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CARACTERÍSTICAS DE LAS AGUAS NATURALES
- (^) El agua siempre contiene: Impurezas, Origen Natural, Calcio, Magnesio.
- Puede contener: Contaminantes, Antrópico, Amonio, Nitrito, Nitrato.
- En Ing. Ambiental el agua es de interés central por sus diversas formas y usos, como: Agua dulce superficiales de ríos, lagos y agua subterráneas usadas para producir agua potable.
- Aguas dulces superficiales:
-Empleadas en la pesca y otros hábitats faunísticos -Usadas en descargas líquidas antrópicas y subterráneas usadas para riego -Usadas para recreación -Usadas para navegación
- La aceptabilidad del agua para su uso definidos depende de sus propiedades físicas, químicas y biológicas y a veces en si estas propiedades pueden ser modificadas para ajustarse a un uso definido
- Las aguas naturales contienen sustancias suspendidas y disueltas de origen orgánico y mineral.
- Ingresan al agua mediante precipitación atmosférica y del suelo que esta en contacto con el agua
- Plancton: son las plantas y animales suspendidos en el agua.
- Bentos: organismos que habitan el fondo de los cuerpos de agua.
- Las aguas subterráneas contienen principalmente sustancias disueltas.
- Las aguas superficiales son ricas en material suspendido
- Clasificación:
Por su origen: -Aguas atmosféricas (precipitación) -Subterráneas (pozos, manantial) -Aguas superficiales (ríos, lagos, océanos)
Cantidad y carácter de las impurezas: -Agua dulce -Agua clara -Agua turbia -Agua salada -Agua incolora -Agua coloreada, -Agua suave -Agua opalescente -etc.
Por su uso: -Agua potable -Agua doméstica -Agua técnica (industrial) -Agua de enfriamiento -Agua medicinal (agua mineral)
- La composición de las aguas naturales varía con el tiempo: -El material mineral suspendido y orgánico sedimenta gradualmente por gravedad -Parte de la materia orgánica es consumida como alimento por los organismos. -Los procesos químicos y biológicos que ocurren destruyen las sustancias orgánicas fácilmente oxidables -Formación de hidróxidos de Fe, Mn y Al y los enlaces de los coloides del agua por estos hidróxidos afectan la composición.
- Contaminantes: De acuerdo a sus propiedades físico-químicas se clasifican en 3 grupos: -Primer Grupo: -Sustancias que se disuelven completamente en el agua. Están presentes como moléculas separadas o iones. -Este tipo de agua NO puede distinguirse del agua absolutamente pura. -Las impurezas pueden detectarse únicamente por análisis químicos. -Pueden contener soluciones de muchos gases (O 2 , N 2 , CO 2 , H 2 S, etc.), sales solubles (Na, K, Ca, H 4 N, Mg, Al, Fe, Mn, etc.).
-Metales pesados y sustancias orgánica varias provenientes de aguas residuales industriales. -Las impurezas disueltas no son retenidas por los filtros de arena o papel o ningún otro filtro común.
-Segundo Grupo: -Forman sistemas coloidales con el agua, consisten en moléculas agregadas.
-Tercer Grupo : -Forman suspensiones con el agua. Son partículas de arena, arcilla y materia orgánica que son llevadas desde el suelo por el agua de lluvia. -Los contaminantes de este tipo se sedimentan y son retenidas por filtros de papel y parcialmente por los de arena.
PROPIEDADES FÍSICAS DEL AGUA
- Color: -Se debe a los minerales disueltos, colorantes o ácidos húmicos de las plantas. -Descargas coloreadas. -Presencia de hierro, magnesio, plancton.
Color verdadero Se mide en una muestra de agua pasada a través de un filtro de 40 μm, por lo que es una medida del color impartido por los constituyentes disueltos. Producido por sustancias disueltas o coloidales que permanecen en el filtrado.
Color aparente Está dado por los compuestos coloreados en solución junto con materia suspendida coloreada. Se mide en muestras no filtradas.
- Turbidez: -Se debe a materia suspendida que dispersa y absorbe la luz -En los lagos es debida a suspensiones coloidales o finas -En lagos muy claros la luz puede penetrar a grandes profundidades (disco Secchi). -Condiciones de eutrofización pueden aumentar la turbidez -La turbidez puede ser correlacionada con los sólidos suspendidos -Importancia para la salud: Estéticamente poco atractivo. Puede proporcionar alimento y refugio para los agentes patógenos. Si no se elimina, la turbiedad puede promover el recrecimiento de los agentes patógenos en el sistema de distribución, dando lugar a brotes de enfermedades transmitidas por el agua
- Olor: -Inodora -Muchas sustancias orgánicas e inorgánicas poseen olor incluyendo las algas. -Sulfuro de Hidrógeno es maloliente.
