INGENIERÍA AMBIENTAL Calidad de las aguas Tema 13 Contaminación de lagos, embalses y acuíferos David Sánchez Ramos david.sanchezramos@uclm.es INGENIERÍA AMBIENTAL a) Conceptos generales b) Residuos Sólidos y contaminación atmosférica c) Calidad de las aguas 8. Gestión del agua 9. El agua natural 10. Contaminación de las aguas 11. Calidad del agua y su control 12. Calidad del agua en ríos d) Potabilización de aguas e) Tratamiento de aguas residuales
CONTAMINACIÓN DE LAGOS, EMBALSES Y ACUÍFEROS 1. Contaminación de lagos y embalses 1. Características físicas de lagos y embalses 2. Efectos de la contaminación 3. Eutrofización 2. Contaminación de acuíferos Bibliografía principal utilizada: Tejero et al., 2006. Introducción a la Ingeniería Sanitaria y Ambiental. Universidad de La Coruña 1. CONTAMINACIÓN DE LAGOS Y EMBALSES Masas de agua superficiales de tipo lago o embalse Se caracterizan fundamentalmente por los altos tiempos de retención hidráulica y la escasa renovación del agua responden de forma diferente a un vertido con contaminación a como lo hace una corriente superficial Gran capacidad de dilución (habitualmente) considerando los volúmenes que mezclamos La evolución de los contaminantes queda condicionada fuertemente por el comportamiento físico de la masa de agua
1.1. CARACTERÍSTICAS FÍSICAS DE LAGOS Y EMBALSES Características físicas de lagos y embalses Principales parámetros físicos que influyen en el funcionamiento de las masas de agua: profundidad, superficie, volumen La combinación de estos parámetros tiene una gran importancia en la cantidad de agua que es alcanzada por la radiación solar Profundidad media (volumen total / superficie total) suelen considerarse lagos (o embalses) profundos los que tienen una profundidad media > 5 m El comportamiento de una masa de agua profunda se caracteriza por los fenómenos que se producen a lo largo de la columna de agua La estratificación de la masa de agua no permite la mezcla entre las capas superiores e inferiores en cada una de ellas se producen procesos totalmente diferentes en la capa inferior se acumulan sedimentos y MO, pudiendo consumirse todo el OD 1.1. CARACTERÍSTICAS FÍSICAS DE LAGOS Y EMBALSES Estratificación en lagos y embalses Las aguas de la parte superior (epilimnio) se calientan como consecuencia de la insolación, pero las aguas más profundas (hipolimnio) se mantienen frías (a unos 4 ºC) al no recibir energía Entre ambas capas, totalmente diferenciadas, se establece una capa de transición (termoclina) fuerte gradiente de Tª En inviernola capa de agua superior puede llegar a congelarse pero el hipolimnio permanecerá a unos 4 ºC (Tª a la que el agua alcanza su mayor densidad) se man2ene una capa de transición
1.1. CARACTERÍSTICAS FÍSICAS DE LAGOS Y EMBALSES Estratificación en lagos y embalses La acción del viento sobre la superficie puede mantener mezclado el epilimnio, pero no logra superar la termoclina La mezcla global de la masa de agua se produce en las épocas de transición debido al cambio de temperaturas de invierno a verano (o viceversa) la Tª se iguala a lo largo de toda la columna de agua y dejan de existir capas diferenciadas Este fenómeno se suele producir en la primavera o en el otoño ciclo de vida del embalse 1.2. EFECTOS DE LA CONTAMINACIÓN EN LAGOS Y EMBALSES Oxígeno disuelto Gran cantidad de agua y elevada reaireación (al existir una gran superficie expuesta a la atmósfera) las concentraciones de OD en la masa de agua suelen ser elevadas Las demandas de OD ejercidas por posibles vertidos con MO se ven satisfechas sin generar problemas de anoxia; los compuestos nitrogenados se nitrifican casi en su totalidad Sólidos en suspensión Las escasas corrientes y los elevados tiempos de retención permiten que las partículas en suspensión sedimenten y desaparezcan de la columna de agua La acumulación de partículas de todo tipo en el fondo forma capas de fangos que pueden alcanzar elevados espesores y que pueden ser muy activas bioquímicamente
1.2. EFECTOS DE LA CONTAMINACIÓN EN LAGOS Y EMBALSES Gérmenes patógenos Van desapareciendo por muerte, por efecto de las condiciones extrañas y agresivas de la masa de agua y por efecto de la radiación ultravioleta, que penetra a través de la gran superficie de la masa de agua Su desaparición se suele describir a través de tasas, normalmente con el parámetro T 90 intervalo de 2empo necesario para que una concentración determinada se reduzca a la décima parte 1.2. EFECTOS DE LA CONTAMINACIÓN EN LAGOS Y EMBALSES Nutrientes Los ríos suponen una entrada natural de nutrientes a los lagos aporte de N y P, factores limitantes de los productores primarios (fundamentalmente algas) Otros elementos y compuestos (p.e. silicio, manganeso, vitaminas) limitan el crecimiento de las algas, pero los nutrientes fundamentales son el N y el P (el P suele ser el factor más limitante) La acción clorofílica (fotosíntesis) supone un abundante consumo de CO 2 produce la alcalinización del agua Los vertidos contaminantes (EDAR, escorrentía procedente de zonas agrícolas ) pueden aportar a los lagos y embalses grandes concentraciones de nutrientes supone un desequilibrio del ecosistema (eutrofización)
1.2. EFECTOS DE LA CONTAMINACIÓN EN LAGOS Y EMBALSES Exceso de nutrientes eutrofización La disponibilidad de nutrientes favorece el crecimiento de las algas, pudiendo alcanzar concentraciones muy elevadas En principio su crecimiento puede ser interesante ya que aumenta la productividad del ecosistema aumento de la vida piscícola La muerte de algas, la generación de detritus y la abundancia de MO degradándose favorece el crecimiento de organismos detritívoros Estos organismos consumen OD, pudiendo agotar el disponible en el agua provocan la muerte casi completa de la masa de algas y organismos que llegaron a poblar el embalse o el lago Eutrofización El estado eutrófico de un lago o embalse depende del grado de enriquecimiento en nutrientes de la masa de agua Un excesivo enriquecimiento en nutrientes provoca repercusiones generalmente negativas para la calidad del agua del embalse 2 enfoques a la hora de definir el concepto de eutrofización: Enriquecimiento en nutrientes Consecuencias que para la calidad del agua implica ese enriquecimiento
Origen del término eutrofización Aumento de los niveles nutricionales, especialmente con respecto al fósforo y al nitrógeno (Naumann, 1919) En las primeras investigaciones sobre calidad de agua en lagos, se establecían 2 categorías: Weber (1907): Thienemann: Evolución del término eutrofización Relación entre eutrofización y calidad del agua: enriquecimiento en nutrientes, y subsiguiente deterioro progresivo de su calidad, principalmente en lagos, debido a la proliferación vegetal con las repercusiones subsiguientes en el metabolismo global de las aguas afectadas (Vollenweider, 1968) Definición de eutrofización aceptada en la actualidad: enriquecimiento en nutrientes de las aguas, que provoca la estimulación de una serie de cambios sintomáticos, entre los que se encuentra el incremento en la producción de algas y macrófitas, el deterioro de la calidad del agua y otros cambios sintomáticos que resultan indeseables e interfieren con la utilización del agua (O.C.D.E., 1982) Se considera la eutrofización desde el punto de vista de los efectosinducidos en la masa de agua se enfa2zan las consecuenciasque este fenómeno implica al hombre más que el hecho de que el origen sea el incremento de la cantidad de nutrientes de esa masa de agua
Eutrofización natural / antropogénica La eutrofización es un proceso natural asociado al envejecimiento del lago o embalse, que se desarrolla con mucha lentitud, por causas inherentes o externas a la propia masa de agua Causas inherentes a la propia masa de agua: Excreciones y descomposición de organismos muertos Descomposición de la vegetación litoral por oscilaciones del volumen de agua Redisolución de sedimentos del fondo Concentración por evaporación Causas externas a la masa de agua: Cambios en la forma de la cubeta (consecuencia del llenado por sedimentos producidos por la erosión) Aportaciones de materiales transportados por el viento Incorporación de restos de organismos degradación natural Incendios Eutrofización natural / antropogénica El ser humano altera los procesos de eutrofización mediante distintas acciones: Aportación de N y P en los vertidos de aguas residuales urbanas e industriales Eliminación de cubierta vegetal y cambios en los usos del suelo favorecen la escorrentía sobre las masas de agua Contaminación difusa por fertilizantes, pesticidas, vertidos de granjas, etc. Este fenómeno se denomina eutrofización antropogénica, cultural o artificial para distinguirla de la eutrofización natural La eutrofización antropogénica puede acelerar considerablemente el proceso de eutrofización natural
Principales elementos que condicionan la eutrofización: aporte de nutrientes, luz y algas condicionan la disponibilidad de OD en la masa de agua La penetración de la luz en la columna de agua sigue una curva exponencial decreciente El coeficiente de atenuación depende de forma directa del grado de turbidez de las aguas La existencia de radiación solar (energía) condiciona la existencia de las algas Las propias algas generan un fenómeno de auto-ensombrecimientoque limita aún más la penetración de la luz solar Un exceso de luz (como puede ocurrir en las capas más superficiales) también puede resultar letal para las propias algas Principales elementos que condicionan la eutrofización: aporte de nutrientes, luz y algas condicionan la disponibilidad de OD en la masa de agua La capa colonizada por las algas sufre un consumo intenso de nutrientes (N y P) las concentraciones son mínimas en esa zona Elevada acción fotosintéticaen el epilimnio altas concentraciones de OD, incluso por encima del valor de saturación En el fondo (hipolimnio) pueden darse concentraciones superiores de N y P debido a la inexistencia de OD y de algas
