UNIVERSIDAD VERACRUZANA FACUL TAO DE INSTRUMENTACIÓN ELECTRÓNICA Y CIENCIAS ATMOSFÉRICAS

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1 UNIVERSIDAD VERACRUZANA FACUL TAO DE INSTRUMENTACIÓN ELECTRÓNICA Y CIENCIAS ATMOSFÉRICAS "ANÁLISIS DE LA CALIDAD DEL AGUA DE NIEBLA CAPTADA ARTIFICIALMENTE EN LA MICROCUENCA DEL RÍO PIXQUIAC" Tesis Que para evaluar la experiencia educativa Experiencia Recepcional (MEIF) del P.E.: Licenciatura en Ciencias Atmosféricas Presenta: Rodolfo Jofre Meléndez Director: Dr. Víctor Luis Barradas Miranda Codirector: Dr. Juan Cervantes Pérez Esta tesis se realizó como parte del proyecto "Gestión integral del agua en la microcuenca del río Pixquiac" Clave CONACYT -Gobierno del Estado de Veracruz. Xalapa-Enríquez, Veracruz Junio, 2011

2 A mi familia y en especial a mis padres porque siempre me han apoyado en todo. Al Dr. Juan Cervantes por haberme permitido participar en este proyecto y por su asesoría en todas las etapas de su realización, y además también a todos mis maestros en general. A los revisores de esta tesis por sus importantes aportaciones en la misma. A la M. A. Patricia Alfonseca por haberme permitido patticipar en algunos de los análisis químicos realizados. A mis compañeros, que fuimos un gran equipo de trabajo durante la carrera, pero sobretodo amigos que siempre estuvieron cuando los necesité. A todas las personas que directa o indirectamente contribuyeron en la realización de esta tesis. Y a las dos personas más importantes en mi vida por estar ahí.

3 Índice Capítu 1 o 1. 1 N T RO D U CC 1 Ó N Antecedentes Diferencia entre niebla y neblina Características de la niebla Procesos de formación de niebla N i e b 1 a de irradiación Niebla orográfica N i e b 1 a fro nta N i e b 1 a de adv ecci ó n N i e b 1 a he 1 a da N i e b 1 a de hu m Hipótesis O b jet i v Capí tu 1 o 2. ZONA DE ES TU D Características de la zona de estudio H id ro 1 og í a Fenómenos meteorológicos que afectan a la zona de estudio O Fenómenos meteorológicos a escala global O Fenómenos meteorológicos a escala sinóptica O Fenómenos meteorológicos a escala local Capítulo 3. MÉTODO Periodo de muestreo Descripción del equipo de captación artificial de niebla Análisis de laboratorio Determinación de la calidad del agua Posible tratamiento del agua para los distintos usos y análisis de costo Descripción de los fenómenos meteorológicos que ocasionaron niebla durante e 1 periodo de m u es treo Análisis de precursores de contaminación atmosférica durante el periodo de muestreo O

4 Capítulo 4. RESULTADOS Comparación de los análisis respecto a la NOM-127 -SSA Comparación de los análisis respecto a la NOM-001-ECOL Recomendación para purificar el agua Costo de los tratamientos de purificación De scri pci ón sinóptica Análisis de precursores de contaminación atmosférica durante el periodo de muestreo Capítulo 5. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES COn el U Si on es Recomendaciones REF=ERENCIAS Páginas web con su 1 ta das

5 CAPÍTULO 1. INTRODUCCIÓN El 75% de la superficie terrestre está ocupada por agua, pero tan solo un 2.76% de toda el agua existente en el planeta es agua dulce (apta para consumo humano). De ésta, la mayoría se encuentra inaccesible en glaciares, en los polos, etc., así que tan solo se dispone para consumo humano el 0.62% que es agua subterránea o superficial (Fetter, 1991 ). En todas partes del mundo cada vez es más difícil obtenerla por lo que en varios países se ha vuelto un serio problema social (Hinrichsen et al., 2004). En México, el problema del agua disponible para consumo humano radica en que los estados del norte no cuentan con suficiente agua y los estados del sur muchas veces no usan toda el agua que tienen disponible 1, además el crecimiento poblacional y económico han ejercido mayor presión sobre las reservas de agua, al punto que el volumen demandado es mayor que el suministrado en algunas regiones, lo que obliga al gobierno a decidir a quién dejar sin este recurso, lo que ocasiona serios problemas distributivos. La competencia por este recurso es ya causa de conflictos sociales de diferente intensidad y escala, y se presenta no sólo entre usuarios de la misma comunidad sino entre distintas comunidades, municipios, estados e incluso en el ámbito transfronterizo (Saade, 2001 ). En el estado de Veracruz, el escurrimiento pluvial anual representa el 30% del total nacional, lo que favorece enormemente a las cuatro importantes cuencas hidrológicas que atraviesan por el Estado 1. Debido a que Vera cruz no cuenta con sistemas grandes de almacenamiento de agua como presas, en la estación seca en algunas zonas la problemática de abasto empieza a ser grave 2. La ciudad de Xalapa, Ver. es uno de estos casos, ya que en la temporada de lluvias aparentemente no existe problemática, pero en la temporada seca depende 1 /contescas.pdf 2 Consultada en febrero Consultada en febrero,