- Sabor: -Puede deberse a microrganismos o algas en descomposición. -Altas concentraciones de sales como Ca+2^ y Mg +2.
- Temperatura: -Importante en lagos y aguas salinas -Afecta su densidad -Grandes gradientes de temperatura puede producir estratificación
-Composición de especies del ecosistema acuático. Muchas especies acuáticas pueden sobrevivir sólo dentro de un rango de temperatura limitado.
-Densidad y estratificación del agua. El agua es más densa a 4ºC. Las diferencias en la temperatura del agua y la densidad entre capas de agua en un lago conducen a la estratificación y a la rotación estacional.
-Indicaciones ambientales para las etapas de la vida. Los cambios en la temperatura del agua pueden actuar como una señal para que surjan insectos acuáticos o para que los peces desoven. -La mayor fuente de calor en los cuerpos de agua es el sol, pero puede ser afectada por la lluvia, escorrentías. -La temperatura fluctúa entre el día y la noche y sobre largos períodos de tiempo (épocas). -Varía a lo largo de un río por las latitudes y elevaciones, pero puede variar entre pequeñas secciones dependiendo de las condiciones (profundidad).
- Sólidos: -Es otro de los parámetros más importantes, la cantidad, tamaño y tipo de sólidos depende del agua especifica:
La temperatura afecta las tasas fotosintéticas de diferentes algas.
El gráfico muestra la tasa de crecimiento de bacterias en función de la temperatura. Observe que las
Estratificación de lagos: las diferentes capas están separadas por termoclinas o gradientes de temperatura.
-Aguas residuales domésticas no tratadas puede contener materia orgánica particulada, desechos de alimentos de tamaño en el rango de mm -Agua potable purificada puede contener partículas del tamaño en el rango de 10 - -Un lago puede tener partículas en el rango de 10- -Un reservorio eutrofizado materia particulada en el rango de mm. -Existen algunas clasificaciones de los sólidos en agua y aguas residuales
-A los sólidos se los clasifica de la siguiente manera: -Sólidos Totales, ST -Sólidos Suspendidos, SS -Sólidos Totales Disueltos, STD = TS – SS -Sólidos Totales Volátiles, STV
- Sólidos Volátiles Suspendidos, VSS
- Sólidos - Sólidos Totales, ST. -De una muestra de agua es todo el residuo remanente después de evaporación a 105 °C. -Se emplea para investigaciones del diseño de un tanque de sedimentación para el tratamiento de aguas y aguas residuales
- Sólidos - Sólidos sedimentables.
Clasificación de los sólidos encontrados en el agua y aguas residuales
Clasificación por tamaño de partícula de los sólidos
encontrados en el agua y aguas residuales
- Nutrientes -Tienen importancia en aguas / aguas residuales el nitrógeno y el fosforo. -Son esenciales para el crecimiento de plantas y organismos, en exceso pueden ser indeseables.
-Nitrógeno -Componente básico de las proteínas, es empleado por los productores primarios en la producción celular. -Las formas de interés son N 2 , NH 3 , NO 2 -^ y NO 3 -. -Plantas fijan N 2 y lo convierten en nitratos -Animales utilizan la forma orgánica -Componente básico de las proteínas, es empleado por los productores primarios en la producción celular. -Las formas de interés son N 2 , NH 3 , NO 2 -^ y NO 3 -. -Plantas fijan N 2 y lo convierten en nitratos -Animales utilizan la forma orgánica -Componente básico de las proteínas, es empleado por los productores primarios en la producción celular. -Las formas de interés son N 2 , NH 3 , NO 2 -^ y NO 3 -. -Plantas fijan N 2 y lo convierten en nitratos -Animales utilizan la forma orgánica -La transferencia se debe a gradientes de concentración (desde conct altas de un lado de las branquias, interno, a una baja concten la superficie externa -Transferencia disminuye a medida que la magnitud del gradiente decrece -Concentración externa se incrementa = liberación lenta = mayor nivel de amoniaco en la sangre. -En el proceso de tratamiento de lodos de digestión anaeróbica, valores > 50 mg NH 3 -N/L son toxicas para las bacterias
metanogénicas. -NH 3 y NH 4 +^ existen en equilibrio químico , este depende de la temperatura y pH del agua -Si el pH del agua cae , > iones H +^ , NH 3 tenderá a combinarse con estos llevando el equilibrio hacia NH 4 +^ ionizado
NH 3 + H+^ = NH4+ -El amonio ionizado puede ceder un protón si el pH se incrementa formando amonio libre NH 4 +^ = NH 3 + H +
-El incremento de una unidad de pH incrementa la conct de NH 3 en 10 veces.
