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Calidad del Agua: Evaluación y Diagnóstico

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Calidad del Agua: Evaluación y Diagnóstico

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Calidad del Agua: Evaluación y Diagnóstico

  1. 1. ediciones de la CALIDAD DEL AGUA – Evaluación y diagnóstico – Carlos Alberto Sierra Ramírez M.Sc. Water Resources Engineering George Washington University
  2. 2. CALIDAD DEL AGUA – Evaluación y diagnóstico – 1a edición 2011 © Universidad de Medellín © Ediciones de la U © Carlos Alberto Sierra Ramírez ISBN: 978-958-8692-06-7 Editor: Leonardo David López Escobar Dirección electrónica: ldlopez@udem.edu.co Universidad de Medellín. Medellín, Colombia Cra. 87 No. 30-65. Bloque 20, piso 2. Teléfonos: 340 52 42 - 340 53 35 Medellín - Colombia Distribución y ventas: Universidad de Medellín E-mail: selloeditorial@udem.edu.co www.udem.edu.co Cra. 87 No. 30-65 - Teléfono: 340 52 42 Medellín, Colombia Ediciones de la U www.edicionesdelau.com Calle 24 A No. 43-22 - Quinta Paredes PBX: (57-1) 4-810505 Ext.114 Fax: (57-1) 3-440351 Bogotá, Colombia Fotografía portada: Diego Arango Bustamante Quebrada La Presidenta, Parque Comercial El Tesoro Diagramación: Hernán D. Durango T. hernandedurango@gmail.com Impresión: Digiprint Editores E.U. Cl. 63 Bis No. 70-49 Fax: 224 2061 Tels.: 251 7060 - 430 7050 Bogotá, D.C. Colombia Todos los derechos reservados. Esta publicación no puede ser reproducida, ni en todo ni en parte, por ningún medio inventado o por inventarse, sin el permiso previo y por escrito de la Universidad de Medellín y de Ediciones de la U. Hecho el depósito legal.
  3. 3. A quienes son y han sido mis alumnos: GRACIAS por permitirme ser parte de su formación como personas. SATISFACCIÓN… la que se siente al verlos triunfar. ORGULLO, el que embarga cuando saludan después de algún tiempo. GANAS de seguir adelante las que dan cuando, ya como colegas, consultan y piden opiniones. En fin, muchachos…, GRACIAS, por haberlos conocido.
  4. 4. ▪  7 Contenido PRESENTACIÓN.............................................................................................................. 23 CAPÍTULO 1 Conceptos generales 1.1 CLASIFICACIÓN DE LOS CUERPOS DE AGUA....................................................... 27 1.2 IMPORTANCIA DEL RECURSO AGUA.................................................................... 28 1.3 EL AGUA Y EL MUNDO.......................................................................................... 29 1.4 LOS RECURSOS HÍDRICOS EN COLOMBIA........................................................... 32 1.4.1 Vertientes.................................................................................................... 32 1.4.2 Aprovechamiento de los recursos hídricos en Colombia.............................. 32 1.5 NATURALEZA DEL PROBLEMA............................................................................. 34 1.5.1 Los problemas de contaminación, sus efectos deteriorantes y las variables asociadas con la calidad del agua................................................................ 34 1.5.2 Perspectiva general..................................................................................... 34 1.6 DEFINICIÓN DE TÉRMINOS Y CONCEPTOS BÁSICOS EN EL ANÁLISIS DE LA CALIDAD DEL AGUA.................................................................................. 37 1.6.1 Concepto de carga y flujo de contaminantes............................................... 37 1.6.1.1 Concepto de carga contaminante (W).............................................. 37 1.6.1.2 Concepto de flujo contaminante (J).................................................. 37 1.6.2 Expresiones y términos utilizados en calidad del agua................................ 38 1.6.2.1 Reacciones químicas........................................................................ 39 1.6.2.2 Concentración.................................................................................. 41 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS................................................................................... 43 CAPÍTULO 2 Características físicas, químicas y biológicas del agua 2.1 DEFINICIÓN DE CALIDAD DEL AGUA................................................................... 47 2.2 AGUA CRUDA O EN ESTADO NATURAL (SIN TRATAMIENTO)............................ 48 2.3 AGUAS RESIDUALES............................................................................................. 50 2.4 AGUA TRATADA (AGUA POTABLE)....................................................................... 52
  5. 5. ▪  8 2.5 PROPIEDADES DEL AGUA...................................................................................... 52 2.6 PARÁMETROS FÍSICOS, QUÍMICOS Y BIOLÓGICOS............................................. 55 2.6.1 Parámetros físicos....................................................................................... 55 2.6.2 Parámetros químicos................................................................................... 59 2.6.2.1 Indicadores...................................................................................... 59 2.6.2.2 Sustancias químicas........................................................................ 69 2.6.3 Características biológicas............................................................................ 78 2.7 RESUMEN SOBRE LAS CARACTERÍSTICAS FÍSICAS, QUÍMICAS Y BIOLÓGICAS DEL AGUA..................................................................................... 81 EJERCICIOS PROPUESTOS.............................................................................................. 88 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS................................................................................... 90 CAPÍTULO 3 Introducción a la toxicología acuática 3.1 GENERALIDADES SOBRE TOXICOLOGÍA ACUÁTICA........................................... 