6 fundamentalmente del río Huitzilapan (Puebla) para abastecerse de agua 3 y ha habido algunas dificultades de abasto. Además del río Huitzilapan, el río Pixquiac abastece el 38.25% que demanda la población de la ciudad de Xalapa. En la microcuenca de Pixquiac en los meses de noviembre a mayo se produce gran cantidad de niebla, y como se ha visto en otros países como Sudáfrica o Chile, la niebla puede ser un recurso hídrico alterno viable para la utilización y el consumo humano (Barradas, 2000). En estudios anteriores se ha demostrado cómo la captura artificial de la niebla en la microcuenca del río Pixquiac podría ser un recurso hídrico viable en cuanto a la cantidad de agua a partir de la niebla que se puede captar durante el año (Anaya, 201 0), pero no se sabe cómo es la calidad del agua de niebla que se podría capturar en la microcuenca. De igual manera se ha hipotetizado que en la zona montañosa central de Veracruz y Puebla la base de las nubes (definida en un radiosondeo como el Nivel de Condensación por Ascenso) se está formando en niveles más altos, esto producido muy probablemente por la deforestación que se da en la zona (Barradas et al., 2004; Barradas et al., 201 O) provocando que la tendencia de la niebla en la zona sea negativa (Vázquez, 2008). Con base en lo anterior es de interés conocer específicamente cómo podría ser usada el agua de niebla que se puede captar en la microcuenca del río Pixquiac con el fin de usarla como recurso hídrico sobre todo en la temporada seca ante la problemática de la escasez de este recurso para la ciudad de Xalapa. Además de crear conciencia en los habitantes de la microcuenca de cuidar sus bosques, para que no sigan perdiendo niebla en su localidad. Por esto se hizo una evaluación de la calidad de agua proporcionada por la captura artificial de niebla en dicha microcuenca, para así saber si puede ser usada directamente en el consumo humano, en el riego o si es necesario proveerla de algún tratamiento para poder hacer un uso adecuado de este recurso. 3 http :1 /www. veracruz. contralinea. com.mx/archivo/200 5/julio/htm/ guerra.htm Consultada en febrero,

7 1.1 Antecedentes. El término niebla está definido como una masa de vapor de agua condensada en pequeñas gotas de agua en o por encima de la superficie de la Tierra. Las gotas por ser tan pequeñas no tienen el peso suficiente para caer y por lo tanto, quedan suspendidas en el aire y son desplazadas horizontalmente por el viento (Cereceda et al., 1992). La zona montañosa central de Veracruz y Puebla, donde se encuentra la microcuenca del río Pixquiac, es uno de los lugares de México con el mayor número de días con niebla en invierno (Zarraluqui y García, 2005). En esta región Barradas (1983), midió la capacidad de captación natural de niebla por parte de un pino ("Pinus montezumae") (Figura 1 ), los cuales son originarios de esta región 4, y encontró que estos pinos pueden captar en promedio 57.9 Llh. Teniendo la niebla en este lugar un papel fundamental en el balance hídrico de la región, siendo el volumen de niebla de 22 a 32 veces más que el volumen de la precipitación (Sánchez, 2011 ). En otros países también se ha medido la captación natural de niebla como en Australia en un bosque subtropical lluvioso (Barradas, 2000), así como en Sudáfrica; de igual manera en California, E.U.A. se midió la captación natural de niebla en "Pinus radiata" (Barradas, 1983). Figura l. Pinus montezumae. (Tomada de / php?option=com _ content&view=article&id= 19&1temid=7 Consultada en octubre,

8 La niebla también se puede captar de forma artificial, lo cual ya se ha medido anteriormente en otras partes del mundo como Chile, Perú, Ecuador, Hawaii y Omán (Barradas, 2000). En México prácticamente no se ha medido la captación de niebla de forma artificial, aunque existen trabajos escasos como el de Padilla y colaboradores ( 1996) que encontraron que en 17 horas y media se pueden captar mm en Teziutlán, Pue. De igual manera Anaya (201 O) midió el volumen de niebla captado artificialmente en la región montañosa central de Veracruz, que durante un evento intenso de niebla se puede captar alrededor de 50 mm. Cabe mencionar que las gotas de niebla que se da en esta zona tienen un diámetro entre 14 y 19..Jm lo cual hace que la niebla de esta zona presente características ideales para la extracción de agua para consumo humano (García y Montañez, 1991 ). En México hay pocos estudios sobre las características químicas de agua de niebla captada artificialmente, es importante destacar los estudios de Báez y colaboradores (1998) efectuados en Teziutlán, Pue. y en el volcán Popocatepetl; y de Padilla y colaboradores (1996) realizados también en Teziutlán, Pue. ; en los que se encontró que la composición química de la niebla puede ser afectada por las actividades urbanas, además que la velocidad del viento puede afectar la composición química de las muestras recolectadas ya que puede transportar contaminantes desde grandes distancias. 1.2 Diferencia entre niebla y neblina. Internacionalmente se define a la niebla como una nube en contacto con el suelo o a poca altura que envuelve al observador y restringe la visibilidad a valores inferiores de 1000 m. La neblina está constituida por una nube más tenue que la de niebla y en ella la visibilidad es superior a 1000 m e inferior a 3000 m (Ledesma y Baleriola, 2002). En la figura 2 se puede observar la diferencia entre la niebla y la neblina. 4

9 Figura 2. a) Neblina y b) Niebla. (Tomadas de http :1 lwww. salento-quindio. gov. col sitio. shtml? apc=m 1 G 1--&x= y de http :1 /reinadehielo. wordpress. com/) 1.3 Características de la niebla. La niebla varía de composición de acuerdo con la temperatura del aire. Cuando la temperatura está por encima de 0 C, la niebla estará formada por diminutas gotas de agua en suspensión, en tanto que si la temperatura es inferior a 0 C la niebla será una suspensión de diminutos cristales de hielo y pequeñas gotas de agua superfrías, o sólo cristales de hielo. Para que se produzca la niebla es necesario que el vapor de agua contenido en el aire pase al estado líquido mediante el proceso físico denominado condensación. Para que esto ocurra deben existir en el aire partículas ávidas de agua (higroscópicas) en forma de diminutos cristales de sal, polvo u otros productos de combustión (núcleos de condensación) Procesos de formación de niebla. ~ Niebla de irradiación (Figura 3): Estas nieblas se forman como resultado del enfriamiento nocturno de aire relativamente en calma sobre el suelo, sobre todo cuando el aire ha sido previamente humedecido por lluvia o evaporación (Petterssen, 1969). 5 Consultada en enero, S

10 Aire calienj t Tierra muy fría, enfriando el aire cercano a ella Figura 3. Niebla de irradiación. (Tomada de ~ Niebla orográfica (Figura 4): Se generan dentro de las corrientes de aire que ascienden sobre las laderas montañosas o elevaciones del terreno. Esto se debe a un proceso adiabático que cuando el aire asciende, se expande y se enfría. Este enfriamiento, lleva aparejado un aumento de la humedad relativa pudiendo alcanzarse la saturación. Es condición que la humedad relativa inicial sea elevada y que el viento sea persistente y no muy intenso 7. N IEBLA O STRATUS S e enfria y E l a ire Figura 4. Niebla orográfica. (Tomada de ~ Niebla frontal (Figura 5): En general este tipo de niebla se presenta delante de un frente cálido y se forman al evaporarse la lluvia caliente, procedente de nubes tipo nimbustratus cuando cae a través del aire frío situado debajo. Para que se produzca la evaporación es necesario que la temperatura de las gotas sea más alta que el punto de rocío del aire (Ledesma y Baleriola, 2002). 6

