10.3. ORÍGENES, TIPOS Y CLASIFICACIONES DE LOS PROCESOS CONTAMINANTES.

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1 Clase 10.3 Pág. 1 de ORÍGENES, TIPOS Y CLASIFICACIONES DE LOS PROCESOS CONTAMINANTES Introducción. Un curso de agua se considera contaminado, cuando la composición o el estado de sus aguas son directa o indirectamente modificados por la actividad del hombre, en tal medida que su utilización se ve restringida para todos o para algunos de aquellos usos para los que podría servir en su estado natural. La contaminación de las aguas puede originarse por causas naturales o por la actividad humana. En la actualidad la más importante, es sin duda, la provocada por el hombre. El desarrollo y la industrialización suponen un mayor uso del agua disponible, una gran generación de residuos muchos de los cuales van a parar al agua, y el uso de medios de transporte fluviales y marítimos que, en muchas ocasiones, son causa directa de la contaminación de las aguas. Los efectos de la contaminación dependen en gran medida del tipo de contaminante, de la intensidad de la contaminación, del tipo de disposición en el subsuelo y del tiempo de aplicación de la carga contaminante. La intensidad de la contaminación se determina a partir de la concentración relativa a las normas de calidad o de potabilidad y en muchos casos, es función de la proporción de la recarga local afectada por la contaminación. El modo de disposición en el subsuelo también determina la amplitud de la zona afectada Métodos de sistematización o clasificación de la contaminación y sus procesos La gran variabilidad de los procesos contaminantes ha propiciado diversos métodos de sistematización o clasificación. Las agrupaciones más significativas son:

2 Clase 10.3 Pág. 2 de 12 A) Métodos de clasificación relacionados con los constituyentes de los contaminantes, su concentración, la magnitud de algún parámetro o alguna de sus características físico-químicas. Un ejemplo de este grupo son la clasificación de los contaminantes orgánicos entre compuestos DNAPL y LNAPL (Figura 10.2), o el establecimiento de niveles de contaminación de más componentes, por ejemplo NO 3, en relación con su concentración en el agua subterránea. Vertido de hidrocarburo Gasóleo Hidrocarburo residual Flujo de agua Hidrocarburo móvil Nivel freático Franja capilar Compuestos de hidrocarburo disueltos en el agua subterránea Zona Zona Vertido de hidrocarburo clorado Zona vadosa Zona saturada TCE DNAPL en fase gaseosa en la zona vadosa Nivel freático Flujo de agua DNAPL disuelto en el agua subterránea FlujodeDNAPLmóvil DNAPL móvil Acuitardo Figura Distribución ideal de un compuesto LNAPL y otro del grupo DNALP dentro del acuífero, en su zona saturada y no saturada (vadosa).

3 Clase 10.3 Pág. 3 de 12 B) Clasificaciones que sintetizan las diferentes contaminaciones y su evolución a partir de procesos fisicoquímicos a lo largo de una línea de flujo. Como por ejemplo, todos aquellos procesos contaminantes producto de un proceso de reducción progresiva, etc.. En estos casos, la evolución de la contaminación está descrita como una serie de reacciones químicas que ocurren en condiciones variables o constantes de eh, ph, Log fo 2 o temperatura, normalmente a lo largo de una línea de flujo. La Figura 10.3 representa gráficamente uno de dichos procesos, donde se clasifica de forma espacial, o zonifica, una contaminación procedente de un depósito de residuos, a lo largo de una línea de flujo progresivamente más oxidante. Vertedero Metano genético Sulfuros genéticos Reducción de Fe y Mn Reducción de nitratos Arcillas X (km) Figura Esquema de la contaminación procedente de un depósito de residuos según una línea de flujo. C) Clasificaciones relacionadas con las diferentes partes del acuífero. La contaminación se describe como una suma de comportamientos y/o reacciones producidas en la zona no saturada, o en la zona saturada del mismo.