93 3.2 CLASIFICACIÓN DE LOS TÓXICOS........................................................................ 94 3.3 LOS BIOENSAYOS................................................................................................... 96 3.4 TOXICIDAD AGUDA Y CRÓNICA........................................................................... 99 3.5 EVALUACIÓN DE LOS RESULTADOS DE TOXICIDAD......................................... 101 3.5.1 Unidades de toxicidad................................................................................ 103 3.5.2 Aplicación de los resultados de los ensayos de toxicidad........................... 106 3.5.2.1 Aplicación de los datos para la protección contra la toxicidad aguda............................................................................................. 106 3.5.2.2 Protección contra la toxicidad crónica........................................... 107 EJERCICIOS PROPUESTOS.............................................................................................110 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS..................................................................................111 CAPÍTULO 4 Usos y criterios de calidad del agua 4.1 RELACIÓN ENTRE PARÁMETROS DE CALIDAD DEL AGUA Y SUS USOS BENÉFICOS............................................................................................................117 4.2 CRITERIOS DE CALIDAD DEL AGUA...................................................................118 4.3 CONTAMINANTES DE INTERÉS SANITARIO...................................................... 136 4.4 RESUMEN SOBRE USOS BENÉFICOS DEL AGUA................................................. 137 4.5 ESTABLECIMIENTO DE USOS Y OBJETIVOS DE CALIDAD DEL AGUA EN UN RECURSO HÍDRICO.................................................................................. 137 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS................................................................................. 145
  6. 6. ▪  9 CAPÍTULO 5 Índices de calidad del agua 5.1 DEFINICIÓN DE ÍNDICE DE CALIDAD DEL AGUA.............................................. 149 5.2 EMPLEO DE ÍNDICES DE CALIDAD DEL AGUA....................................................151 5.3 EL CONCEPTO DE FUNCIÓN DE CALIDAD DEL AGUA........................................ 152 5.4 CONSTRUCCIÓN DE ÍNDICES DE CALIDAD DEL AGUA...................................... 153 5.4.1 Metodología para la construcción de un índice de calidad del agua ............ 153 5.4.1.1 Primer paso: Definir el (los) objetivo(s) para el cual se va a utilizar el IQA. ........................................................................... 153 5.4.1.2 Segundo paso: Seleccionar los parámetros por incluir en el IQA... 153 5.4.1.3 Tercer paso: Formular la expresión matemática para calcular el IQA............................................................................................ 154 5.4.2 Aplicación del método para la construcción de un IQA................................ 155 5.5 ÍNDICES DE CALIDAD CON BASE EN LAS CARACTERÍSTICAS FISICOQUÍMICAS DEL AGUA.............................................................................. 160 5.6 ÍNDICES BIOLÓGICOS DE CALIDAD DEL AGUA (IBA).........................................161 5.6.1 El indicador ideal...........................................................................................161 5.6.2 Macroinvertebrados acuáticos como indicadores de contaminación orgánica..................................................................................................... 163 EJERCICIOS PROPUESTOS............................................................................................ 165 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS................................................................................. 167 CAPÍTULO 6 Manejo y análisis de datos de calidad del agua 6.1 MANEJO, ALMACENAMIENTO Y ACCESO A DATOS DE CALIDAD DEL AGUA.............................................................................................................172 6.2 ESTADÍSTICAS BÁSICAS......................................................................................173 6.2.1 Medidas de tendencia central y cuartiles. ..................................................176 6.2.2 Medidas de dispersión o variabilidad. ........................................................177 6.3 DISTRIBUCIONES..................................................................................................178 6.3.1 Aplicación de la distribución normal al análisis de datos de calidad del agua..................................................................................................... 182 6.3.1.1 Método visual para chequear la normalidad de los datos.............. 184 6.3.1.2 Método gráfico para chequear la normalidad de los datos............. 184 6.3.1.3 Pruebas estadísticas...................................................................... 185
  7. 7. ▪  10 6.3.2 Distribuciones no normales. ..................................................................... 189 6.4 PRUEBAS O CONTRASTE DE HIPÓTESIS (LA PRUEBA t DE STUDENT)............ 190 6.5 CORRELACIÓN Y ANÁLISIS DE REGRESIÓN...................................................... 199 6.5.1 Correlación ............................................................................................... 200 6.5.2 Análisis de regresión................................................................................. 201 6.6 PRESENTACIÓN DE DATOS................................................................................. 206 6.6.1 Tipos de presentaciones gráficas............................................................... 207 6.6.2 Gráficos de series de tiempo...................................................................... 