ingeneiria ambiental aplicacion

Para clases de estabilidad neutra o inestable (A-D), se utiliza la siguiente ecuacin para estimar el salto de la pluma:

h

f

vxF

h3/23/16,1

donde:h = es el salto de la pluma, ( es decir, H h) (en metros) xf = es la distancia en la direccin del viento hasta el punto en

que la pluma alcanza su altura mxima (m) vh = velocidad del aire a la altura de la chimenea (m/s)

La distancia xf se obtiene de:

xf = 120 F 0,4 para F > 55 (m4/s3)xf = 50 F 5/8 para F < 55 (m4/s3)

Para atmsferas estables (categoras E y F), el salto de la pluma se obtiene de:

3/1

4,2

SvFh

donde S es un parmetro relacionado con la estabilidad, definido como (enunidades s-2):

dzdT

TgS AA

01,0

donde la derivada dTA/dz representa el gradiente de temperatura del aire,expresado en (C/m).

Dispersin Bajo Condiciones de Inversin Trmica

El desarrollo del modelo Gaussiano mostrado anteriormente no considera laexistencia de una inversin trmica sobre la chimenea. El modelo Gaussiano sepuede modificar para tomar en cuenta el efecto de reflejo que tiene la capa de inversin trmica. Una modificacin utilizada a menudo para condiciones deinversin trmica, es la siguiente:

2

2

, 2exp

2 YYYX

YLv

QC

donde L es la altura de la capa de inversin trmica (m). Esta expresin es vlidapara distancias mayores que el doble de la distancia en la direccin del viento,

INTRODUCCIN A LA INGENIERA AMBIENTAL PARA LA INDUSTRIA DE PROCESOSC. A. ZAROR Z.

3-29

donde la envoltura superior de la pluma se encuentra con la capa de inversin.Esta distancia coincide con la distancia a la cual el coeficiente de dispersin Z es igual a Z = 0,47 (L H ) .

Modelos para Dispersin de Fuentes Lineales

En algunos casos, interesa modelar el efecto de fuentes de contaminantesatmosfricos de tipo lineales, por ejemplo, en el caso de gases emitidos por losvehculos que transitan en las carreteras.

X (m)CX (g/m3)Fuente lineal

v , velocidad del viento

q (g m1 s1)

FIGURA 3.7: MODELACIN DEL EFECTO DE FUENTES CONTAMINANTESATMOSFRICOS DE TIPO LINEAL.

La concentracin a nivel del suelo, CX , a una distancia X en la direccin delviento, cuando ste es perpendicular a la fuente lineal (Figura 3.7), se puedeestimar a partir de:

ZX v

qC2

2

donde q es la tasa de emisin por unidad lineal de fuente (g s1 m1) y v es lavelocidad del viento, perpendicular a la fuente lineal.


3-30

3.2) CONTAMINACIN DEL AGUA

El agua juega un papel fundamental en el funcionamiento de la Bisfera. Talcomo se seal en el Captulo 2, el agua presenta propiedades que le permitenser un excelente medio de transporte de energa y materia. La energa solarpermite mantener un ciclo hidrolgico que tiene un efecto determinante sobretodos los dems ciclos biogeoqumicos.

A su vez, el agua es un fluido vital, sin el cual la existencia de la vida, como semanifiesta en la Tierra, no es posible. Sin embargo, sobre el 97% del aguaexistente en nuestro planeta se encuentra en los ocanos. La Historia del Hombrenos demuestra que el agua, ha sido uno de los principales recursos limitantes de su desarrollo econmico y social. Cada vez que la disponibilidad de agua seredujo ms all de un nivel crtico, sea por razones climticas o por accin del hombre, languideci tambin el grupo humano que se nucle en torno a dichocuerpo de agua.

Desde el punto de vista de la sociedad humana, el agua se utiliza en diferentesroles, principalmente:

Agua para consumo humano directo (vital). Agua para usos domsticos (lavado, sanitario, cocina). Agua para usos industriales (medio trmico, transporte de materiales, medio

de reaccin, solvente, lavado). Agua para fines de regado agrcola, en actividad pecuaria, forestal, etc. Agua como medio para la produccin de especies marinas (peces, algas,

moluscos, etc.). Agua como recurso para la generacin de energa elctrica. Agua como medio recreacional. Agua como medio receptor de los residuos de la actividad humana.

Aproximadamente un 42% del agua utilizada en EEUU se destina a produccinagrcola, comparada con un 39% para generacin hidroelctrica; por su parte, laminera e industria slo utilizan un 8% del total, mientras que el resto (11%) se consume en actividades domsticas y comerciales.

Todos estos usos del agua implican requerimientos de calidad y cantidad quedeben ser mantenidos para garantizar su consumo sin daos a la salud de laspersonas y un desarrollo econmico sustentable. Ms an, algunos de estosrequerimientos implican intervencin fsica directa sobre los cuerpos de agua,pudiendo modificar drsticamente su morfologa y su caudal, con seriasconsecuencias para el equilibrio ecolgico en el medio acutico.