11 ~ - e ~ km Figura 5. Niebla frontal. (Tomada de ~ Niebla de advección (Figura 6): Estas nieblas se desarrollan cuando el aire fluye de una región cálida a otra más fría, y tiende al equilibrio térmico con el suelo. Son sobre todo frecuentes en el mar (Petterssen, 1969). Suelo frlo Figura 6. Niebla de advección. (Tornada de ~ Niebla helada (Figura 7): En el límite de las zonas habitadas de los casquetes polares, a 35 oc bajo cero, aumenta bruscamente la frecuencia de nieblas, alcanzando un máximo a 40 C bajo cero. En estas nieblas de hielo de las zonas habitadas juegan un papel importante los productos de la combustión (Ledesma y Baleriola, 2002). 7

12 Figura 7. Niebla helada. (Tomada de / 0/fotos/ /) Niebla de humo (Figura 8): En las zonas industriales la frecuencia de nieblas es mayor, y esto se debe a que los humos de la combustión de hidrocarburos, tales como el queroseno, gasolina, gas-oil, etc., actúan como núcleos de condensación. Se forman en condiciones similares a las nieblas de irradiación (Ledesma y Baleriola, 2002). Figura 8. Niebla de humo. (Tomada de Hipótesis. La hipótesis de este trabajo es: la niebla captada artificialmente en la microcuenca del río Pixquiac cuenta con la calidad necesaria, según las Normas Oficiales Mexicanas, para ser usada para consumo humano y agrícola. 1.6 Objetivo. Analizar química, física y biológicamente el agua de niebla captada artificialmente en la microcuenca del río Pixquiac para conocer su calidad y posible utilidad de acuerdo a las Normas Oficiales Mexicanas. 8

13 CAPÍTULO 2. ZONA DE ESTUDIO 2.1 Características de la zona de estudio. La zona de estudio de este trabajo es la microcuenca del río Pixquiac la cual se encuentra en la zona montañosa central del estado de Veracruz, México (Figura 9) con una latitud entre 19 33'40"N y 19 25'52"N, y una longitud entre 9r8'38"0 y 96 54'35"0, su altitud máxima se encuentra a los 4136 msnm (Cofre de Perote) y cuenta con una extensión de km 2. En la figura 9 también se muestra el lugar donde se instaló el equipo para este estudio. Esta microcuenca pertenece a la cuenca del río Actopan, y abarca parte de algunos municipios del estado de Veracruz los cuales son: Perote, Acajete, Tlalnelhuayocan, Xico, Las Vigas y Coatepec; y colinda al sur con otra microcuenca llamada San Marcos (Pereyra et al., 201 O). La temperatura media anual en el sitio es de 17.9 C y presenta una precipitación abundante con una media anual de mm (Ruiz et al., 201 0). Figura 9. Microcuenca del río Pixquiac, Veracruz, México. 9

14 2.2 Hidrología. El río Pixquiac (colector principal de está microcuenca) nace en la ladera occidental del Cofre de Perote. El Pixquiac fluye hacia el este en un terreno montañoso por los municipios de Acajete y Tlalnelhuayocan, y a la altura del Rancho Loma Escondida (Cong. Zoncuantla, Coatepec) cambia su rumbo en dirección Sureste-Suroeste hasta la confluencia del Río Sordo, delante de la población de La Orduña. Los otros ríos que conforman la microcuenca, fluyen en dirección Noreste, todos provenientes de la ladera occidental del Cofre de Perote y en esta dirección es que confluyen con el río Pixquiac. Estos ríos son: Xocoyolapan y Atopa. El río Xocoyolapan recibe a su vez afluentes que son arroyos menores, como son el Jabalí y Agüita Fría. El Río Actopan, este río tiene un buen caudal, hasta el paraje conocido como Chilacayotes, donde es entubado y diseccionado a la caja cuatro de la localidad de Cinco Palos y de ahí parte una línea de agua hacia la ciudad de Xalapa, (Manson, 2007). 2.3 Fenómenos meteorológicos que afectan a la zona de estudio Fenómenos meteorológicos a escala global. Los fenómenos a escala global que afectan la zona de estudio son los vientos alisios, los cuales durante el verano alimentan al área con aire tropical húmedo viajando hacia el interior de México en niveles medios de la troposfera (Mosiño y García, 1974) y el desplazamiento hacia el sur de la corriente de vientos máximos, favorece la entrada de humedad desde el Océano Pacífico a la zona de estudio, donde ocasiona la presencia de nubosidad media y alta, y cuando se combina con el paso de frentes fríos puede ocasionar nevadas en las partes más altas (Vázquez, 2008) Fenómenos meteorológicos a escala sinóptica. Los fenómenos a escala sinóptica que afectan la zona de estudio son en general 2 tipos de masas de aire que se alternan en el dominio de la zona de estudio: la tropical, principalmente en el semestre centrado al verano, y la polar que tiene incursiones frecuentes en invierno. La presencia de las masas polares en la parte veracruzana de la vertiente del Golfo de México puede ocurrir a través de un frente o norte ocasionando una disminución sensible de la temperatura pudiendo generar heladas en la parte alta de la cuenca; y las masas tropicales que suelen estar 10

15 representadas por ondas tropicales que provocan la inclusión de aire marítimo permitiendo que la Sierra Madre Oriental force el ascenso del aire húmedo provocando las lluvias orográficas (Tejeda et al., 1986) Fenómenos meteorológicos a escala local. Los fenómenos a escala local que afectan la zona de estudio son las brisas de valle y montaña durante la mayor parte del año, debidas principalmente a contrastes diurnos de temperatura entre el valle y la zona montañosa (Whiteman, 2000); durante el verano se presenta la brisa marina, la cual es acentuada por los vientos alisios, mientras que durante el invierno ésta se ve anulada al aparecer los eventos de Norte (Jáuregui, 1984). Además de las bisas, también se da en la zona de estudio la convección local libre o forzada que se puede presentar por diferencias en la densidad de aire, derivadas de calentamiento diferencial, o por el esfuerzo entre masas de aire de diferentes características termodinámicas (Reyes, 2002). 11