4 Clase 10.3 Pág. 4 de 12 D) Clasificaciones relacionadas con la geometría de la fuente. Puesto que la forma de la fuente describe el grupo de contaminación. En este caso se suele hablar de contaminación puntual, difusa o lineal. E) Clasificaciones relacionadas con el tipo de agente o industria contaminante. Es usual en este caso emplear el término de contaminaciones de la industria petroquímica, o farmacéutica, etc. F) Clasificaciones relacionadas con la propia acción contaminante. La contaminación puede ser introducida en el medio de forma directa o inducida. En el primer caso, el contaminante se introduce en el acuífero gracias a una acción determinada (p.ej, un vertido a un pozo), en el segundo caso, un determinado proceso físico-químico o actuación humana induce a la aparición del contaminante en el medio (p.ej, un variación de ph debida a un variación del agua de recarga del acuífero provoca la desestabilización de contaminantes retenidos en el suelo y su circulación hacia la zona saturada). Contaminación directa Las causas más frecuentes de contaminación directa del medio son: - Vertido de aguas negras, de origen doméstico, ganadero o industrial, directamente al río. Esto provoca una infiltración desde el cauce del río hacia las aguas subterráneas. - Vertidos en la superficie del terreno. - Infiltración de residuos líquidos en balsas. - Lixiviado de residuos sólidos amontonados en la superficie del terreno (escombreras, basuras, lodos de depuradora...). - Fugas en depósitos y conductos subterráneos. - Excavaciones para la extracción de áridos, y su posterior relleno con residuos sólidos y líquidos. - Infiltración de las aguas de riego.

5 Clase 10.3 Pág. 5 de 12 Contaminación inducida Los mecanismos mediante los que suele generarse una contaminación inducida son: - Recarga inducida por bombeo. - Reciclado de aguas de riego. - Deficiente construcción de pozos. - Intrusión salina. - Infraestructuras viales que intersectan zonas acuíferas, donde no se ha previsto la existencia de fugas procedente del vehículo o medio de transporte o vertidos desde los mismos, tanto en su fase constructiva como operacional - Zonas de recarga artificial con deficiente o discontinuo control del agua de recarga. En la práctica, para describir todos los aspectos relacionados con un evento de contaminación, es necesario una combinación de términos que pertenecen a más de un grupo de clasificación Índices de la contaminación. El proceso de contaminación puede no ser visible en un principio, y tardar mucho en aparecer, pudiendo afectar una gran extensión. Uno de los mayores problemas que presenta es que es de lenta regeneración. Para su análisis existen diferentes índices o indicadores del grado de degradación del agua. Los principales índices de evaluación de la contaminación son de tres tipos: - Índices organolépticos - Índices fisicoquímicos - Índices microbiológicos Características organolépticas - Gusto y olor: la mayoría de gustos y olores son debidos a compuestos orgánicos. Algunos a nivel 1 µg/l ó 1 mg/l SH 2 (olor a huevo podrido).

6 Clase 10.3 Pág. 6 de 12 Características fisicoquímicas - Turbidez: expresión de la propiedad óptica que hace que la luz se dispersa cuando pasa a través del agua. Reacciona con la cantidad y tipo de sólidos en suspensión. Unidad de turbidez: NTU 1 NTU (no es visible). - Color: dos tipos de color. Verdadero color: debido a sustancias disueltas (ácidos húmicos, fúlvico). Color aparente: debido a materiales en suspensión o coloides. - Temperatura: constancia de la temperatura de las aguas subterráneas igual a la media anual del lugar más el gradiente geotérmico por la profundidad. - Sólidos disueltos totales: TSD (mg/l). Es el residuo de una muestra filtrada después de la evaporación. Valores altos de TSD pueden ocasionar problemas de gusto, corrosión, efectos fisiológicos. - ph: índice de la actividad H +. En aguas subterráneas ph = 6 8,5. Acidez, alcalinidad y capacidad tampón dependiente del equilibrio químico de las sustancias disueltas en el agua. - Eh: el potencial redox es una medida de la relativa intensidad de las condiciones de oxidación o reducción. Un valor positivo de Eh indica que dominan las condiciones de oxidación. - Dureza (mg/l CO 3 Ca): describe las propiedades de un agua para la precipitación de jabón o producir incrustaciones. En general una agua con menos de 75 mg/l CO 3 Ca se considera blanda. - Conductividad (µs/cm): medida de la capacidad de una solución para transportar una corriente eléctrica. Depende de las concentraciones y tipos de materiales disueltos. - Cationes y aniones principales. Características microbiológicas Los organismos biológicos juegan un importante papel en una gran variedad de fenómenos químicos que afectan la calidad del agua. Se distinguen los organismos que tienen un impacto en la salud publica y organismos que presentan algún inconveniente o molestia. - Organismos patógenos: virus, bacterias, protozoos, helmintos. En las normas de calidad se utilizan indicadores de contaminación biológica.

7 Clase 10.3 Pág. 7 de 12 - Organismos molestos : en general, producen sustancias con gustos u olores o problemas estéticos y operacionales Procesos físico-químicos de contaminación y transporte de contaminantes o trazadores (recordatorio temas anteriores). Procesos de transporte de los contaminantes a través de un acuífero libre. En acuíferos libres, un vertido contaminante desde la superficie del terreno, tiene que recorrer la zona no saturada del mismo antes de alcanzar el nivel freático (Figura 10.4a). Ello condicionará la intensidad y el tipo de procesos fisicoquímicos que actuarán sobre él. Del mismo modo, el sentido y magnitud del flujo del agua subterránea tendrá también una influencia decisiva en la concentración y distribución espacial en que dicho contaminante aparecerá en la zona saturada del mismo. Procesos contaminantes Procesos en el agua Zonas del acuífero Zona radicular Zona Vadosa Zona intermedia ADD FP TP BD PQD AD Franja Capilar Zona saturada ADD TP Procesos Aditivos BD, AD DL PQD Procesos Degradativos Figura 10.4a. Esquema de los principales procesos físico-químicos que tienen lugar en las diversas zonas de un acuífero libre y su relación con la magnitud y sentido del flujo subterráneo. BD: Biodegradación, PQD: Procesos de degradación química, AD, procesos de adsorción. ADD: Procesos de advección-dispersión-difusión, TP procesos de transporte de partículas, FP: flujos preferenciales, DL; dilución. El tamaño de las flechas es indicativo de su magnitud.

8 Clase 10.3 Pág. 8 de 12 Zonas ambientales Procesos afectando al agua Procesos de contaminación Zona superior a la superficie del suelo Evaporación Precipitación Aditivo Pérdidas Aplicación Fotodecomposición Irrigación Superficie del suelo Zona vadosa (no saturada) Suelo Evaporación Agua edáfica Lixiviación Transporte ADD PF PT Biodegradación / transformación Adsorción Transporte Zona freática (saturada) Zona intermediaria (zona vadosa) franja capilar Acuífero libre (agua subterránea) Flujo no saturado Ascendente Flujo no saturado Ascendente Lateral Descendente Lateral Descendente Transporte ADD PF PT Transporte ADD PF Biodegradación / transformación Adsorción Transporte Biodegradación / transformación Adsorción Transporte Superficie de la capa impermeable Figura 10.4b. Procesos generales de contaminación y de flujo en el acuífero. En la zona no saturada, el flujo presenta un sentido muy marcado por el gradiente gravitatorio, mientras que en la zona saturada, el flujo está fundamentalmente marcado por el gradiente hidráulico. Los procesos de adición, y degradación del contaminante se dan tanto en la zona no saturada como en la zona saturada del acuífero. Los procesos de transporte más significativos en la zona no saturada, tienen más que ver con la existencia de flujos preferenciales, como la porosidad creada por antiguas raíces, etc, o con procesos de adsorción por parte de la matriz arcillosa u orgánica del suelo. Sin embargo, en la zona saturada predominan los procesos de advección, dispersión o difusión. Del mismo modo, el proceso degradativo más significativo en la zona no saturada es la biodegradación, mientras que en la zona saturada, la dilución y los procesos de degradación química suelen ser más intensos.

9 Clase 10.3 Pág. 9 de 12 Procesos de transporte de los contaminantes a través de un acuífero confinado. Los procesos de transporte que tienen lugar en un acuífero confinado son fundamentalmente los correspondientes a la zona saturada del acuífero. En muchos de estos casos, las capas confinantes suprayacentes permiten que dichos acuíferos se consideren protegidos frente a vertidos desde la superficie realizados en su vertical. Sin embargo, existen casos donde dicha contaminación se produce. En este caso, el conocimiento de las vías de penetración son fundamentales para su prevención o remediación, así como el análisis del grado de degradación que sufrirá el contaminante. En estos casos, las zonas de penetración más usuales son: - Áreas de recarga del acuífero, que pueden hallarse a kilómetros de distancia del punto de detección del contaminante. - Existencia de estructuras naturales, como fracturas o conductos cársticos, que favorezcan la penetración profunda del contaminante. - Existencia de pozos abandonados o mal sellados, que actúen como una zona de flujo preferencial hacia el acuífero Modelos generales de transporte en la zona saturada En un acuífero, existen 2 procesos fundamentales de transporte de masas; la advección (o proceso de transferencia de masa) y la dispersión hidrodinámica (D): expresada a su vez como la suma de los procesos de difusión molecular (D*) y de dispersión mecánica (Dm). La advección (A) se define como el proceso de transporte en el que la materia disuelta se desplaza formando una fase homogénea con el agua. En este caso, el soluto y el disolvente se mueven a igual velocidad, y la magnitud del transporte equivale a la media de la velocidad del agua en el acuífero. En esta situación, el flujo es descrito adecuadamente por la Ley de Darcy. La dispersión (D) puede definirse como el fenómeno que resulta del movimiento individual de las partículas de un soluto a través de un medio poroso, con la gran variabilidad de velocidades de flujo que ello conlleva, conjuntamente con los procesos físico-químicos que tienen lugar en el medio

10 Clase 10.3 Pág. 10 de 12 acuoso, de forma que existe una interacción de la materia disuelta con el disolvente (suma de procesos mecánicos y de difusión). Los principales factores que condicionan dichos procesos son: - Fuerzas externas que actúan sobre el fluido. - La geometría y distribución de la estructura porosa. - Variaciones en las propiedades del fluido que afectan a la líneas de flujo (densidad, viscosidad). - Cambios en la concentración del soluto y los gradientes de concentración. - Interacciones entre el líquido y la fase sólida. La consecuencia tangible de la dispersión es la generación de una zona de mezcla entre el fluido original desplazado y el nuevo fluido que lo desplaza. La difusión molecular (D*), las partículas disueltas en un fluido tienen un movimiento que parece aleatorio debido al choque continuo entre ellas. El sistema global tiene un movimiento que es consecuencia del segundo principio de la termodinámica (los sistemas tienden a un estado de entropía mayor), y da lugar a una pauta de comportamiento: se produce un flujo másico de los puntos de mayor concentración hacia los puntos de menor concentración, es el denominado movimiento Browniano, que se rige por la ley de Fick y cuya expresión se describe a continuación: D* = -D c donde: D es el coeficiente de dispersión molecular [L 2 T -1 ], que depende del tipo de soluto y de las características del disolvente. La Dispersión mecánica (Dm) está asociada básicamente al grado de agitación mecánica que sufre el soluto por variaciones en el perfil de velocidad, tortuosidad del conducto, tamaño de los poros, etc. c es el gradiente de concentración. A partir de datos experimentales, es posible obtener un valor general de D*, de 1x10-6 cm 2 /s (Benedito, 2007). También es posible aproximar la Dm como una función de la velocidad real del flujo, Dm = a * Vs, donde a es la dispersividad longitudinal del medio poroso (que puede obtenerse a partir de ensayos) y vs la velocidad real de flujo.

11 Clase 10.3 Pág. 11 de 12 De esta, forma, el valor de D es: D= Dm + D*= a*vs + D* En la práctica los procesos de transporte de masa no se realizan de forma individual, sino que lo más común es que ambos se produzcan de forma simultánea. Por este motivo, el transporte de solutos tiende a expresarse a partir de la ecuación de advección-dispersión (ADE). Esta ecuación aún no considera, sin embargo, los efectos de reacciones químicas en el medio acuoso (flujo reactivo), las transformaciones biológicas y los fenómenos de semidesintegración radioactiva. Asimismo, la ecuación general (ADE), ha sido, hasta la generalización de métodos de cálculo informatizados, muy compleja de resolver. Por ello, se han descrito ecuaciones simplificadas, que resuelven dicha ecuación únicamente para casos particulares. Las soluciones particulares de la ecuación de dispersión suelen referirse a procesos en un contexto de tipo de flujo y tipo de vertido: A1) flujo unidimensional, paralelo y a velocidad constante. Ogatta y Banks: C Co = 0,5 * erfc ( x vt) 4 * DI * t Donde x es la distancia, v es la velocidad de flujo, t, el tiempo transcurrido y Dl la dispersividad longitudinal. A2) flujo radial. C Co = 0,5erfc 0,5r Q * t 2 * p * B * 4 3 * D * r e * r donde, B es el espesor saturado, e es la porosidad, r la distancia al pozo, r el recorrido radial medio, D la dispersividad, t el tiempo transcurrido.

12 Clase 10.3 Pág. 12 de 12 B) Tipo de vertido - B1) Vertido continuo - B2) Vertido puntual Las soluciones se suelen dar, además, como la relación de concentraciones entre la inicial y la que se obtendría a una determinada distancia del vertido (Co/C).