La relativa escasez de este fluido vital, y su importancia determinante para el funcionamiento de los ecosistemas terrestres, motivan que el agua sea uno de los principales objetivos de proteccin ambiental de la sociedad moderna. A modo deejemplo, cabe destacar que en el mundo existen ms de 1.200 millones de seres


3-31

humanos que no tienen acceso directo a agua potable, y ms del 20% de los peces de agua dulce estn en peligro de extincin. En la actualidad, en todos lospases las regulaciones de control ambiental establecen lmites a las descargas de residuos lquidos que son vertidos en los cuerpos de agua; adems, fijanestndares de calidad de agua de acuerdo a su potencial de uso.

3.2.1) Contaminantes Lquidos

El efecto de los residuos lquidos sobre los ecosistemas acuticos depende, entreotros factores, de su composicin qumica, de las caractersticas fsicas ybiolgicas del efluente, adems de las caractersticas del medio receptor acutico.

Los contaminantes en fase lquida incluyen un amplsimo rango de compuestosdisueltos y suspendidos, orgnicos e inorgnicos. A continuacin se resumen losefectos de los principales residuos que se vierten comnmente en las aguassuperficiales.

Material orgnico biodegradable disuelto

Los compuestos orgnicos solubles biodegradables permiten mantener la actividad de microorganismos unicelulares hetertrofos (bacterias, hongos), querequieren de fuentes de carbono orgnico y que se alimentan por transporte a travs de la membrana celular. Estos organismos acuticos reciben, adems, los compuestos derivados de la actividad biolgica terrestre en las zonas aledaas alos cuerpos de agua, que son transportados por la escorrenta superficial osubterrnea. Aqu se incluyen los compuestos generados a partir de ladescomposicin de especies muertas y del material que se descarga desde lasriberas (frutos, ramas, excrementos, etc).

Cuando un nutriente entra al agua, los organismos aerobios consumen oxgenodisuelto como resultado de la actividad metablica inducida. As, el nutrienteejerce una demanda sobre la disponibilidad del oxgeno disuelto, denominadaDemanda Biolgica de Oxgeno. Si la cantidad de materia orgnica en el medioes muy alta, ello puede conducir a una disminucin en la concentracin de oxgenodisuelto. A niveles bajos de oxgeno disuelto (viz. 2-4 mg/l) los peces tienden adesaparecer y el ambiente acutico favorece a las especies anaerbicas.

Problemas generados en las aguas anxicas:

El metabolismo anaerbico es mucho ms lento que el proceso aerbico.(tpicamente, por ms de un orden de magnitud) y de menor eficiencia, generandovarios compuestos orgnicos intermedios (ej.: cidos orgnicos, alcoholes,metano). Como resultado de la menor velocidad de consumo del materialorgnico disuelto, ste se acumular en el medio acutico, a menos que suingreso al sistema acutico disminuya drsticamente.

Si los nutrientes disueltos entran al agua a una tasa tal, que el oxgeno disuelto seconsume ms rpidamente de lo que se puede reponer, el agua se desoxigena.Ningn aerobio obligado, desde los microbios hasta los peces, podr sobrevivir en


3-32

dichas aguas. As, los contaminantes orgnicos se acumularn, producindoseanaerobiosis, lo que genera substancias malolientes (ej.: sulfuros y aminas voltiles) y compuestos orgnicos parcialmente oxidados.

Aparte del mal olor, la anaerobiosis puede presentar problemas para la saludhumana, ya que muchas bacterias anaerobias son patgenas (por ejemplo, ttano,botulismo). Cuando el agua contiene sulfatos disueltos, las bacterias anaerobiasreductoras producen H2S (corrosivo y venenoso). La conversin de mercurioinorgnico a organomercurio tiene lugar bajo condiciones anaerobias. Laanaerobiosis genera compuestos orgnicos (cidos orgnicos) que pueden serinhibidores o txicos para los organismos heterotrficos. Generalmente, las aguasanxicas pueden ser recuperadas si la entrada de contaminantes se detiene,permitiendo consumir anaerbicamente los nutrientes remanentes y que el oxgeno transferido naturalmente restablezca los procesos aerbicos.

Compuestos txicos:

La poblacin microbiana puede verse afectada debido a la presencia de contaminantes qumicos txicos, por inhibicin o muerte por envenenamiento.Diferentes organismos presentan distinta susceptibilidad a la presencia de txicos.Por ejemplo, el fenol es txico para casi todas las especies (razn por la cual seusa como desinfectante); sin embargo, ciertas bacterias (Pseudomonas) puedenusarlo como nutriente y descomponerlo, an cuando su actividad es inhibida a altas concentraciones de fenol. Muchos componentes txicos pueden serdegradados por actividad qumica o bioqumica natural y, por lo tanto, su accinpuede ser de relativa corta duracin en el ecosistema.

Existen otros txicos, tales como los metales pesados o ciertos compuestosorgnicos, cuya toxicidad persiste, debido a que no son afectados pordesactivacin natural. Estos ltimos, son los ms difciles de controlar, ya que porser no degradables, se acumulan en el medio receptor y, a pesar de ser desechados a muy baja concentracin, persisten y afectan la vida del sistema. Enmuchos casos se produce un aumento de la concentracin de dichoscontaminantes, cuando entran a formar parte de la cadena alimenticia de lasdiferentes especies del ecosistema. Por ejemplo, la concentracin de DDT en lostejidos de los organismos superiores puede llegar a ser 50.000 veces ms alta quela concentracin en el medio receptor. En el caso de las dioxinas, dicho factorpuede llegar a ser del orden de 5.000.

