BLOQUE TEMÁTICO III. Contaminación, vertidos y auto-depuración

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1 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 1

2 Referencias [1] Chapra, Surface Water Quality Modelling. McGraw-Hill [2] Thomann & Mueller, Principles of surface water quality modeling and control. Harper & Row, [3] Cooke y otros Restoration and Management of Lakes and Reservoirs. Lewis Publishers. [4] Orozco, C. y otros 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 2

3 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 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) 3

4 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 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) 4

5 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, asociados a cambios en el régimen de movimiento natural Composición Usos consuntivos Otros y la calidad del agua son propiedades - Urbano, doméstico dinámicas (i.e. cambian con el tiempo) o abastecimiento - Industrial - Agropecuario - Generación de energía eléctrica - Medio de vida acuático (acuicultura) - Navegación - Recreativo o estético - Función ECOLÓGICA!!! Pantano de Kesterson (Caso 1) 5

6 1 acre-foot = cubic meters 6

7 1983 Kesterson Reservoir (El Chenobil de la agricultura) 7

8 Las Tablas de Daimiel (Caso 2) hm µmhos/cm hm µmhos/cm 20 8

9 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 hm 3 0!! 0!! hm 3 0!! 9

10 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 10

11 Toolik Lake, Alaska (Caso 3) 11

12 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 Vertidos Composición y la calidad del agua son propiedades dinámicas (i.e. cambian con el tiempo) TEMA 2 Parámetros indicadores 12

13 Parámetros indicadores Físicos Características 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); Biológicos Bacterias, virus, hongos, algas coliformes Parámetros indicadores Físicos Características 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); Biológicos Bacterias, virus, hongos, algas coliformes 13

14 1. Sólidos en agua Sólidos en totales (mg/l) - residuo después de someter al agua a un proceso de evaporación a o C. 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 ± 5 o C 14

15 Ejemplo Resultado de ensayos con muestras de 50 ml - Tara del plato de evaporación = g - Masa del plato + residuo tras evaporación a 105 o C = g - Masa del plato + residuo tras combustión a 550 o C = g - Tara del filtro Whatman (GF/C) = g - Residuo en el filtro tras secado a 105 oc = 1,5553 g - Residuo en el filtro tras combustión a 550oC = g? Determina la concentración de sólidos totales, sólidos totales volátiles y sólidos volátiles en suspensión 15

16 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 g g 0 C 6 H 12 O 6 +6O 2 6CO 2 + 6H 2 O Respiración (descomposición) 16

17 Qué relación cuantitativa hay entre DO y materia orgánica? C 6 H 12 O 6 + 6O 2 6CO 2 + 6H 2 O 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 L 0 - y = L 0 e -kt y = L 0 (1 - e -kt ) 17

18 DBO 5 vs. DBO u? Recordad que definimos DBO como i.e. es una función del tiempo. DBO 5 es la DBO para 5 días, i.e. k 5 y 1 5 y5 = L0 ( 1 e ) L0 = k1 5 (1 e ) y = k1t L ( 1 e ) 0 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 20 o C es de 200 mg/l. La constante de reacción k = 0.23 d -1 18

19 DBO 5 Valores guía Aguas muy puras DBO 5 < 3 mg/l O 2 Pureza intermedia 3<DBO 5 < 5 Agua contaminada DBO 5 > 5 Agua residual urbana DBO Industria agroalimentaria DBO 5 < 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 DBO Microorganismos oxidantes DQO 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 O 2 /l DBO/DQO indicador del tipo de contaminación - DBO 5 /DQO < 0.2 contaminantes no biodegradables - DBO 5 /DQO > 0.6 contaminación orgánica Carbono orgánico total (TOC) Mide la cantidad de CO 2 (medido por absorción en infrarrojo), que se desprende de una muestra al ser calcinada (mg C/l) 19

20 e Parámetro parámetro Parámetro Unidades Contaminación fuerte Contaminación media Contaminación ligera Físicos Sol. Suspensión Mg/l S.S. volátiles Mg/l S.S. fijos Mg/l Sol totales Mg/l S.T. volátiles Mg/l S.T. fijos Mg/l S. disueltos Mg/l S. D. Volátiles Mg/l S.D. fijos Mg/l Temperatura ºC Color Gris-negro Gris-negro Gris-negro Olor SH2 SH2 SH2 s Químicos D.B.O.5 MgO2/l D.Q.O. MgO2/l ph N. total Mg/l N. orgánico Mg/l NH4 + Mg/l NO3 - Mg/l 0,4 0,2 0,1 NO2 - Mg/l 0,1 0,05 0 P total Mg/l Cl - Mg/l Grasas Mg/l os Biológicos Coli totales NMP/l x Coli fecales NMP/l x Virus totales Ui/l