16 CAPÍTULO 3. MÉTODO 3.1 Periodo de muestreo. Para la realización del proyecto, se planeó la instalación del equipo en la localidad de Mariano Escobedo, municipio de Coatepec, Ver., en el periodo de enero a febrero de 2009 ya que durante este periodo se observa que existe un mayor número de días con niebla (tabla 1) (Normales Climatológicas CNA-SMN, ). Tabla 1. Días con niebla registradas en la Estación Climatológica Briones. Servicio Meteorológico Nacional Normales Climatológicas Estado Veracruz Estación: Briones, Coatepec (Mariano Escobedo) Meses ENE FEB MAR ABR MAY JUN JUL AGO SEP OCT NOV DIC Anual días/niebla Años con datos Se realizaron cinco muestreos de agua captada de niebla entre el 14 de enero y el 19 de febrero del 201 O, las cuales se distribuyeron de la siguiente manera: Muestra 1 del 14 al 20 de enero. Muestra 2 del 20 al 26 de enero. Muestra 3 del 26 de enero al 2 de febrero. Muestra 4 del 2 al 9 de febrero. Muestra 5 del 9 al 19 de febrero. El muestreo se distribuyó de esta forma dependiendo del volumen recolectado y según los distintos fenómenos meteorológicos (frentes fríos, masas de aire frío, vaguadas, posición de la corriente de vientos máximos, sistemas de alta presión) que producían niebla, ya que para realizarse las pruebas en el laboratorio se requería de 6.1 litros de agua. 6 /smn.cna.gob.mx/index. php?option=com _ content&view=article&id=42&1temid=7 5 Consultada en noviembre,

17 3.2 Descripción del equipo de captación artificial de niebla. El equipo fue diseñado por el grupo de Contaminación Atmosférica y Bioclimatología de la Licenciatura en Ciencias Atmosféricas de la U. V. Para la elaboración del primer atrapa-nieblas, al cual se le denominó tipo malla, para eso se recortó una malla plástica de mosquitero, la cual presenta una separación entre el tejido de 1 mm, de 3 m de largo y 1 m de ancho, consiguiéndose así un área de captación de 3 m 2, a esta malla se le adaptó en uno de sus extremos una canaleta de PVC de 2 pulgadas de diámetro con la finalidad de que al colocarla escurriera el agua captada de niebla, así mismo, se le adaptó una manguera a fin de que el agua captada por la canaleta cayera a un recipiente recolector y posteriormente se instaló con cierta inclinación para permitir que el agua escurriera. El recolector se cubrió el con un recipiente plástico para evitar que a las muestras se contaminaran con alguna sustancia ajena o por captación de precipitación directa (Figura 10). La construcción del equipo está basado en el trabajo que realizó Padilla y colaboradores (1996). Se colocaron dos atrapa-nieblas de este tipo con su parte plana en dirección norte-sur para que pudiera captar niebla de esa dirección dado que durante este periodo el viento dominante es del norte por la constante incidencia de frentes fríos (Tejed a et al., 1986). 13

18 Debido a que los captadores de niebla tipo malla no contaron con un pluviómetro que pudiera medir la cantidad de agua captada (se les colocó el recipiente de muestreo), no se pudo saber cuánta niebla se capturó durante el periodo de muestreo. Debido a esto se colocaron un segundo y un tercer atrapa-nieblas cercanos a los antes mencionados con el fin de poder dar una estimación de la cantidad de niebla captada durante los muestreos. Para la elaboración del segundo y tercer atrapa-nieblas se construyó una estructura de fácil armado a la cual se le adaptó un techo de fibra de vidrio a fin de evitar afección de fenómenos meteorológicos distintos a la niebla. Sobre esta estructura se colocó el segundo atrapa-nieblas, el cual se denominó tipo plano, que consistió en un cuadrado de 60x60 cm al que se le hizo un tejido con hilo de pescar del número 80 con una separación entre hilos de 2 mm, obteniéndose un área de captación de 0.36 m 2, también se le adaptó una canaleta con cierta inclinación a fin de que el agua captada escurriera a un pluviómetro de balancín y se colocó la parte plana en dirección este-oeste para que captara niebla en la dirección que no captaría el atrapa-nieblas de tipo malla. Sobre esa misma estructura se colocó el tercer atrapa-nieblas, el cual se denominó tipo cilíndrico u omnidireccional, conocido comúnmente como colector de cuerdas para la investigación en las ciencias atmosféricas (Padilla et al., 1990), con un diámetro de 25 cm y una altura de 35 cm con lo que se obtiene un área de captación de 0.373m 2, y que consiste en una doble pantalla de alambre, tejido también con hilo de pescar del número 80 y con una separación entre hilos de 2 mm, adaptándosele un embudo en la parte inferior con el fin de que el agua captada escurriera a un pluviómetro de balancín (Figura 11 ). Los pluviómetros utilizados fueron diseñados en el Centro de Ciencias de la Tierra de la Universidad Veracruzana (Figura 12) y se les adaptó una micro data logger (HOBO, Oneset Computer) (Figura 13), calibrada previamente y dando un pulso cada 0.2 mm, de esta forma para saber la cantidad de agua de niebla captada se multiplico 0.2 por el número de pulsos registrados. 14

19 Figura 11. Estructura donde se colocaron los captadores de niebla tipo plano y tipo cilíndrico. Figura 12. a) Pluviómetro de balancín utilizado mostrando el embudo y b) Pluviómetro de balancín utilizado sin embudo. 15

20 Figura 13. Micro data logger instalada en el interior de los pluviómetros (Tomada de Anaya, 2010). El equipo se instaló en el poblado conocido como Mariano Escobedo en Briones (Figura 14) aproximadamente en el km 7 del camino antiguo a Coatepec ,000 o 5, ,000 metros = División municipal. - Microcuenca del rio Pixquiac. - Rio principal. - Rio secundario. Figura 14. Ubicación del poblado de Mariano Escobedo (Tomada de Anaya, 2010). 16