Por otra parte, los procesos naturales que ocurren en el medio receptorincrementan la toxicidad de algunos contaminantes primarios. Por ejemplo, el mercurio inorgnico es txico, pero los compuestos de organomercurio generadosa partir de mercurio inorgnico en las aguas son 10 veces ms venenosos.

Muchos de los compuestos txicos, no biodegradables, que se encuentran a muybajas concentraciones, pueden ser ingeridos por los organismos vivientes de los diferentes niveles trficos, depositndose en sus tejidos y entrando en la cadenaalimenticia. Esto resulta en un aumento de la concentracin del materialcontaminante a medida que es transferido a las especies superiores, lo que puede


3-33

tener consecuencias para la salud humana.

Nitrgeno y Fsforo

Las algas y plantas acuticas utilizan la energa de la luz para sintetizar materialorgnico complejo, a partir de CO2, agua y otros materiales como nitrgeno (N) yfsforo (P). A su vez, el oxgeno generado por fotosntesis es utilizado por losorganismos hetertrofos y por algunos auttrofos oxidantes. Cuando este balanceecolgico se altera debido a un aumento drstico de los nutrientes limitante, losresultados pueden ser desagradables o desastrosos. El aumento de la cantidadde nutrientes necesarios para a vida en un cuerpo de agua se denominaeutrofizacin5. La eutrofizacin puede genera serios problemas en los cuerpos de agua superficiales:

La fotosntesis implica la creacin de materia orgnica a partir de materialesinorgnicos y, por lo tanto, la produccin en grandes cantidades desubstancias orgnicas donde antes slo existan una pocas. Cuando lasalgas/plantas mueren, sus componentes se transforman en nutrientesorgnicos que ejercen una demanda de oxgeno

Durante la accin fotosinttica, el CO2 es rpidamente consumido, generandoun aumento del pH, que puede llegar sobre 10. Durante la noche, la reaccininversa ocurre, consumiendo oxgeno y generando CO2, con lo cual el pHtiende a bajar. La actividad fotosinttica tiene un significativo efecto sobre el nivel de pH del cuerpo de agua, ya que afecta la reaccin reversible

HCO3- + H+ CO2 + H2O

En ausencia de luz, muchos tipos de algas usan el oxgeno para obtenerenerga en la descomposicin oxidativa de compuestos orgnicos previamentesintetizados. En efecto, almacenan la energa luminosa en la forma deenerga qumica, para usarla en ausencia de luz (como una batera deautomvil). As, mientras ms fuerte sea el crecimiento de algas durante elda (lo que puede producir sobresaturacin de oxgeno), mayor ser la desoxigenacin durante la noche. Cuando se produce una cubierta de algasflotantes muy gruesa, la transmisin de la luz se ve afectada, de manera quean en el da, las algas en los niveles inferiores utilizan el oxgeno.

Finalmente, las masas de algas depositadas en las riberas, mueren y se pudren, produciendo condiciones anaerbicas, presentando un peligro para la salud (ej.:

5 La eutrofizacin se define como el proceso de enriquecimiento de nutrientes en un cuerpo de agua.Es un fenmeno natural en el proceso de envejecimiento de lagunas y lagos (lagos eutrficos). Por el contrario, un cuerpo de agua joven, pobre en nutrientes necesarios para la vida, se denominaoligrotrfico. El incremento de los nutrientes en la laguna permite una mayor produccin de plantas yanimales acuticos. Dicho incremento en la materia orgnica genera a su vez un aumento del contenido orgnico de los sedimentos. El proceso de eutrofizacin de una laguna muy gradual,pudindo detenerse, e incluso revertirse a una situacin oligotrfica, debido a cambios climticos y modificaciones en la vegetacin aledaa.


3-34

formacin de Clostridium botulinum, que es un anaerobio obligado patgeno). Porotra parte, las ramificaciones de las plantas acuticas atrapan slidos orgnicosque se descomponen, ejerciendo una demanda de oxgeno concentrada.

Generalmente el N y P son los factores limitantes. En el crecimiento microbiano,se consume P en forma de fosfato, mientras la mayora de las bacterias asimilan N en la forma de NH3 y slo unas pocas lo hacen como NO3. En cambio las algas,asimilan el N como NO3 y muy pocas como NH3. Hay ms bacterias que puedenusar NO3 como fuente de oxgeno que como fuente de N. De acuerdo a laestequiometra aproximada de la fotosntesis en las algas, la proporcin N : P es del orden de 7. Segn la Ley del Mnimo de Liebig, un cuerpo de agua con una relacin N : P mucho mayor que 7 indica que el P es el nutriente limitante; por otraparte, un valor de N : P mucho menor que 7 implica una limitacin por N. Algunos autores sugieren que concentraciones de P y N superiores a 0,015 y 0,3 mg/l,respectivamente, son suficientes para generar un crecimiento excesivo de algasen aguas lacustres.

Las principales fuentes de N orgnico son las protenas, los aminocidos y la urea; por su parte, el N inorgnico est en la forma de NH3, NO3, NO2. El amonaco esun producto caracterstico de la descomposicin de la materia orgnica, y sepuede oxidar microbiolgicamente a nitritos y nitratos, mediante la accin de las bacterias nitrificantes. Estos procesos ocurren naturalmente en la aguas, y constituyen una importante contribucin a la demanda biolgica de oxgeno.