-Fosforo -Importante en ambientes acuáticos. En agua dulce es el nutriente limitante en la eutrofización. -Fue introducido en los detergentes en 1935 y es un componente clave de los fertilizantes. -Esta presente en todos los organismos vivos, importante para la actividad celular. -Los fosfatos presentes en aguas superficiales provienen del desgaste de rocas, erosión del suelo, aguas residuales municipales, aguas residuales industriales, escorrentías agrícolas y precipitación atmosféricas. -Con aplicaciones de 30 kg P/ha las tasas de perdida son de 0.1 a 5%, dando concentraciones pérdidas de 0,03 a 1.5 kg/ha -Concentración típicas en aguas residuales afluentes varían entre 15 a 50 mg P/L. -Precipitaciones atmosféricas sobre la tierra contribuyen con 0.01 y 1.43 mg P/L. -Los compuestos de P más comúnmente encontrados en agua son: Fosfato tri sódico PO 4 Na 3
Fosfato acido disódico PO 4 HNa 2 Fosfato diácido de sodio PO 4 H 2 Na (^2)
Fosfato acido de diamonio PO 4 H(NH 4 ) (^2) Polifosfatos : Hexametafosfato de sodio (PO 3 ) 6 Na (^2)
Tripolifosfato de sodio PO 3 O (^) 10Na 3
Polifosfato de sodio P 2 O 7 Na (^4)
- Propiedades generales -Las propiedades ampliamente usadas cuando se trata de calidad de agua sea agua potable, aguas residuales, aguas de río son: -pH -Alcalinidad y acidez -Dureza -Conductividad
- Ácidos y bases -Planteamiento de Arrhenius -ÁCIDO (H +^ ): Una sustancia que al disociarse en agua genera iones hidrógeno (H +^ ) es un ÁCIDO -BASE (OH-): Una sustancia que al disociarse en agua genera iones hidroxilo (OH - ) es una BASE
- Teoría de Brønsted-Lowry: 1923, J. N. Brønsted en Dinamarca y T. M. Lowry en Gran Bretaña propusieron que: -Un ácido es un donador de protones -Una base es un aceptor de protones
- Iones hidrógeno o iones hidronio: Cuando un átomo de hidrogeno pierde (dona) su electrón solo queda el protón (ion H +^ )
-El ion H+^ es muy reactivo
-Las soluciones ácidas no contienen simples H +
La idea esencial de Arrhenius era que una reacción de neutralización involucra la combinación de iones hidrógeno e hidroxilos para formar agua.
-Reacciones de los ácidos con los sulfuros metálicos
-Autoionización del agua
Una molécula de agua que actúa como ácido dona un protón a otra molécula que actúa como base
-En 1909 propuso utilizar el número del exponente para expresar la acidez.
-Más tarde se la nombró como la escala de pH (poder de Hidrógeno)
-pH es el logaritmo negativo de la concentración de iones Hidrógeno [H+^ ]
-Por cada número entero que el pH cambie, la fuerza de las propiedades alcalinas o ácidas del agua cambiará por
un factor de 10 veces
-El agua que cambia de pH 9 a pH 10 será 10 veces más alcalina
-El agua a pH 5 es 10 veces más ácida que el agua a pH 6
- Calculo del pH - Conociendo la concentración del ión hidronio en moles/L se puede calcular el pH de una solución acuosa
- Calculo de concentración de ion Hidronio a partir del pH
-Es un parámetro usado en el agua potable.
-Se expresa en mg/L como CO 3 Ca
-Dureza de carbonatos o dureza temporal esta forma es eliminada a ebullición prolongada
-Es la medida de la habilidad de una solución acuosa para transportar una corriente eléctrica.
-Esta es conducida en la solución por el movimiento de los iones
-Mientras mayor el numero de iones (sales disueltas) mayor la movilidad iónica y así mayor la magnitud de conductividad.
-El agua químicamente pura no conduce la electricidad ya que los únicos iones presentes son H +^ y OH-
-El agua químicamente pura no conduce la electricidad ya que los únicos iones presentes son H +^ y OH-
Conductividad agua muy pura = ~ 0.05 μS/cm
Conductividad agua de mar = ~ 40 000 μS/cm
-La conductividad se debe a la disociación de los compuestos inorgánicos ya que los orgánicos se disocian poco
-Son sustancias naturales, han estado presentes en la tierra desde su formación
-Se convierten en contaminantes cuando la actividad humana los libera de las rocas donde se encuentran y los reubica en situaciones donde pueden causar daño ambiental
-Son no biodegradables, no pueden se descompuestos en componentes menos dañinos.