21 3.3 Análisis de laboratorio. Se analizaron las cinco muestras en un laboratorio para determinar las principales características físicas, químicas y biológicas que marcan las Normas Mexicanas de Salud y Ecología. Los análisis se hicieron en el Laboratorio de Alta Tecnología de Xalapa, S. C. (LATEX S. C.) y en los que se participó en algunas de las pruebas. En la tabla 2 se muestran los elementos analizados así como el método o el equipo que se utilizó para determinar estos elementos y el límite de detección del método. T a bl a 2 El emen t os mues t rea d os y equipo o me ' t o d o u tt 11za d o para su d e t erm1nac1on. Elemento Método o equipo Límite de detección del método Color Espectrofotómetro de luz visible. NA Turbiedad Nefelómetro. NA Sólidos Disueltos Totales Cápsulas a peso constante a 1 oooc. NA ph Potenciómetro. NA Nitratos (como N) Método de sulfato de brusina y espectrofotómetro de luz ultra violeta. NA Nitrógeno Amoniacal (como N) Espectrofotómetro de absorción atómica. NA Sustancias Activas al Azul de Metileno (SAAM) Espectrofotómetro de luz visible. NA Cloruros Método argentométrico. NA Dureza Total (CaC0 3 ) Método de volumetría complejométrica. NA Sulfatos Espectrofotómetro de luz ultra violeta. 5 Sodio Espectrofotómetro de absorción atómica Hierro Espectrofotómetro de absorción atómica Magnesio Espectrofotómetro de absorción atómica Arsénico Espectrofotómetro de absorción atómica Mercurio Espectrofotómetro de absorción atómica Plomo Espectrofotómetro de absorción atómica Cadmio Espectrofotómetro de absorción atómica Cobre Espectrofotómetro de absorción atómica Cromo Espectrofotómetro de absorción atómica Zinc Espectrofotómetro de absorción atómica Organismos Coliformes Método del número más probable por cada Totales 100ml. 1 Organismos Coliformes Método del número más probable por cada 1 Fecales 100ml.. ' El hm1te de detecc1on del metodo para los cohformes fecales y totales se reporta en numero mas probable/1 00 mililitros y los demás elementos en miligramos/litro. NA=No aplica. En las figuras de la 15 a la 18 se muestran los equipos de laboratorio utilizados para las pruebas de color, ph, sulfatos, nitratos, sustancias activas al azul de metileno (SAAM), nitrógeno amoniacal, metales y sólidos disueltos totales. 17

22 Figura 15. Espectrofotómetro de luz visible y luz ultravioleta. Figura 16. Cápsulas a peso constante Figura 17. Potenciómetro (Tomada de http :1 /gustavoamadero. olx. com. mx/potenciometr o-de-campo-conductronic-pe 18-iid ) Figura 18. Espectrofotómetro de de absorción atómica. 18

23 Las figuras 19 y 20 muestran los métodos de análisis de laboratorio utilizados en las pruebas de nitratos y cloruros. Figura 19. Método de sulfato de brusina. Figura 20. Método argentornétrico. 3.4 Determinación de la calidad del agua. Para determinar la calidad del agua se compararon los resultados de los análisis de las cinco muestras respecto a la Norma de Salud Mexicana NOM-127 -SSA "Salud ambiental, agua para uso y consumo humano; límites permisibles de calidad y tratamientos a que debe someterse el agua para su potabilización" para determinar si el agua podía usarse como agua potable. Para saber si el agua podía usarse para el riego de cultivos se usó como referencia el Anexo 1 (Límite máximo de metales pesados, coliformes fecales y huevos de helminto en agua de riego) del acuerdo por el cual se establecen los lineamientos para la aplicación y certificación de buenas prácticas agrícolas y de manejo en los procesos de producción de frutas y hortalizas para consumo en fresco que toma como fuente la parte de promedio mensual del uso en riego agrícola de la columna de ríos en la Tabla 2 de la Norma Mexicana de Ecología NOM-001-ECOL-1996 "Que establece los límites máximos permisibles de contaminantes en las descargas de aguas residuales, en aguas y bienes nacionales". 19

24 Como la NOM-001-ECOL-1996 marca promedios ponderados mensuales en función del volumen captado entre el tiempo de captación para las concentraciones de los elementos y el periodo de muestreo fue de 36 días, se hizo un promedio ponderado de las concentraciones de las muestras para poder comparar los resultados con la el Anexo 1 antes mencionado. Para realizar este promedio ponderado se utilizó la fórmula 1 (Madansky y Alexander, 2008). ( 1) En donde xl es igual al promedio ponderado en función del volumen captado entre el tiempo de captación de los resultados de cada muestra, X son los resultados de cada muestra, y W es el volumen captado entre el tiempo de captación de cada muestra. Para determinar el volumen captado en cada muestra se hizo una estimación de éste. Debido a que el captador de niebla tipo cilíndrico captura la niebla en todas las direcciones y que el captador de niebla tipo plano está perpendicular a los captadores tipo malla, lo que se hizo fue comparar las superficies de captación de los atrapa-nieblas tipo cilíndrico y tipo plano con el tipo malla, después se restó el volumen captado por el tipo plano al volumen captado por el tipo cilíndrico para así tener una estimación del volumen captado por el atrapa-nieblas tipo malla. Cabe señalar que la NOM-001-ECOL-1996 usa como parámetro el Nitrógeno total por lo que el resultado se reportó como la suma del Nitrógeno amoniacal y el Nitrógeno de Nitratos. 3.5 Posible tratamiento del agua para los distintos usos y análisis de costo. Con base en los resultados anteriores se proponen los tratamientos de purificación del agua para que se ajuste a las normas antes mencionadas, así como, el orden en el que se deberían aplicar para que la purificación sea lo menos costosa posible. 20