Otros agentes contaminantes

La temperatura y el pH afectan directamente la vida de los organismos superiores, la que slo es posible dentro de rangos limitados de temperatura y de pH.

Temperatura: Los efluentes calientes pueden alterar negativamente elecosistema, ya que la elevacin de la temperatura reduce la solubilidad deloxgeno. Ms an, el metabolismo microbiano aumenta al elevarse latemperatura (hasta cierto lmite).

pH: Es importante evitar descargar aguas con pH muy diferente de 7.Desgraciadamente, la eutrofizacin de un cuerpo de agua genera variacionesextremas de pH que tienen un efecto negativo sobre muchas especiesacuticas.

Slidos suspendidos: Los slidos en el agua interfieren directamente con la transferencia de oxgeno y con la transmisin de la luz. Adems, cuandosedimentan afectan la vida en el fondo del cuerpo de agua. Si son orgnicosbiodegradables, imponen una fuerte demanda de oxgeno que generarpidamente un medio anxico.

Caudal Mnimo Ecolgico

La calidad del agua no solamente es afectada por los vertidos de residuos, sinoque tambin por su consumo para diferentes actividades humanas. El consumode agua fluvial en actividades industriales, agrcolas o domsticas, as como la


3-35

instalacin de embalses y otras intervenciones directas sobre el medio fsico,pueden afectar las caractersticas hidrolgicas del ro. Si tales intervencionesresultan en una reduccin significativa de su caudal, se pueden generarconsecuencias adversas sobre el ecosistema acutico. Las variaciones de caudalproducen cambios en la poblacin de las diferentes comunidades. Algunas especies pueden ser sustituidas por otras que cumplen la misma funcin en el ecosistema, pero que presentan distintos requerimientos ambientales y poseendiferentes ciclos de vida.

La disminucin del caudal puede afectar seriamente el proceso de oxigenacin delro, generando una reduccin de su capacidad de autodepuracin. Esta situacinpuede originarse debido a una reduccin importante del rea de contacto ro-airey/o del coeficiente de transferencia de masa (denominado coeficiente de reaireacin).

El ecosistema que representa un tramo de ro est condicionado, principalmente,por:

La morfologa del cauce El flujo del cauce Las caractersticas fsico-qumicas del agua circulante El tipo de hbitat existente en el lecho y en las riberas fluviales Los recursos trficos existentes en el medio acutico Las caractersticas climticas Los vertidos derivados de la actividad humana en la cuenca

Para determinar el caudal mnimo aceptable, desde el punto de vista ecolgico, sepuede utilizar modelos matemticos que permiten predecir el efecto de cambiosde caudal sobre la calidad del hbitat acutico y sobre la capacidad deautodepuracin. Por ejemplo, en algunos estudios, se recomienda utilizar los simuladores PHABSIM (physical habitat simulation system) y QUAL2E (modelo decalidad de agua). Es importante sealar que se deben considerar los potencialesusos del ro en estudio, como por ejemplo, en actividades recreativas y depiscicultura.

3.2.2) Capacidad de Autodepuracin del Medio Acutico

Tal como se mencion en secciones anteriores, los contaminantes sufrendiferentes transformaciones fsicas, qumicas y biolgicas que tienen lugar en el medio acutico. Como resultado de estos procesos, la concentracin del contaminante primario en la columna de agua tiende a disminuir. La actividadbiolgica constituye uno de los mecanismos de mayor importancia en laautodepuracin de los cuerpos receptores hdricos; sus principales caractersticasse presentan a continuacin.

a) Cadena trfica acutica

La vida se origin y evolucion inicialmente en medio acuoso. Debido a su gran


3-36

capacidad solvente, el agua presente en la naturaleza contiene compuestosorgnicos e inorgnicos, suspendidos o disueltos, de origen biolgico y de origengeolgico. La cadena trfica en los ecosistemas acuticos es compleja einteracta con los componentes fsicos y qumicos del medio, de manera anlogaa los ecosistemas terrestres.

Los organismos auttrofos presentes en el agua absorben energa solar y la utilizan para sintetizar compuestos orgnicos a partir de molculas inorgnicas(CO2, NH4, NO2). En los ecosistemas acuticos, la mayor parte de la fotosntesisla realiza el fitoplancton, que sirve de alimento a los consumidores hetertrofos(principalmente el zooplancton). A su vez, los organismos hetertrofos consumenO2 y aportan CO2 al medio, como resultado de su actividad metablica, el cual esutilizado por los organismos fotosintticos acuticos.

A su vez, las bacterias, hongos y algas sirven de alimento para otros organismos,tales como protozoos, invertebrados, y peces. As, las diferentes especiesacuticas crecen y mueren, se alimentan las unas de las otras, de acuerdo a su posicin en la cadena trfica, en un equilibrio dinmico alterado slo por losazares de la naturaleza y por la actividad del hombre. La presencia de unavariada fauna acutica es muestra de un buen estado de salud del medioacutico.

b) Oxgeno Disuelto (OD)

Se denomina oxgeno disuelto al oxgeno contenido en el medio acuoso. El oxgeno del aire se transfiere a travs de la superficie y se disuelve en el agua (losprincipios fsicos que caracterizan este proceso se revisan en el Captulo 6).