-Todos los organismos vivos requieren para su adecuado crecimiento elementos como Ca, P, K, Mg, ClNa y S
13 Elementos traza: Fe, I, Cu, Mn, Zn, Co, Mo, Se, Cr.
-No esenciales: Hg, Cd, Pb.
-Metales como el Cu y Zn de las aguas residuales se unen a los sedimentos de los estuarios.
-Se concentran en los moluscos filtradores.
-El comportamiento del metal dependerá mucho de la forma en que se encuentre:
- Adsorbido a superficies
- Como partícula solida orgánica
- Cubriendo partículas de residuos
- Formas cristalinas o precipitadas
-Lo mas importante es que el contaminante debe estar biodisponible (accesible a la biota) antes de que pueda
causar problemas.
-Problemas causados por contaminación ambiental debido al inadecuado manejo de desechos industriales por
corporaciones Japonesas; Minamata, Niigata, Itai – itai.
Propiedades Químicas Orgánicas del agua
- Propiedades químicas orgánicas del agua
-Sustancias orgánicas pueden ser naturales o artificiales.
-Se consideran contaminantes Si están presentes en el agua sea naturales o artificiales.
-El objetivo del tratamiento de aguas/aguas residuales es reducir estos compuestos mediante procesos de tratamiento biológico, físico o químico.
- Se las divide en 4 grupos dependiendo de su estructura química:
-Hidrocarburos. Compuestos orgánicos que solo contienen C e H, e.g. etano (CH 3 CH 3 ), benceno (C 6 H 6 ).
-Compuestos halogenados. Compuestos orgánicos donde un halogenado (fluoruro, cloruro, bromuro, ioduro) es el átomo principal
-Ácidos carboxílicos y esteres compuestos orgánicos construidos alrededor del grupo carboxilo (C=O) y otros con 2 grupos funcionales adosados a un átomo de oxigeno
-Otros compuestos orgánicos
-Sustancias húmicas de la descomposición de la materia vegetal, hojas, etc.
-Efluentes orgánicos de las petroquímicas
-Clorofila y algas
-Sustancias orgánicas sintéticas, compuestos orgánicos clorinados (bencenos clorinados) dioxinas, HAPs.
-Pueden ser descargados por las aguas residuales industriales o formarse por la reacción del cloro con los compuestos orgánicos en el ambiente acuático.
-De mucha preocupación es la reacción del Cl 2 con los compuestos orgánicos en el agua
-Elemento esencial para la vida de animales y plantas
-Es 30 veces menos abundante en el agua (~10 mg/L) que en el aire, puede ser un factor limitante
-Moderadamente soluble en agua que depende de un complejo grupo de condiciones : presión atmosférica, presión hidrostática, turbulencia, temperatura salinidad.
-Las mayores fuentes de O 2 son la atmosfera y la fotosíntesis
-Se puede expresar tanto en
-: mg/L cantidad de O 2 en 1 L de agua
-% de saturación cantidad de O 2 en 1 L de agua relativo a la cantidad total de O 2 que el agua puede mantener a esa temperatura
-Conct de saturación se alcanza rápido en la interface aire-agua
-Conct de O 2 en constante estado de flujo diario (respuesta biótica consumo/producción) y temporal (respuesta climática y flujo)
-La temperatura afecta la solubilidad mas que ninguna otra condición física en el ambiente acuático
-Relación no lineal ya que la solubilidad se incrementa en el agua fría
-El agua dulce es saturada con 14.6 mgO 2 /L a 0 °C, decae a 8.3 mgO 2 /L a 25 °C a nivel del mar.
-La cantidad de oxigeno y otros gases presentes en el agua están condicionadas por:
-La solubilidad del gas
-La presión parcial del gas en la atmosfera
-Temperatura
-La pureza del agua (salinidad, sólidos en suspensión, etc.)