Ciclo de eutrofización en lagos y embalses Aportes exteriores de N y P sus concentraciones van aumentando por acumulación La abundancia de alimento permite el desarrollo de algas, pudiendo alcanzar concentraciones muy elevadas Se produce un fenómeno de autoensombrecimiento muerte de gran parte de la masa de algas Las algas sedimentan en el fondo del embalse se acumulan MO, N y P en los fangos del fondo Las bacterias saprófagas se alimentan de los fangos y consumen OD, pudiendo llegar a OD nulo (condiciones anaerobias) Ciclo de eutrofización en lagos y embalses Teniendo en cuenta la estratificación de la masa de agua y los procesos de mezcla: En veranono hay mezcla y el hipolimnio está muy estable En otoñose produce la mezcla de aguas el N y P acumulado en el fondo llega a la superficie, produciendo altas concentraciones en toda la masa de agua Cambio estacional de primavera a verano (abundancia de luz y temperaturas más altas) crecimiento desorbitado de algas ( floración de algas o bloomde algas ) Reinicio del ciclo si no hay grandes salidas de agua y nutrientes de la masa de agua, la mayor acumulación de nutrientes agrava el fenómeno (si no se eliminan las entradas)
2. CONTAMINACIÓN DE ACUÍFEROS Masas de agua subterráneas el tipo de circulación del agua a través del terreno condiciona la evolución de la contaminación que pueda recoger y transportar Zonas kársticas la circulación puede ser rápida y en lámina libre, muy similar a los ríos transporte de contaminantes muy rápido Medios porosos permeables problemas de contaminación e impurificación del agua específicos de este tipo de medios Las aguas subterráneas están protegidas por el sistema suelo-acuífero menos vulnerables que las aguas superficiales Esta proteccióndepende de varios factores (tipo de suelo, profundidad a la que se encuentra el acuífero...) El deterioro de las aguas subterráneas suele ser lento y zonal 2. CONTAMINACIÓN DE ACUÍFEROS Fuentes de contaminación en acuíferos Vertido de aguas residuales al terreno: El agua se va filtrando a través de la zona aireada se produce cierta depuración de la contaminación Esta capa actúa como filtro protector los sólidos en suspensión y gran parte de la contaminación bacteriológica son retenidos Los gérmenes con el paso del tiempo van muriendo al estar en un ambiente no adecuado La MO que estaba en suspensión queda retenida en la superficie, enriqueciendo el suelo La MO disuelta es parcialmente asimilada por la biocenosis de la superficie; otra porción avanza en el medio poroso, pero se degrada en la zona aireada
2. CONTAMINACIÓN DE ACUÍFEROS Fuentes de contaminación en acuíferos Vertido de aguas residuales al terreno: El nitrógeno orgánico pasa a amoniacal y posteriormente es oxidado a nitratos. Parte del N es consumido en superficie o en las capas superiores a la zona saturada llegan principalmente nitratos (es típica la contaminación por nitratos de acuíferos) El fósforo es adsorbido por el suelo y en parte es consumido por la vegetación de superficie; si hay P en exceso puede lixiviar y alcanzar el acuífero Las concentraciones de otros contaminantes (metales pesados, tóxicos...) se reducen también por el consumo de la vegetación y por procesos físico-químicos Algunos metales se fijan al suelo por intercambio iónico, acumulándose en él es muy peligroso que este tipo de contaminación alcance el acuífero 2. CONTAMINACIÓN DE ACUÍFEROS Fuentes de contaminación en acuíferos Recarga de acuíferos por ríos contaminados: La contaminación alcanza el acuífero a través de medios saturados No hay oxígeno(no se atraviesa una zona aireada), las velocidades y la mezcla y dilución son muy bajas En la zona de transición se producen fenómenos anaerobiosy puede producirse acumulación de metano riesgo de explosiones La MO alcanza con más facilidad el acuífero
2. CONTAMINACIÓN DE ACUÍFEROS Fuentes de contaminación en acuíferos Depósitos de materiales en el suelo: Entrada de contaminantes por infiltración que arrastra fertilizantes, pesticidas, etc., o desde vertederos sin lixiviados controlados El uso de fertilizantes nitrogenados ha creado graves problemas de contaminación por nitratos en España (Zonas vulnerables a contaminación por nitratos) las aguas de estos acuíferos llegan a ser no potables al superar los 40-60 ppm de nitratos Impurificación natural: Las masas de agua subterráneas se cargan de determinadas sustancias en contacto con rocas evaporíticas, arcillas lacustres y otros materiales geológicos Las concentraciones de sales pueden llegar a aumentar hasta el punto de generar aguas salobres o salinas, de difícil uso y tratamiento 2. CONTAMINACIÓN DE ACUÍFEROS Fuentes de contaminación en acuíferos Mala explotación de acuíferos: Sobreexplotación de acuíferos en zonas costeras genera intrusión marina, con la consiguiente pérdida de calidad del agua La interfasede equilibrio (agua dulce flotando en agua salina) que se origina en las zonas costeras permeables se ve alterada al verse reducido el volumen de agua dulce por las extracciones que se realizan a través de pozos La escorrentía subterránea no es capaz de aportar agua dulce allá donde se produce el déficit y es el agua salada la que avanza Solución pasa por la gestión racional del acuífero y la posible recarga con agua dulce (pueden ser residuales o de baja calidad) para hacer retroceder la interfase