25 Posteriormente se realizó una búsqueda de proveedores de materiales para la purificación del agua, para así establecer lo más conveniente considerando el precio y la cantidad de litros de agua que ese material puede purificar, para así saber el costo que generaría purificar el agua captada de niebla. 3.6 Descripción de los fenómenos meteorológicos que ocasionaron niebla durante el periodo de muestreo. Es común en esta zona que, después del paso de un frente frío se presente el fenómeno de la niebla, el cual puede registrarse durante dos o más días (Ledesma y Baleriola, 2002). Por esto se hizo una breve descripción de los fenómenos meteorológicos (frentes fríos, masas de aire frío, vaguadas, posición de la corriente de vientos máximos) que se presentaron durante el periodo del 14 de enero al 19 de febrero tomando como base los boletines hidrometeorológicos de la Comisión Nacional del Agua (CNA, 201 0), al igual que de la cantidad de niebla captada en cada una de las muestras, para así investigar qué tipo de fenómenos meteorológicos ocasionaron niebla, y posteriormente comprobar durante qué fenómeno se produce la mayor cantidad de niebla. Como caso especial, se presentan las condiciones sinópticas del 2 al 9 de febrero, periodo en el cual se captó la mayor cantidad de agua de niebla Análisis de precursores de contaminación atmosférica durante el periodo de muestreo. De los análisis obtenidos del laboratorio se estableció en qué periodo hubo más contaminación de los siguientes tipos: contaminación por precursores de precipitación ácida (contaminación atmosférica antropogénica); contaminación por polvo, humo o aerosoles (contaminación atmosférica natural y antropogénica); o contaminación por materia biológica (contaminación natural). Para los precursores de precipitación ácida se usó como base la cantidad de nitratos y sulfatos contenidos en las muestras al igual que su ph ; para la contaminación por polvo, humo o aerosoles se utilizó el color, la turbiedad y los sólidos disueltos totales presentes en las muestras; y para la contaminación por materia biológica se utilizó los coliformes fecales y totales encontrados en las muestras. Lo anterior fue ponderado con el volumen de niebla captada en cada muestra. 21

26 Se analizó el ph de las muestras para saber si el agua de niebla captada se originó de precipitación ácida, ya que la precipitación ácida puede ser además de lluvia nieve o niebla y tiene su origen en la contaminación atmosférica, principalmente por los gases dióxido de azufre (S02) y diversos óxidos de nitrógeno (NOx), pues al mezclarse con el agua y el oxígeno generan ácido sulfúrico (H2S04) y ácido nítrico (HN03f. Posteriormente se realizó una comparación de equivalentes por litro (eq/1) para conocer si el nitrógeno y el sulfato encontrados fueron de origen natural o antropogénico ya que la parte de equivalentes de nitrato que se equiparen con los equivalentes de amoniaco indicaría que son de nitratos de origen natural y los nitratos que sobren serán de origen antropogénico, y lo mismo sucede con el sulfato y el ion calcio para el sulfato antropogénico (Marín et al., 201 0). Para el caso de los nitratos y amoniaco, primero se obtuvo el porcentaje del nitrógeno y del oxígeno en el ion nitrato y el porcentaje del nitrógeno y del hidrógeno del ion amoniaco mediante la fórmula 2, la cual es la fórmula de la composición porcentual de un compuesto (Hein y Arena, 2005). % elemento=(masa total del elemento/masa molar del compuesto)x1 00 (2) Seguidamente, con la masa del nitrógeno del amoniaco y la masa del nitrógeno del nitrato (reportadas en los análisis) obtener la masa total del amoniaco y del nitrato presentes en las muestras. Así, teniendo el porcentaje de cada elemento y la masa del nitrógeno, se puede calcular la masa del nitrato y del amoniaco con una regla de 3. Posteriormente se obtuvo el peso equivalente del ion nitrato y del ion amoniaco mediante la fórmula peso equivalente=peso atómico/la valencia del ion (3) 7 Consultada en septiembre, /es. wikipedia.org/wiki/capacidad _de_ intercambio_ cati%c3 %B3nico Consultada en octubre,

27 Finalmente para realizar la conversión de miligramos por litro a miliequivalentes por litro se utilizó la fórmula 4 9. meq/l=[mg/1]/peso equivalente (4) comparados. De esta forma se tienen todos los iones en meq/1 para poder ser De igual forma para el caso del sulfato y el ion calcio primero se obtuvo el porcentaje de calcio en el carbonato de calcio con la fórmula 1, para después con la masa del carbonato de calcio (reportado en los análisis), obtener solamente la masa del ion calcio presente en las muestras. Posteriormente mediante la fórmula 2 se obtuvo el peso equivalente del ion calcio y del ion sulfato, para así finalmente obtener por medio de la fórmula 3 los correspondientes miliequivalentes por litro de cada muestra, para así poderse comparar los dos iones. 9 http :1 /www. gatfertiliquidos. com/programacion. pdf Consultada en diciembre,

28 CAPÍTULO 4. RESULTADOS 4.1 Comparación de los análisis respecto a la NOM-127-SSA La tabla 3 muestra los resultados obtenidos de los análisis por muestra, así como los límites máximos permitidos de cada elemento para el agua potable que marca la NOM-127-SSA Además se marca cuando los resultados exceden o no el límite máximo permitido, así como cuando no se pudo determinar si la muestra excede o no el límite máximo permitido y cuando no se detectó el elemento. En cuanto a las características químicas el ph se encontró más ácido de lo que establece esta Norma. Para al amoniaco de la muestra 1 a la 3 salieron arriba de lo que establece la Norma. La muestra 4 y la muestra 5 resultaron positivas para mercurio y excede lo que establece esta Norma. Todas las muestras resultaron positivas para SAAM pero como no se cuantifica en los resultados no se puede determinar si excede o no a la Norma de Salud Mexicana. En lo que se refiere a las características físicas, las 5 muestras estuvieron por encima del límite máximo permitido para el agua potable en relación al color. Para las características biológicas en los coliformes totales, la muestra 1, la muestra 3 y la muestra 5 resultaron por encima de lo que establece esta Norma. Para los coliformes fecales sólo la muestra 1 fue positiva, y ésta excede lo que establece la Norma. 24

29 Tabla 3. Concentración por muestra de los elementos analizados y límites máximos permitidos para el agua potable. Elemento (unidades) Muestra Muestra Muestra Muestra Muestra Límite máximo permitido para agua potable Color (UC) Turbiedad (UTN) Sólidos D Totales Pruebas Químicas SAAM Cloruros (mg/1) Dureza Total (como CaC03) positivo positivo positivo positivo positivo Sulfatos (mg/1) <5 <5 <5 <5 Sodio (mg/1) Hierro (mg/1) < <0.12 O Magnesio (mg/1) o <0.07 <0.07 o Arsénico (mg/1) o o o o ~ ~------~ Mercurio (mg/1) O O O Plomo (mg/1) O O O O Cadmio (mg/1) O O o o Cobre (mg/1) o o o o Cromo (mg/1) O O o o Zinc (mg/1) Pruebas Biológicas <5 0.4 <0.12 o o o o o o o o o o No detectable Excede los límites máximos permitidos para el agua potable, no excede los límites máximos permitidos para el agua potable, O O no se pudo determinar si excede o no los límites máximos permitidos para el agua potable, no se detectó en los análisis. Color se reporta en unidades de color (UC), Turbiedad se reporta en Unidades Turbidimétricas Nefelométricas (UTN), los coliformes fecales y totales se reportan en número más probable/1 00 mililitros (NMP/1 00 mi), el ph en escala de Potencial de Hidrógeno y los demás elementos en miligramos/litro (mg/1). 25

30 4.2 Comparación de los análisis respecto a la NOM-001-ECOL Los datos pluviométricos obtenidos de los captadores de niebla tipo cilíndrico y tipo plano se presentan en las tablas 4 y 5 respectivamente. Tabla 4. Datos pluviométricos del captador de niebla tipo cilíndrico. Fecha de registro de agua de No. De muestra que le Milímetros captados niebla corresponde 17/01/201 o 23: /01/ :32-27/01/ : /02/201 o 07: /02/201 o 10: /02/201 o 23: /02/201 o 09: /02/201 o 21 :43-18/02/201 o 04: Total 2.2 Tabla 5. Datos pluviométricos del captador de niebla tipo plano. Fecha de registro de agua No. De muestra que le Milímetros captados de niebla corresponde 17/01/ : /01/201 o 14: Total 0.6 Teniendo los datos pluviométricos de los captadores de niebla adyacentes el resultado de la estimación de agua captada fue: Muestra 1: se captó 3.1 mm por cada captador tipo malla en 6 días. Muestra 2: se captó 6.38 mm por cada captador tipo malla en 6 días. Muestra 3: se captó 1.6 mm por cada captador tipo malla en 7 días. Muestra 4: se captó 8.04 mm por cada captador tipo malla en 7 días. Muestra 5: se captó 6.43 mm por cada captador tipo malla en 1 O días. La tabla 6 muestra los promedios ponderados mensuales de las 5 muestras de los análisis efectuados, así como los límites máximos permitidos de cada elemento para el agua de riego que determina la NOM-001-ECOL-1996 y el estatus para saber si excede o no el límite máximo permitido para agua de riego, o si no se detectó el elemento. Ninguno de los elementos excedió lo que establece la Norma, no aplica su resultado para esta Norma o no se detectó en los análisis. 26

31 Tabla 6. Concentración promedio de los elementos analizados, límites máximos permitidos para el agua de riego y estatus de los elementos con respecto a estos límites. Elemento (unidades) Promedio Límite máximo permitido ponderado para agua de riego E status mensual (promedio mensual) Pruebas Físicas Color (UC) No Aplica - Turbiedad (UTN) 1.42 No Aplica - Sólidos Disueltos Totales (mg/1) No Aplica - Pruebas Químicas ph No excede Nitratos (como N) (mg/1) 1.24 No Aplica - Nitrógeno Amoniacal (como N) (mg/1) 0.81 No Aplica - Nitrógeno total (mg/1) No excede SAAM positivo No Aplica - Cloruros (mg/1) 4.85 No Aplica - Dureza Total (como CaC0 3 ) (mg/1) No Aplica - Sulfatos (mg/1) <S No Aplica - Sodio (mg/1) 1.35 No Aplica - Hierro (mg/1) <0.11 No Aplica - Magnesio (mg/1) <0.03 No Aplica - Arsénico (mg/1) No se o 0.2 detectó Mercurio (mg/1) No excede Plomo (mg/1) o 0.5 Cadmio (mg/1) o 0.2 Cobre (mg/1) o 4 Cromo (mg/1) o 1 No se detectó No se detectó No se detectó No se detectó Zinc (mg/1) No excede Organismos Coliformes Totales (NMP/1 00 mi) Organismos Coliformes Fecales (NMP/1 00 mi) Pruebas Biológicas 289 No Aplica No excede '. Color se reporta en umdades de color (UC), Turbiedad se reporta en Umdades Turb1d1metncas Nefelométricas (UTN), los coliformes fecales y totales se reportan en número más probable/1 00 mililitros (NMP/1 00 mi), el ph en escala de Potencial de Hidrógeno y los demás elementos en miligramos/litro (mg/1). 27

32 4.3 Recomendación para purificar el agua. Los resultados anteriores indican que el agua no necesita ningún tratamiento para el uso de riego pero para el consumo humano es necesario someterla a tratamientos de purificación. Para eliminar el amoniaco y el mercurio el agua tendría que someterse a un proceso de coagulación-floculación-sedimentación-filtración (de acuerdo a la NOM-127-SSA1-1994). Debido a que el ph en todas las muestras resultó ser muy ácido, es necesario realizar un proceso de neutralización por medio del tratamiento de Lime-Siurry el cual consiste en mezclar las sustancias ácidas con una mezcla acuosa de cal hidratada. En este proceso se utiliza la cal porque es convertida en sulfato de calcio y se elimina con el método de adsorción en carbón activado y el cual es un proceso relativamente barato 10. Para eliminar las sustancias activas al azul de metileno se puede usar la adsorción en carbón activado (NOM-127-SSA ). Existen dos presentaciones de carbón activado: carbón activado granular (CAG) y carbón activado en polvo (CAP), este último es comúnmente utilizado en depuraciones de menor escala debido a que es un tratamiento económico y su función es rápida y eficaz. Al finalizar el proceso es necesario eliminar el carbón en polvo usualmente mediante filtración 11. Aunque con los análisis que se hicieron no se conoce la concentración de SAAM, sí se sabe de su presencia, por lo que aún así se propone un método para eliminar estas sustancias del agua para evitar riesgos a la salud. Una de las opciones más económicas para eliminar los coliformes fecales y totales es la desinfección por cloro, para la cual se pueden utilizar pastillas efervescentes, cuyo ingrediente activo es el dicloroisocianurato de sodio que al disolverse en el agua producen una dosis determinada de cloro disponible, el cual es un compuesto muy estable por lo que puede almacenarse por tiempo prologado, 10 / Consultada en Julio, http :/ /www. d ri n ki ng-water. org/html/ es/treatment/ Adsorption-a nd-1 on-exchange-systemstechnologies.html Consultada en Julio,

33 siendo estas pastillas un método preciso y conveniente de desinfección local (Sánchez, 1997). En resumen, para que el agua captada pueda ser usada como agua potable se sugiere que se someta a los procesos antes mencionados en el siguiente orden: 1. Coagulación-floculación-sedimentación-filtración. Para eliminar el amoniaco y el mercurio. 2. Neutralización. Para neutralizar la acidez 3. Adsorción en carbón activado. Para eliminar las sustancias activas al azul de metileno. Aunque no se sabe la concentración de SAAM se sabe que sí hay presencia, por lo que aún así se propone un método para eliminar estas sustancias del agua para evitar riesgos a la salud. 4. Filtración. Para eliminar los residuos del carbón activado. 5. Desinfección por cloro. Para eliminar los coliformes fecales y totales. 4.4 Costo de los tratamientos de purificación. Después de una búsqueda con proveedores de los distintos tratamientos se encontró lo siguiente: _: ;;.. Los comprimidos de cloro efervescentes cuestan alrededor USO (dólares estadounidenses) cada una, y una tableta sirve para tratar 20 litros de agua 12. Con esto se obtiene que el costo de este tratamiento es de 0.8 _: ;;.. USD/m 3. El precio de la cal hidratada en polvo es en promedio de 1.52 USO por cada 25 kg. Un kilogramo de cal hidratada sirve para tratar 100 litros de agua 13. El costo de este tratamiento es de 0.61 USD/m 3. _: ;;.. El precio de una caja de 0.5 kg de CAP fluctúa alrededor de 1.85 USO gramos de CAP sirve para tratar 189 litros de agua 15 por lo que el costo de este tratamiento es de 1.96 USD/m bayerandina. com/negocios/animal_ higiene_ aqua _ tabs.htm 13 http :11 guiamexico. com. mx/ empresas/tmg -fabrica-de-cal.html 14 http :/ /www. aro usa. es/ficha.aspx?id= Consultada enjulio, Consultada en abril, Consultada enjulio, Consultada enjulio,

34 };> Para el tratamiento de coagulación-floculación-sedimentación-filtración existe una propuesta tecnológica de bajo costo para el abastecimiento de agua potable en pequeñas comunidades rurales (Centro Interamericano de Recursos del Agua - Facultad de Ingeniería - Universidad Autónoma del Estado de México), con el cual se obtiene un costo de 0.04 USD/m 3 ; esta tecnología usa materiales económicos y de fácil obtención para realizar un equipo compacto y de manejo sencillo con el cual se puede tratar el agua por el método de coagulación-floculación-sedimentación-filtración (Díaz et al., 2000). El costo total para la purificación del agua de niebla captada sería de 3.41 USD/m 3. Los precios y el tipo de cambio fueron consultados el 15 de julio del 201 O. 4.5 Descripción sinóptica. La tabla 7 presenta la descripción de los fenómenos meteorológicos (frentes fríos, masas de aire frío, vaguadas, posición de la corriente de vientos máximos, sistemas de alta presión) que se presentaron en la zona de estudio durante el periodo de muestreo y la estimación del volumen captado de agua de niebla por cada captador tipo malla. 30

35 Tabla 7. Comparación entre los fenómenos meteorológicos que se presentaron y el volumen captado de niebla por cada malla (estimado). No. de muestra Día Viernes 16 de enero de 201 O Sábado 17 de enero de 201 O Lunes 25 de enero de 201 O Martes 26 de enero de 201 O Miércoles 27 de enero de 201 O Viernes 29 de enero de 201 O Sábado 30 de enero de 201 O Domingo 31 de enero de 201 O Lunes 1 de febrero de 201 O Martes 2 de febrero de 201 O Miércoles 3 de febrero de 201 O Jueves 4 de febrero de 201 O Viernes 5 de febrero de 201 O Miércoles 1 O de febrero de 201 O Viernes 12 de febrero de 201 O Sábado 13 de febrero de 201 O Martes 16 de febrero de 201 O Miércoles 17 de febrero de 201 O Jueves 18 de febrero de 201 O Fenómeno meteorológico Frente frío Corriente de vientos máximos Sistema de alta presión y masa de aire frío Corriente de vientos máximos Sistema de alta presión y masa de aire frío Sistema de alta presión y masa de aire frío Sistema de alta presión y masa de aire frío Frente frio Corriente de vientos máximos Frente frio Corriente de vientos máximos Sistema de alta presión y masa de aire frío Corriente de vientos máximos Sistema de alta presión y masa de aire frío Corriente de vientos máximos Vaguada Corriente de vientos máximos Vaguada Corriente de vientos máximos Frente frio Corriente de vientos máximos Sistema de alta presión y masa de aire frío Corriente de vientos máximos Sistema de alta presión y masa de aire frío Frente frio Corriente de vientos máximos Sistema de alta presión y masa de aire frío Sistema de alta presión y masa de aire polar Sistema de alta presión y masa de aire frío Corriente de vientos máximos Sistema de alta presión y masa de aire frío Corriente de vientos máximos Volumen captado 3.1 mm 6.38 mm 1.6 mm 8.04 mm 6.43 mm Como caso especial se describen las condiciones sinópticas del 2 al 9 de febrero, periodo que corresponde a la muestra 4 y en el cual se captó la mayor cantidad de agua de niebla. En esta descripción se mencionan sólo los días en los que se presentaron los fenómenos meteorológicos que ocasionaron niebla en la zona de estudio. o Miércoles 3 de febrero de 201 O. Una vaguada (Vg) se ubicó sobre el noreste del país y mantuvo sobre la región de estudio cielo nublado a medio nublado 31