**6 CO 2 + 12 H 2 O --------->C 6 H 12 O 6
-Principal fuente en estrato superficial es la fotosíntesis
-La reacción fotosintética simplificada es:
-Transferencia de C a carbohidrato, el agua es oxidada a O 2
-Influencias antropogénicas adicionan materia orgánica
-El agotamiento de O 2 en aguas receptoras es un indicador de necesidad de tratamiento de aguas residuales
-Desechos conteniendo nutrientes y/o C pueden intensificar o agotar los niveles de O 2
-Muerte, descomposición y consumo de O 2
-Muchas especies tienen estrechos rangos de tolerancia y sobreviven en niveles muy altos (> 10 mg/L) ej. salmón y trucha
-Otros tienen rangos más amplios y pueden sobrevivir a niveles más bajos (> 6 mg/L)
-Diferencias en tolerancia de O 2 en animales invertebrados se han usado para el desarrollo de índices bióticos para identificar y monitorear contaminación orgánica y calidad del agua
-Cualquier perturbación que reduce los niveles de O 2 tiene efectos dramáticos en el funcionamiento de las comunidades y ecosistemas de aguas dulces
-Sistemas de agua dulce están dominados por lo macro invertebrados : larvas de insectos, camarones y gusanos
-Estos descomponen la materia orgánica que entra a las aguas, este proceso se sustenta en el O 2
Demanda Bioquímica de Oxigeno DBO 5
-Aguas residuales crudas = 300 – 400 mg/l DBO
-Algunos desechos industriales = > 1000 mg/l DBO
-Estos valores de DBO pueden conducir a la deoxigenación y crear condiciones anaeróbicas con producción de
SH 2
-Generalmente hay incremento de bacterias y virus de origen fecal asociado con aguas residuales, muchas de ellas
patogénicas
- Limitaciones de la prueba:
-El periodo arbitrario de 5 días no corresponde al momento en que haya consumido todo el residuo
-Necesidad de aclimatar bacterias que sirvan como inoculo
-Potencial aumento en la demanda por efectos de nitrificación
-Baja reproducibilidad
-Valores < 2 o con más de dos cifras significativa son sospechosos
- Las mediciones de la DBO son empleadas para:
-Determinar las cantidades aproximadas de O 2 necesario para reaccionar con la materia orgánica.
-Determinar las medidas de las instalaciones de tratamiento de aguas residuales.
-Medir la eficiencia de algunos procesos de tratamiento.
-Determinar el cumplimiento con las normas de descargas de aguas residuales.
- Desventajas de las mediciones de DBO:
-Largo periodo de bioensayo
-Dependiente de microorganismos
-Muy laborioso
-No es apropiado para compuestos orgánicos complejos (lignina)
-Sesgos en los procedimientos y los resultados no son consistentes
Calculo de la Demanda Bioquímica de Oxígeno (DBO 5 )
- En el ensayo de la DBO existen 2 etapas de descomposición:
-Etapa carbonacea
-Etapa nitrogenacea
- Etapa carbonacea o primera etapa, representa la porción de demanda de O 2 involucrada en la conversión del C
orgánico a CO 2.
- Etapa nitrogenacea , o segunda etapa, representa una demanda combinada de la carbonacea y nitrogenacea,
cuando el nitrógeno, amonio y nitritos son convertidos a nitratos. Esta generalmente se inicia luego de ~ 6 días.
-El método de dilución se realiza colocando varias porciones crecientes de la muestra en botellas y luego llenar las botellas con agua de dilución. -El agua de dilución contiene una cantidad conocida de O2 y una porción de nutrientes inorgánicos y un buffer de pH. Las botellas se llenan completamente, libres de burbujas de aire, selladas y se dejan durante cinco días a una temperatura controlada de 20°C en la oscuridad. Durante este período, las bacterias oxidan la materia orgánica utilizando el oxígeno disuelto presente en el agua. Al final del período de cinco días, se mide el oxígeno disuelto restante. La relación de oxígeno consumida durante los cinco días y el volumen de la muestra se usa para calcular la DBO. -La muestra de agua residual es diluida con agua de dilución y colocada en una botella herméticamente cerrada. -Medir la concentración de O 2 al día 0 y nuevamente al día 5, la diferencia en OD es la DBO 5.
-El método estándar emplea botellas para DBO de 300 ml y la incubación es llevada a 20°C por 5 días en ambiente sin luz. -Diluciones de 1, 5, 10, 20, 50, 100, etc. -Los pasos en el laboratorio la medición de DBO son:.
- Medir una porción de muestra de agua residual en una botella de DBO de 300 mL
- Adicionar organismos semilla (sembrar), si es necesario
- Llenar la botella con agua de dilución aireada
- Medir el O 2 disuelto inicial (OD)
- Incubar la botella a 20° C por 5 días en la oscuridad (para determinar la DBO 5 )
- Medir el OD final
- Calcular la DBO 5
Preparación del agua de dilución:
