AGUA: Ciclo Hidrológico La mayoría del agua se encuentra en los océanos: Sin embargo, la alta concentración de sales impide su utilización en agricultura, industria y municipios. Desalinización: Técnicas $$$ Efecto del SOL: Casi la ½ de la energía del sol absorbida por la superficie terrestre se convierte en calor remoción de agua por evaporación y transpiración: EVAPOTRANSPIRACIÓN Remoción de una capa 1m espesor / año (88% evap. océanos y 12 % evapotr. tierra) 4/

5 CONTAMINACIÓN DEL AGUA: Reservas en Tierra Porcentaje Cantidad (10 6 km 3 ) de Oferta Mundial Océanos 1, Glaciares y nieve permanente Manto Freático Hielo en superficie / permafrost Lagos de agua dulce Lagos de agua salada Pantanos Atmósfera Promedio en canales Biomasa viviente TOTAL 1, /

6 CONTAMINACIÓN DEL AGUA: Usos del agua 10 % del escurrimiento anual ex. uso humano Distribución geográfica desigual del agua en el mundo (inundaciones y sequía) Distribución geográfica del agua NO corresponde a la distribución de personas en el planeta! Disponibilidad (miles m 3 /año) Disponibilidad de Agua per cápita (aum. Población) Asia América del Norte Africa /

7 CONTAMINACIÓN DEL AGUA: Usos del agua Enger, Enger, Smith, Smith, % 90% 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% Mundo América. Nte. Amér ica Ctrl. América del Sur Africa Oceanía Europa Asia Doméstico Industria Agricultura 7/

8 CONTAMINACIÓN DEL AGUA: Ciclo Hidrológico en MÉXICO Precipitación Pluvial (promedio): 1,528 km 3 /año 71% evaporan en atmósfera 26% escurre por superficie 3% recarga de acuíferos (subsuelo) Evapotranspiración Media: Escurrimiento Superficial Medio: Recarga Media de Acuíferos: Disponibilidad media/hab (99): 1,095 km 3 /año 417 km 3 /año 66 km 3 /año 4,964 km 3 /año Datos Datos de de ( ( Escurrimiento considera: 48 km3 prov. de Guatemala, 1.8 km3 del Río Colorado y se le deducen deducen km3 km3 que que se se entregan entregan a a EUA EUA (Río (Río Bravo) Bravo) Escurrimiento considera: 48 km3 prov. de Guatemala, 1.8 km3 del Río Colorado y se 8/ le

9 USOS DEL AGUA: MÉXICO Público 12.6% 6.8 km 3 Industrial 4.7% 3.7 km 3 Agrícola 82.7% 64.8 km 3 Industrial: Empresas que no se abastecen a través de redes municipales (incluyen Termoeléctricas) Público: Centros de población o asentamientos humanos. Industrias, comercios y servicios conectados a redes municipales. 9/

10 CONTAMINACIÓN DEL AGUA: Situación en MÉXICO Agua NO está uniformemente distribuida geográficamente Sur del Golfo: 24,000 m 3 /año/hab Centro y Norte: 2,500 m 3 /año/hab La mayor parte de la demanda se encuentra en el Norte y Centro s costos de distribuci costos de distribución La Disponibilidad per cápita ha disminuido y seguirá disminuyendo: de 11,500 m 3 /año/hab en 1955 a 4,900 en 1999 y 3,500 para /

11 CONTAMINACIÓN DEL AGUA: Situación en MÉXICO Ejemplo en Valle de México: El agua que se consume (a razón de 62 m 3 /seg) se obtiene: 22% de la recarga natural del acuífero 2% escurrideros superficiales locales 10% reuso Déficit del 66% fi de otras cuencas (Lerma y Cutzamala) Contaminación: La mayoría de las cuencas están contaminadas en mayor o menor grado. Los ríos: Tula-Moctezuma, San Juan y Balsas reciben el 59% de las descargas de aguas residuales del país. 11/

12 CONTAMINACIÓN DEL AGUA: Situación en MÉXICO Contaminación por industria: metales pesados y sustancias tóxicas. Contaminación pública: materia orgánica, contaminación bacteriológica y tóxica. Contaminación agrícola: plaguicidas y fertilizantes. Existen 18 acuíferos subterráneos con intrusión salina. 12/

13 CONTAMINACIÓN DEL AGUA: Contaminantes Agricultura: pesticidas, fertilizantes y sales. H 2 O Municipal: desechos humanos. Industria: susts. químicas, desechos orgánicos. Contaminantes: Patógenos Desechos que demandan oxígeno Nutrientes: N, P, C, S, etc. Sales Contaminación Térmica Metales Pesados Pesticidas VOCs 13/

14 CONTAMINACIÓN DEL AGUA: Contaminación Térmica, Metales y Pesticidas Tipos de Contaminación: Térmica: - en T en lagos y ríos afecta vida acuática. - metabolismo: mayor demanda O Metales: Pesticidas: - Hg, Cd, Pb, As: TÓXICOS - NO degradables - Insecticidas, herbicidas, fungicidas, - Ej. DDT: cáscaras de huevo frágiles 14/

15 CONTAMINACIÓN DEL AGUA: VOCs VOCs: - se encuentran en agua freática - usados como solventes en industria - VC, TCE(4), TCE(3), CCl 4 : CÁNCER... 15/

16 CONTAMINACIÓN Y CALIDAD DEL AGUA: Desechos que Demandan Oxígeno (DDO) Uno de los indicadores más empleados para evaluar la contaminación del agua en riós, lagos y recipientes es: La DEMANDA DE OXÍGENO Existen 2 variaciones: Demanda Biológica de Oxígeno (BOD) Demanda Quimica de Oxígeno (COD) 16/

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18 CONTAMINACIÓN Y CALIDAD DEL AGUA: Desechos que Demandan Oxígeno (DDO) La importancia de estos indicadores es que permiten monitorear las condiciones de un lago/rio, etc. tomando en cuenta una mezcla de compuestos (la cual puede variar entre muestras y también a lo largo del tiempo) y agregarlos en un indicador en común. Las sustancias presentes en el lago/río/etc. se degradan por bacterias que toman parte del Oxígeno Demandado (OD). Nota: Una OD menor a 4 o 5 mg/l indica que las formas de vida que pueden sobrevivir en el ecosistema se están reduciendo. En el caso extremo de condiciones anaeróbicas, la mayoría de las formas de vida habrán muerto. Además, un bajo DO representa malos olores, sabor y color turbio 18/

19 CONTAMINACIÓN Y CALIDAD DEL AGUA: Desechos que Demandan Oxígeno (DDO) La degradación de los residuos orgánicos puede llevarse a cabo de dos maneras: Descomposición Aeróbica (Mecanismo de reacción deseable ya que descompone la materia en CO 2, H 2 O y otros compuestos estables: NO 3, PO 4, SO 4...) Descomposición Anaeróbica (Mecanismo de reacción poco deseable ya que descompone la materia en CO 2, H 2 O y otros compuestos no estables: H 2 S, NH 3, CH 4,...) La cantidad de oxígeno requerida por los microorganismos para oxidar los residuos orgánicos en un ambiente aeróbico se llama Demanda Biológica de Oxígeno (BOD, Biological Oxygen Demand). Sus unidades más comunes son (mg/l); es decir, mg de oxígeno requerido por litro de agua residual. 19/

20 CONTAMINACIÓN Y CALIDAD DEL AGUA: Prueba BOD de cinco días Debido a que se podrían requerir de varios días (o semanas) para degradar completamente los residuos orgánicos de una muestra, se ha decidido internacionalmente estandarizar la prueba BOD y ajustarla a un periodo de cinco días: BOD 5 ). Asi pues, la prueba BOD 5 representa la cantidad total de oxígeno consumida por los microorganismos durante los primeros cinco días de biodegradación. 20/

21 CONTAMINACIÓN Y CALIDAD DEL AGUA: Prueba BOD de cinco días La prueba se lleva a cabo a 20 C y en la oscuridad (para evitar la formación de oxígeno debida a la fotosíntesis). BOD 5 = (DO i DO f ) / P Donde: DO i = Oxígeno inicial disuelto en la muestra DO f = Oxígeno final disuelto en la muestra después de cinco días P = Factor de Dilución P = (Vol. de wastewater)/(vol. de wastewater + agua de dilución). Nota: una botella estándar para prueba BOD normalmente tiene capacidad para 300ml, así que P es equivalente al volumen de wastewater dividido entre 300 ml. 21/

22 CONTAMINACIÓN Y CALIDAD DEL AGUA: Prueba BOD de cinco días Ejemplo 1 : Prueba de BOD 5 Una muestra con 10.0 ml de agua residual (sewage) fue mezclada con suficiente agua para llenar una botella de 300 ml y cuya mezcla tiene una DO inicial de 9.0 mg/l. Para asegurarnos de realizar una prueba confiable, se desea tener una caída de al menos 2.0 mg/l de DO durante una prueba de 5 días y también que el valor final de DO sea de al menos 2.0 mg/l. Para qué rango de valores de BOD5 se producirán los resultados deseados para esta dilución? 22/

23 CONTAMINACIÓN Y CALIDAD DEL AGUA: Prueba Sembrada de BOD de cinco días Hasta el momento, se ha asumido que el agua de dilución agregada a la muestra de agua residual no tiene BOD (lo cual solo ocurre cuando se agrega agua pura). En algunos casos es necesario sembrar el agua de dilución con micro-organismos para asegurarse de que existe una población de bacterias adecuada para llevar a cabo la biodegradación. En estos casos, será necesario sustraer la cantidad de oxígeno demandada por la población sembrada de la demanda total calculada para la mezcla. 23/

24 CONTAMINACIÓN Y CALIDAD DEL AGUA: Prueba Sembrada de BOD de cinco días Nutrientes Esenciales Bacterias Agua Destilada Agua de Disolución Sembrada Vd Muestra de Agua Residual Vw Botella muestra llenada con Agua Residual de Muestra y Agua de Dilución Sembrada Agua de Disolución Sembrada Botella en blanco Botellas para prueba BOD de 300 ml 24/

25 CONTAMINACIÓN Y CALIDAD DEL AGUA: Prueba Sembrada de BOD de cinco días La demanda de oxígeno de la muestra residual (wastewater), BODw se determina por medio de la siguiente expresión: BODm Vm = BODw Vw + BODd Vd Donde: BODm = BOD de la mezcla de agua residual y la solución sembrada BODw = BOD del agua residual solamente BODd = BOD del agua sembrada que es utilizada para diluir el agua residual (botella en blanco ) Vw = volumen de agua residual en la mezcla Vd = volumen del agua sembrada en la mezcla Vm = volumen de la mezcla = Vd + Vw 25/

26 CONTAMINACIÓN Y CALIDAD DEL AGUA: Prueba Sembrada de BOD de cinco días Sea P=la fracción de la mezcla que es agua residual = Vw/Vm, de forma tal que (1 - P) = a la fracción de la mezcla que es agua sembrada para dilución = Vd/Vm. Re-arreglando la ecuación de la slide anterior: BOD w = BOD m V V m Donde el último término fue multiplicado por (Vm/Vm) y re-arreglando nuevamente: BOD m Vd Vm BOD = w BODd Vw Vm Vw Vm w BOD d V V d w V x V m m 26/

27 CONTAMINACIÓN Y CALIDAD DEL AGUA: Prueba Sembrada de BOD de cinco días Sustituyendo las definiciones de P y de (1 P) en la ecuación anterior, se obtiene: BOD BOD Debido a que BODm = DO i DO f y BODd = B i B f, Donde: B i = DO inicial en la solución sembrada de agua B f = DO final en la solución sembrada de agua Se obtiene la expresión: BOD w w = = m BOD P d ( 1 P) ( DO DO ) ( B B )( 1 P ) i f P i f 27/

28 CONTAMINACIÓN Y CALIDAD DEL AGUA: Prueba Sembrada de BOD de cinco días Ejemplo 2 : Prueba sembrada de BOD 5 Una muestra que contiene solamente agua de dilución sembrada ha mostrado una caída de 1.0 mg/l en su DO, tras una prueba de BOD 5. En una botella de 300 ml para pruebas de BOD se colocaron 15 ml de agua residual (wastewater) y el resto fue llenado con agua de dilución sembrada (es decir, se realizó una dilución de (1 : 20) y se observó una caída de 7.2 mg/l en el mismo periodo de tiempo. Cuál es el BOD 5 del agua residual? 28/

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30 CONTAMINACIÓN Y CALIDAD DEL AGUA: Modelado de BOD como reacción de 1er orden L o BOD restante, Lt BOD t BOD utilizado, BODt L o BOD 5 L t L t = L o e kt NOTA: L o = cantidad de oxígeno requerido para que los microorganismos oxiden la materia orgánica BOD t = L o (1-e kt ) Tiempo, días 30/

31 CONTAMINACIÓN Y CALIDAD DEL AGUA: Prueba Sembrada de BOD de cinco días Ejemplo 3 : Estimación de Lo a partir de BOD 5 El factor de dilución P para una mezcla no sembrada de residuos y agua es La DO de la mezcla es inicialmente de 9.0 mg/l, y después de cinco días ha ciado a 3.0 mg/l. La constante de velocidad de reacción, k, es de 0.22 / día. a) Cuál es el BOD 5 del agua residual? b) Cuál sería la cantidad de oxígeno requerida para que los micro-organismos oxiden toda la materia orgánica (Lo). Nota: Lo también es conocida como Ultimate carbonaceous BOD a) Qué cantidad de oxígeno estaría restante después de cinco días? 31/

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