La concentracin de oxgeno disuelto (OD) es uno de los indicadores del estadode salud del medio acutico. Un alto OD, cercano a saturacin, indica un ro conbajo contenido de materia orgnica biodegradable. Por otra parte, unaconcentracin de OD muy inferior a su nivel de saturacin indica la presencia de una carga orgnica superior a la capacidad de aireacin del sistema. Laconcentracin de OD vara con la profundidad, siendo mayor en la superficie; en el lecho de casi todos los cuerpos de agua lacustres existe una capa anxica enlos sedimentos.

En las aguas naturales, las dos fuentes fundamentales de oxgeno son:

el oxgeno atmosfrico del aire. el oxgeno producido por las plantas y otros organismos fotosintticos

presentes en el agua.

Una corriente de agua con alta capacidad de aireacin estar en condiciones depermitir una rpida descomposicin de los materiales orgnicos, por parte de los microorganismos aerobios presentes. Cualquier condicin que alterenegativamente la oxigenacin del agua contribuir a su deterioro. Por ejemplo, losslidos en suspensin y los contaminantes cromforos reducen la transmisin de


3-37

luz hacia los organismos fotosintticos de la columna de agua, con lo que sereduce la produccin de oxgeno; por otra parte, los slidos flotantes reducen elrea disponible para la transferencia de oxgeno desde el aire e interfierendirectamente sobre la luz que penetra a la columna de agua.

Cuando los nutrientes son utilizados aerbicamente, una parte se consume en la generacin de biomasa, aumentando as la poblacin microbial. Si se reduce lacantidad de nutrientes disponibles para el crecimiento celular, algunos microbiosmorirn y se desintegrarn. Normalmente, cuando los organismos acuticosmueren sus restos sedimentan y sufren descomposicin anaerbica. En los cuerpos de agua de cierta profundidad, existe una zona anxica en el fondo,donde los organismos anaerbicos metabolizan los compuestos orgnicosgenerados por la lisis de las clulas muertas.

c) Autodepuracin en la aguas

La actividad viviente le otorga a un cuerpo de agua una cierta capacidad deautodepuracin, ya que los compuestos orgnicos que se vierten en ste, sonconsumidos por los microorganismos hetertrofos. Como resultado de la actividadmetablica de los microorganismos, los compuestos orgnicos disueltos sontransformados en biomasa celular, en CO2 y en otros compuestos inorgnicossimples.

La capacidad de autodepuracin es altamente dependiente de la disponibilidad de oxgeno disuelto en el agua. El oxgeno es el reactivo esencial en los sistemasaerbicos. Cuando los organismos aerobios metabolizan, los nutrientes orgnicosconsumen al mismo tiempo el oxgeno disuelto. Los altos requerimientosmetablicos de oxgeno se contraponen con su baja solubilidad en el agua (laconcentracin de saturacin del oxgeno disuelto en agua, en contacto con el airea presin atmosfrica y temperatura ambiente, est en el rango 7-10 g/m3 ). Si lavelocidad de transferencia de oxgeno desde el aire hacia el seno del agua esmenor que la velocidad de consumo metablico de oxgeno, su concentracin enel agua disminuir gradualmente, hasta constituirse en un reactivo limitante en lasreacciones de oxidacin intracelular. La reduccin en la disponibilidad de oxgenoafectar, primeramente, a los organismos superiores de la cadena trfica. Elloprovocar un desbalance en el equilibrio poblacional, generando un aceleradoincremento de la cantidad de microorganismos en el cuerpo de agua. Comoconsecuencia de esto, el consumo de oxgeno aumenta, hasta llegar a generar un medio acutico anxico. Bajo tales condiciones, la actividad metablica aerbicase detiene, dando paso a vas metablicas anaerbicas.


3-38

ORGANISMOSFOTOSINTTICOS

ORGANISMOSHETERTROFOS

O2 CO2

N, P LUZ

COMPUESTOS ORGNICOS


3-39

FIGURA 3.8: CADENA TRFICA SIMPLIFICADA

BACTERIASHETERTROFAS

PROTOZOOS

INVERTEBRADOS

PECES

COMPUESTOSORGNICOSDISUELTOS

CO2

O2

FIGURA 3.9: CADENA TRFICA AERBICA


3-40

COMPUESTOSORGNICOS DISUELTOS

MICROORGANISMOSANAERBICOS

CH4 CO2 H2S NH4+ACIDOS ORGNICOS

ALCOHOLES, etc


3-41

FIGURA 3.10: ACTIVIDAD ANAERBICA

3.2.3) Modelos de Calidad de Agua

Es importante contar con herramientas de modelacin que permitan predecir elefecto de las descargas de contaminantes sobre la calidad de las aguasreceptoras.

Los contaminantes que se vierten en un cuerpo de agua se diluyen en el medio, atravs de mecanismos convectivos y advectivos, reduciendo as su concentracin.Mientras mayor sea el volumen dentro del cual se vierte el contaminante, menorser su concentracin en ste una vez que se diluya. La capacidad de dilucin deun ro, lago, o mar, depende entre otros factores de las caractersticas de lascorrientes acuticas, de la velocidad y turbulencia de los cursos, de la morfologadel cauce, etc.

Adems de su simple dilucin en el medio, los contaminantes vertidos puedensufrir transformaciones fsicas, qumicas y biolgicas complejas que tienen lugaren el agua:

Algunos de estos compuestos pueden ser transferidos a los sedimentos o alaire por cambio de fase (por ejemplo, volatilizacin, precipitacin, adsorcin).

Pueden sufrir cambios qumicos, por ejemplo, por degradacin biolgica, o porfotooxidacin o hidrlisis qumica.

Algunos compuestos entran en la cadena alimenticia, pero no sufrendegradacin ni excrecin y se pueden bioacumular en los diversoscomponentes biolgicos. Tal es el caso de algunos metales y compuestosorgnicos recalcitrantes (ej.: DDT).

Existen modelos matemticos para describir tales fenmenos con diferentesniveles de complejidad. Muchos de estos se encuentran disponibles en formagratuita en los ficheros electrnicos de la Agencia de Proteccin Ambiental (EPA)norteamericana (ej.: QUAL2E).

En trminos generales, la gran mayora de los modelos utiliza balances de masa(dinmicos o en estado permanente) para establecer las relaciones matemticasentre las diferentes variables. Normalmente, se requiere informacin acerca de las caractersticas fsicas y qumicas del cuerpo de agua y sus condicioneshidrodinmicas. En el caso de compuestos que se distribuyen en el aire, agua ysedimentos, se necesitan datos acerca de sus relaciones de equilibrio,solubilidades, presiones de vapor u otros.

En general, el balance de masa para una especie i considera los siguientes flujos:

Entrada de i Salida de i Consumo de i + Generacin de i = Acumulacin de i


3-42

La expresin para el consumo de i depende del fenmeno responsable de ladesaparicin del compuesto (degradacin qumica o biolgica, cambio de fase).Comnmente, la velocidad de consumo de un compuesto, rC , se aproxima a unacintica de primer orden:

rC = k [C]

donde [C] es la concentracin de la especie en el medio y k es la constantecintica de primer orden. En el caso de aquellos contaminantes que se generanproducto de la actividad en el medio acutico (por ejemplo, formacin debacterias), se utilizan expresiones de primer orden similares para describir su tasade crecimiento (sin el signo negativo).

La Tabla 3.7 ilustra algunos valores de constantes cinticas de primer orden paravarios compuestos orgnicos de inters, debido a su alta toxicidad (a modo dereferencia, se presentan los correspondientes valores para su descomposicin enaire).

TABLA 3.7: CONSTANTES CINTICAS PARA DEGRADACIN (1er ORDEN)DE COMPUESTOS ORGNICOS EN AGUA Y EN AIRE 6

COMPUESTOS ORGNICOS k Agua (da1)

k Aire (da1)

Benceno 0,1-0,7 0,7Benzopireno 2,5 0,1-0,7Tetracloruro de carbono 0,002-2,3 9 105

Clordano 0,001 0,02Cloroformo 0,02-2,3 0,01DDT 0,001-0,01 -Dicloroetano 0,1-0,7 0,02Formaldehdo 0,2-0,8 0,9Heptacloro 0,7 0,02Hexacloroetano 0,07-0,6 9 105

Bifenilos policlorados (PCB) 0,05-0,3 0,01Dioxina (2,3,7,8 TCDD) 9 104 2 103 -Tricloroetano 0,1-4,9 4 104 9 104

Tricloroetileno 0,008-0,7 0,2Cloruro de vinilo 0,1-0,7 0,6

Los amplios rangos de variacin en algunos casos reflejan diferentes condicionesambientales de temperatura, luminosidad y biota existentes en el medio acutico.

6 Adaptado de Masters G.M., Introduction to environmental engineering and science, 2 ed., Prentice-Hall International Editions, London, 1998


3-43

Para el caso de un ro de morfologa sencilla, es comn utilizar un modelo simpledonde se supone un flujo pistn. En el caso de una descarga puntual y continua,la solucin en estado estacionario permite obtener el perfil axial de concentracin,aguas abajo de la descarga:

v/xkeCC 0

Donde:

[C] = concentracin de contaminante disuelto en el ro, x (m) aguas abajo dela descarga (mg/l)

[C]0 = concentracin de contaminante disuelto en el ro, en el punto dedescarga, considerando que el vertido se mezcla instantneamente con elro (mg/l)

k = constante cintica de 1er orden para el consumo de contaminante (da1)x = distancia desde el punto de descarga, en direccin aguas abajo (m) v = velocidad media del ro (m/s)

En el caso de las descargas de material orgnico biodegradable, interesa predecirsu efecto sobre la concentracin de oxgeno disuelto. Uno de los primerosmodelos para predecir tal efecto en los cuerpos fluviales fue presentado porStreeter y Phelps en 1925. Dicho modelo considera el ro como un reactor de flujopistn, y establece un balance para el oxgeno disuelto y el materialbiodegradable, bajo condiciones de estado estacionario. En el caso del balancede oxgeno, se incluye la entrada de oxgeno por transferencia desde el aire,tambin expresada por un modelo de primer orden. En versiones posteriores, se toma en cuenta, adems, el aporte de oxgeno por va fotosinttica. La solucinanaltica del modelo de Streeter y Phelps para una descarga puntual y continua,permite estimar la concentracin de oxgeno disuelto a lo largo de un ro:

)/(022)/()/(022 vxkSATvxkvxkDA

DSAT

AAD eOOeekkCk

OO

donde:

[O2] = concentracin de oxgeno disuelto en el ro a x (m) aguas abajo de ladescarga (mg/l),

[O2]0 = concentracin de oxgeno disuelto en el ro, inmediatamente aguasarriba de la descarga (mg/l)

[O2]SAT = concentracin de saturacin de oxgeno disuelto en el ro, a latemperatura media del agua (mg/l)

[C]0 = concentracin de material orgnico disuelto en el ro, en el punto dedescarga, considerando que el vertido se mezcla instantneamente con elro. Est expresada como Demanda Biolgica de Oxgeno, DBO5 (mg/l)(este concepto se explica en detalle en la seccin 6.2.2)

kA = constante cintica de primer orden para la transferencia de oxgenodesde el aire (aireacin) (da1)

kD = constante cintica de primer orden para el consumo de oxgeno por


3-44

accin metablica (da1)Como resultado de los fenmenos de consumo biolgico de oxgeno y reposicinfsica de ste, se presenta un perfil axial tpico de concentracin de oxgenodisuelto aguas debajo de una descarga de material orgnico biodegradable (ver la Figura siguiente):

Inicialmente, la alta demanda biolgica de oxgeno impuesta por la descargade material orgnico tiende a reducir la concentracin de oxgeno disuelto enel ro. Si dicho efecto es mayor que la velocidad de aireacin del ro, laconcentracin de oxgeno disuelto disminuir sostenidamente.

La ecuacin de Streeter y Phelps demuestra que la concentracin de materialorgnico disuelto disminuye gradualmente a medida que nos alejamos delpunto de descarga, lo que implica tambin una reduccin de la velocidad deconsumo de oxgeno.

Cuando la velocidad de consumo de oxgeno alcanza el mismo nivel que lavelocidad de aireacin del ro, la concentracin de oxgeno disuelto llega a suvalor mnimo, y comenzar a aumentar gradualmente a partir de dicho punto crtico.

Aguas abajo del punto crtico, la velocidad de consumo de oxgeno es menorque la velocidad de aireacin y, eventualmente, la concentracin de oxgenodisuelto en el ro alcanzar su valor de saturacin.

El punto de mximo impacto, x*, donde se constata la concentracin de oxgenodisuelto mnima en el ro, [O2]MIN , debido a la descarga de material orgnico, sepuede estimar en base a:

0

022* 1lnCk

kkOOkk

kkvx

D

DASAT

D

A

DA

La concentracin mnima de oxgeno disuelto debido a la descarga se obtienereemplazando el valor de x* en la ecuacin de Streeter-Phelps

A pesar de ser un modelo muy simplificado, permite obtener resultados quepueden ser utilizados como una primera aproximacin en la prediccin del impactocausado por una descarga de material orgnico.

La constante cintica de primer orden para la degradacin biolgica del materialorgnico disuelto, kD ,est dentro del rango 0,1 - 0,7 (da1), dependiendo del tipode material orgnico, de las caractersticas de la biota bacteriana y de la temperatura del agua.

Por su parte, la constante de aireacin, kA, depende de las caractersticas delsistema hdrico y de la temperatura. Esta constante es mayor en aquellos ros quepresentan una alta velocidad y gran turbulencia superficial. Algunos valorestpicos obtenidos de literatura se presentan el la Tabla 3.8:


3-45

TABLA 3.8: CONSTANTES DE AIREACIN (1er ORDEN) PARA DISTINTOSCUERPOS DE AGUA.

TIPO DE CUERPO DE AGUA CONSTANTE DE AIREACION, DE 1er ORDEN, kA (da1)

Lagunas 0,1-0,2Lagos de mayor tamao 0,2-0,3Ros de baja velocidad 0,3-0,5Ros con velocidad normal 0,5-0,7Ros rpidos y con cadas de agua 0,7-1,5

Existen varios modelos para predecir la constante de aireacin, kA. Se puedeutilizar la frmula de O`Connor y Dobbins :

2/3

2/19,3pvkA

donde p es la profundidad media del ro en (m), v es la velocidad media en (m/s) ykA se expresa en (da1) a 20C.

RO

DESCARGA DE EFLUENTE

x = 0

v (m/s) [O2]0

x (m)

X , POSICIN AGUAS ABAJO (m)

Punto de mximo impacto

[O2]SAT

[O2]0

[O2]MIN

[O2] [C]

x*

FIGURA 3.11: EFECTO DE UNA DESCARGA DE MATERIAL ORGNICOBIODEGRADABLE, SOBRE EL OXGENO DISUELTO EN UN RO.


3-46

3.3) CONTAMINACIN DEL SUELO

3.3.1) Principales caractersticas del suelo:

El suelo constituye el soporte material y la fuente de alimentos para al desarrollode los seres vivos que habitan en l. El suelo es una mezcla variable de partculasminerales, material orgnico, agua y aire. Se origina debido a la desintegracinfsica de las rocas subyacentes, en un proceso de erosin muy lento,disgregndose en pequeos fragmentos. Los cambios de temperatura y pHayudan al desarrollo de este proceso dinmico, cuyo resultado final es la liberacinde los diferentes nutrientes requeridos para el crecimiento de las plantas y otrosorganismos que habitan all.

Los residuos orgnicos generados por la actividad viviente se van mezclando conlos componentes originales del suelo, incrementando el contenido orgnico deste. Un suelo maduro se forma despus de cientos de aos en que los diferentesprocesos fsicos, qumicos y biolgicos logran un contenido de materia orgnicasignificativo, mezclado con las finas partculas provenientes de la roca madre. Los espacios entre las partculas estn llenos de agua y gases. La porosidad y latextura del suelo son caractersticas fundamentales y determinan la disponibilidadde nutrientes para las plantas y animales del suelo.

Una composicin tpica del suelo, muestra un contenido de slidos deaproximadamente 50% en volumen, mientras que el resto es una mezcla de aguay aire. Lejos de tener una estructura homognea, existe un perfil vertical decomposicin qumica y estructura fsica que, en forma simplificada, puedeconsiderarse compuesto por:

En la zona superior, de un espesor que en general es de unos pocoscentmetros, se encuentra la mayor fraccin de materia orgnica (llamadohorizonte A). Consta de los restos de plantas y otros organismos que estnsiendo lentamente degradados a materia orgnica finamente dividida, en unproceso de formacin de humus, a travs de la accin de microorganismossaprfitos (bacterias y hongos) y de artrpodos. Su espesor es de unos pocoscentmetros, usualmente en el rango de 5 a 25 cm, con un contenido decarbono orgnico entre 1 y 6%. En suelos maduros, este horizonte presentaestratos que reflejan diferentes grados de progreso en el proceso dedegradacin de los organismos muertos.

Bajo la capa superior se encuentra el horizonte B o subsuelo, formado por los productos de las alteraciones de las rocas, adems de material orgnico ymineral que lixivia desde la zona superficial. Adems, se encuentrancompuestos inorgnicos que se han derivado de la descomposicin de lamateria orgnica. Su espesor est en el rango 30 a 100 cm.

La capa ms profunda, llamada horizonte C, est formada por materialdisgregado procedente del fondo rocoso, con un alto contenido mineral. En


3-47

muchos casos esta materia madre pudo haber sido transportada desde otrossitios por gravedad (depsitos coluviales), por las aguas (depsitos aluviales),por glaciares (depsitos glaciales) o por vientos (depsitos elicos). Los suelostransportados suelen ser muy frtiles, como lo demuestran las ricas tierrasagrcolas en las zonas de delta de los grandes ros. Su espesor puede llegarhasta unos 30 m de profundidad.

El espesor y las caractersticas de cada horizonte, dependen de las condicionesclimticas y de las distintas situaciones topogrficas. En las praderas, la formacin de humus es rpida, mientras que la mineralizacin es lenta, ya que lospastos tienen una vida muy corta, acumulndose grandes cantidades de materiaorgnica que se pudre y humifica con rapidez. En los bosques, en cambio, lashojas y races se degradan con mayor lentitud, pero la mineralizacin es msrpida, por lo que la capa de humus es delgada.

Los suelos con pendientes pronunciadas, tienden a tener horizontes A y B muydelgados debido a la erosin. Por su parte, en las tierras con mal drenaje, el agualixivia con rapidez los materiales y los lleva a capas ms profundas, donde precipitan formando una capa dura de mineral impenetrable para las races de las plantas, para los animales o el agua.

En promedio, el agua constituye alrededor de 20 a 30% en volumen de lacomposicin del suelo y se encuentra ligada a las partculas que estn en la zonasuperior del suelo, o bien como agua libre en las zonas inferiores (es decir, aguasubterrnea). Se debe tener presente que el contenido de agua del suelo puedevariar significativamente desde una condicin casi seca hasta la saturacin,dependiendo de las condiciones climticas. Por otra parte, el aire contenido en elsuelo se encuentra en pequeos poros existentes en los horizontes A y B, con un significativo contenido de CO2 y alrededor de 15% de O2, producto de la actividadrespiratoria de los microorganismos del suelo. Una parte importante del CO2generado se disuelve en el agua del suelo, acidificndola; ello contribuye a ladisolucin de algunos carbonatos presentes en el subsuelo, principalmente,CaCO3. En los horizontes ms profundos, la ausencia de O2 favorece el desarrollo de los procesos anaerobios que generan CH4, H2S, CO2 y cidos orgnicos.

Las partculas inorgnicas del suelo, principalmente aquellas de unos pocos m,presentan una gran rea superficial para adsorber agua y nutrientes.Generalmente, las partculas ms pequeas estn compuestas por arcillas (esdecir, xidos de silicio y aluminio hidratados). Los iones metlicos, como el Ca+2,K+, Na+, Mg+2 y otros iones esenciales, que estn presentes en las partculas delsuelo, son liberados cuando se encuentran presentes iones H+, en un proceso deintercambio inico que es muy importante en el suministro de iones para las plantas. Los principales minerales que componen el suelo son silicatos que provienen de la disgregacin de las rocas gneas y metamrficas. Otros mineralesque tambin se encuentran en grandes proporciones son los xidos de fierro,xidos de manganeso, titanio, aluminio, zinc, etc., y los carbonatos (principalmentede calcio).


3-48

ingeneiria ambiental aplicacion

Documents

Transcript of ingeneiria ambiental aplicacion