207 6.6.3 Resumiendo las características de calidad del agua (diagramas de caja). .208 6.7 ERRORES.............................................................................................................. 209 6.7.1 Validación de los datos............................................................................... 209 6.7.1.1 Outliers (puntos extremos o raros)................................................ 209 6.7.1.2 Calidad de los datos y datos faltantes.............................................210 6.7.2 Errores estadísticos....................................................................................210 EJERCICIOS PROPUESTOS.............................................................................................211 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS................................................................................. 213 CAPÍTULO 7 Monitoreo de calidad del agua 7.1 ASPECTOS GENERALES SOBRE MUESTREO...................................................... 218 7.1.1 Representatividad de la muestra............................................................... 218 7.1.2 Técnicas de muestreo apropiadas.............................................................. 218 7.1.3 Preservación de las muestras.................................................................... 218 7.1.4 Análisis de datos....................................................................................... 218 7.2 TIPOS DE MUESTRAS.......................................................................................... 219 7.2.1 Muestra instantánea.................................................................................. 219 7.2.2 Muestra compuesta.................................................................................... 220 7.2.3 Muestra integrada..................................................................................... 221 7.3 CLASES DE MUESTREO....................................................................................... 221 7.3.1 Muestreo manual....................................................................................... 221 7.3.2 Muestreo automático................................................................................. 221 7.4 FRECUENCIA DE MUESTREO.............................................................................. 221 7.5 IDENTIFICACIÓN DE LAS MUESTRAS................................................................ 222 7.6 MANEJO DE LAS MUESTRAS.............................................................................. 223
  8. 8. ▪  11 7.7 PRESERVACIÓN DE LAS MUESTRAS................................................................... 224 7.8 EQUIPOS DE MUESTREO..................................................................................... 224 7.8.1 Muestreadores manuales........................................................................... 224 7.8.2 Muestreadores automáticos....................................................................... 225 7.8.2.1 Muestreador no proporcional......................................................... 225 7.8.2.2 Muestreadores para aguas residuales............................................ 226 7.8.3 Muestreadores para biota.......................................................................... 228 7.8.4 Sensores.................................................................................................... 228 7.9 UBICACIÓN DE LAS ESTACIONES DE MUESTREO.............................................. 229 7.9.1 Toma de muestras en alcantarillados........................................................ 229 7.9.2 Toma de muestras en corrientes o canales................................................ 229 7.9.3 Toma de muestras en lagos o embalses..................................................... 230 7.10 MEDICIÓN DE CAUDALES................................................................................... 230 7.11 DISEÑO DE PROGRAMAS DE MUESTREO DE CALIDAD DEL AGUA.................. 231 7.11.1 Generalidades............................................................................................ 231 7.11.2 Número de muestras.................................................................................. 232 EJERCICIOS PROPUESTOS ........................................................................................... 233 CAPÍTULO 8 Comportamiento de las sustancias contaminantes en el medio acuático 8.1 REACCIONES........................................................................................................ 237 8.1.1 Fundamentos de las reacciones................................................................. 237 8.1.1.1 Tipo de reacciones.......................................................................... 237 8.1.1.2 Cinética de las reacciones.............................................................. 238 8.1.1.3 Reacciones de orden cero, primer y segundo orden........................ 239 8.1.2 Análisis de los datos sobre constantes de reacción.................................... 242 8.1.3 Efectos de la temperatura.......................................................................... 244 8.2 BALANCE DE MASA............................................................................................. 245 8.3 CLASIFICACIÓN DE LOS REACTORES................................................................ 246 8.3.1 Reactores por lotes, cochadas o “batch”.................................................... 246 8.3.2 Reactores completamente mezclados........................................................ 247 8.3.2.1 Condiciones de estado no estable................................................... 247 8.3.2.2 Condiciones de estado estable....................................................... 248
  9. 9. ▪  12 8.3.3 Reactores flujo pistón................................................................................ 248 8.3.4 Reactores completamente mezclados en serie........................................... 250 8.4 MOVIMIENTO DE CONTAMINANTES EN EL MEDIO ACUÁTICO........................ 252 8.4.1 Advección.................................................................................................. 252 8.4.2 Difusión - Dispersión................................................................................. 254 8.4.2.1 Difusión......................................................................................... 254 8.4.2.2 Dispersión..................................................................................... 256 8.4.3 Reacciones................................................................................................. 258 8.4.4 Sumideros.................................................................................................. 258 8.5 ECUACIÓN GENERAL DE BALANCE DE MASA................................................... 258 8.6 BALANCE DE OXÍGENO....................................................................................... 259 8.6.1 Componentes principales del análisis de OD............................................. 259 8.6.2 Inventario de aportantes y consumidores de OD....................................... 260 8.6.3 Componentes consumidores de oxígeno disuelto....................................... 262 8.6.3.1 Demanda bioquímica de oxígeno carbonácea................................ 262 8.6.3.2 Demanda bioquímica de oxígeno nitrogenada (DBON).................. 267 8.6.3.3 Demanda béntica de oxígeno......................................................... 271 8.6.3.4 Respiración.................................................................................... 273 8.6.4 Componentes aportantes de oxígeno......................................................... 273 8.6.4.1 Reaireación.................................................................................... 273 8.6.4.2 Fotosíntesis.................................................................................... 275 8.6.5 Fuentes puntuales o fuentes distribuidas de contaminación (sumideros).. 275 8.7 BALANCE FINAL DE OXÍGENO............................................................................ 276 EJERCICIOS PROPUESTOS ........................................................................................... 276 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS................................................................................. 277 CAPÍTULO 9 Constantes y coeficientes de reacción 9.1 CONSTANTE DE DESOXIGENACIÓN CARBONÁCEA........................................... 281 9.1.1 Constante de desoxigenación (k1).............................................................. 282 9.1.1.1 Método logarítmico........................................................................ 283 9.1.1.2 Método de Thomas........................................................................ 284 9.1.2 Constante de desoxigenación en la corriente receptora (kd)....................... 286 9.1.2.1 Método de Bosko............................................................................ 287 9.1.2.2 Expresiones predictivas para calcular kd....................................... 287
  10. 10. ▪  13 9.1.3 Constante de remoción efectiva de DBO en el cuerpo de agua (kR)........... 288 9.1.4 Comentarios generales acerca de k1, kd y kR.............................................. 291 9.2 CONSTANTE DE NITRIFICACIÓN........................................................................ 292 9.2.1 Métodos para calcular kN........................................................................... 293 9.2.1.1 Método de Courchaine................................................................... 293 9.2.1.2 Método de Cibulka......................................................................... 293 9.2.2 Factores ambientales que afectan la nitrificación...................................... 296 9.2.3 Comentarios generales acerca de kN.......................................................... 297 9.3 CONSTANTE DE REAIREACIÓN.......................................................................... 297 9.3.1 Reaireación en ríos y corrientes................................................................. 298 9.3.2 Reaireación en ambientes acuáticos lénticos............................................. 300 9.3.2.1 Lagos y embalses........................................................................... 300 9.3.2.2 Estuarios....................................................................................... 301 9.3.3 Comentarios finales acerca de ka............................................................... 301 9.4 FOTOSÍNTESIS - RESPIRACIÓN (F - R)............................................................... 303 9.4.1 Generalidades............................................................................................ 303 9.4.2 Técnica de las botellas claras y oscuras..................................................... 305 9.5 DISPERSIÓN – DIFUSIÓN..................................................................................... 308 9.5.1 Coeficiente de difusión en embalses, lagos, etc......................................... 308 9.5.2 Coeficiente de dispersión en corrientes (ríos, quebradas, etc.)................... 309 9.5.3 Coeficiente de dispersión en estuarios........................................................311 9.6 DEMANDA BÉNTICA DE OXÍGENO......................................................................311 9.6.1 Factores que afectan la SOD.......................................................................311 9.6.2 Técnicas para medir la SOD...................................................................... 312 EJERCICIOS PROPUESTOS.............................................................................................314 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS..................................................................................315 CAPÍTULO 10 Aplicación de las ecuaciones básicas de transporte de contaminantes a corrientes de agua (ríos, canales, etc.) 10.1 SIMULACIÓN DE OXÍGENO DISUELTO Y DBO.................................................... 320 10.2 DÉFICIT CRÍTICO Y TIEMPO CRÍTICO................................................................ 325 10.3 CARGA ORGÁNICA PERMISIBLE......................................................................... 326 10.4 CONDICIONES ANAERÓBICAS............................................................................ 338
  11. 11. ▪  14 10.5 LONGITUD DE MEZCLA....................................................................................... 341 EJERCICIOS PROPUESTOS............................................................................................ 342 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS................................................................................. 347 CAPÍTULO 11 Estratificación térmica 11.1 LOS CONCEPTOS DE ESTRATIFICACIÓN Y LAGO CÁLIDO TROPICAL.............. 353 11.2 IMPORTANCIA DE LA ESTRATIFICACIÓN TÉRMICA......................................... 355 11.3 ESTRATIFICACIÓN EN LOS CUERPOS DE AGUA................................................ 356 11.3.1 Comportamiento estacional (termoclina estacional).................................. 357 11.3.2 Comportamiento diurno (termoclina diurna)............................................. 358 11.4 MECANISMOS DE MEZCLA Y TRANSPORTE EN LOS CUERPOS DE AGUA LÉNTICOS............................................................................................................. 360 11.4.1 Acción del viento....................................................................................... 360 11.4.2 Afloramiento del metalimnio..................................................................... 361 11.4.3 Afloramiento del hipolimnio...................................................................... 362 11.4.4 Flujos de entrada (afluentes)...................................................................... 363 11.5 MÉTODOS PARA EVALUAR LA ESTRATIFICACIÓN EN RESERVORIOS.............. 364 11.5.1 Método comparativo.................................................................................. 366 11.5.2 Método ARAI ............................................................................................ 376 11.5.3 Expresiones matemáticas (números adimensionales) para determinar el grado de estratificación.......................................................................... 379 11.5.4 Estratificación determinada utilizando modelos matemáticos de simulación de la calidad del agua.......................................................... 384 11.6 COMENTARIOS FINALES SOBRE LA ESTRATIFICACIÓN TÉRMICA.................. 385 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS................................................................................. 385 CAPÍTULO 12 Eutroficación 12.1 GENERALIDADES SOBRE EUTROFICACIÓN....................................................... 390 12.1.1 Nutrientes, eutrofia y crecimiento algal.................................................... 391 12.1.2 Clasificación de los estados tróficos........................................................... 392 12.1.3 Efectos negativos de la eutroficación......................................................... 393
  12. 12. ▪  15 12.1.3.1 Efectos en el abastecimiento de agua........................................... 393 12.1.3.2 Efectos en los usuarios................................................................. 394 12.1.3.3 Efectos adicionales....................................................................... 394 12.1.3.4 Efectos sobre la salud................................................................... 395 12.1.4 Efectos positivos de la eutroficación.......................................................... 395 12.2 EL CONCEPTO DE NUTRIENTE DISPONIBLE...................................................... 395 12.3 EL CONCEPTO DE NUTRIENTE LIMITANTE....................................................... 396 12.3.1 Bioensayos................................................................................................. 397 12.3.2 Análisis químicos...................................................................................... 398 12.3.3 Relación N/P............................................................................................... 398 12.4 FUENTES O APORTANTES DE NUTRIENTES......................................................400 12.4.1 Evaluación de las cargas o fuentes puntuales de nutrientes...................... 400 12.4.2 Evaluación de las cargas (fuentes) distribuidas o dispersas de nutrientes. 401 12.4.2.1 Coeficientes de aporte de nutrientes (tasas de exportación)........ 401 12.4.2.2 Balances de masa para calcular las cargas distribuidas............... 402 12.4.2.3 Mediciones de campo para calcular las cargas o fuentes distribuidas. ............................................................................... 403 12.4.2.4 Relaciones estequiométricas........................................................ 404 12.5 DETERMINACIÓN DEL ESTADO TRÓFICO.......................................................... 409 12.5.1 Estado trófico determinado utilizando modelos matemáticos de simulación de la calidad del agua...........................................................410 12.5.1.1 Modelo de calidad del agua WASP7 (Water Quality Analysis Simulation Program)....................................................................411 12.5.1.2 Modelo de calidad del agua CEQUALW2...................................... 412 12.5.2 Métodos simplificados para evaluar el estado trófico................................. 413 12.5.2.1 Estado trófico según clasificación limnológica.............................414 12.5.2.2 Clasificación trófica para lagos cálidos tropicales.........................415 12.6 PROCEDIMIENTOS PARA LA APLICACIÓN DEL MÉTODO DEL CEPIS................416 12.7 APLICABILIDAD Y RESTRICCIONES DEL MÉTODO DEL CEPIS......................... 420 12.8 CONTROL DE LA EUTROFICACIÓN..................................................................... 421 12.8.1 Medidas preventivas.................................................................................. 421 12.8.1.1 Control de vertimientos............................................................... 422 12.8.1.2 Mecanismos de producción limpia............................................... 423 12.8.1.3 Control de aguas de escorrentía.................................................. 423 12.8.2 Medidas correctivas................................................................................... 423 12.8.2.1 Procesos mecánicos..................................................................... 423 12.8.2.2 Control químico........................................................................... 424 12.8.2.3 Control biológico......................................................................... 424 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS................................................................................. 425
  13. 13. ▪  16 CAPÍTULO 13 Introducción a la modelación de la calidad del agua en corrientes de agua 13.1 CONCEPTOS BÁSICOS......................................................................................... 429 13.1.1 Sistema....................................................................................................... 429 13.1.2 Experimento............................................................................................... 430 13.1.3 Modelo........................................................................................................ 430 13.1.4 Simulación.................................................................................................. 430 13.2 EL PROBLEMA: ¿QUÉ SE PUEDE HACER CON UN MODELO DE CALIDAD DEL AGUA?........................................................................................................... 431 13.2.1 Estudios descriptivos.................................................................................. 432 13.2.2 Predicciones de calidad del agua................................................................ 432 13.2.3 Analizar problemas específicos.................................................................. 433 13.3 PROCESO DE MODELACIÓN DE LA CALIDAD DEL AGUA.................................. 433 13.4 SELECCIÓN DEL MODELO.................................................................................... 436 13.5 CALIBRACIÓN Y VERIFICACIÓN DEL MODELO.................................................. 437 13.5.1 Calibración del modelo.............................................................................. 437 13.5.2 Verificación del modelo.............................................................................. 440 13.6 ANALIZANDO LA PRECISIÓN DEL MODELO...................................................... 441 13.7 NOTAS Y OBSERVACIONES IMPORTANTES SOBRE EL PROCESO DE MODELACIÓN................................................................................................. 442 13.8 MODELO QUAL2K................................................................................................ 442 13.8.1 Descripción del modelo.............................................................................. 442 13.8.2 Iniciando la aplicación...............................................................................444 13.8.3 Representación conceptual........................................................................ 445 13.8.4 DBO rápida lenta, DBO rápida y materia orgánica partículada (MOP)........ 446 13.8.5 Régimen hidráulico del sistema................................................................. 447 13.8.6 Marco geográfico y climático..................................................................... 447 13.9 APLICACIÓN DEL MODELO................................................................................. 447 EJERCICIOS PROPUESTOS............................................................................................ 455 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS................................................................................. 457
  14. 14. ▪  17 Tablas Tabla 1.1 Distribución del agua en la Tierra.............................................................. 29 Tabla 1.2 Distribución de los recursos hídricos superficiales por paises................... 31 Tabla 1.3 Problemas de contaminación, sus efectos y variables asociadas con la calidad del agua......................................................................................... 35 Tabla 2.1 Características del agua cruda en el embalse A ubicado en el Oriente de Antioquia................................................................................................... 49 Tabla 2.2 Calidad promedio del agua de mar............................................................. 50 Tabla 2.3 Características promedio de las aguas residuales en EPM......................... 50 Tabla 2.4 Características más importantes de las aguas residuales en general y su procedencia................................................................................................ 51 Tabla 2.5 Calidad del agua suministrada por EPM.................................................... 52 Tabla 2.6 Parámetros ambientales propuestos para medir en el recurso agua.......... 82 Tabla 3.1 Clasificación de toxicidad basada en UTa................................................... 104 Tabla 4.1 Usos del agua de acuerdo con la contaminación del agua.......................... 116 Tabla 4.2 Relación entre los parámetros de calidad del agua y sus usos................... 119 Tabla 4.3 Criterios de calidad para uso del agua para enfriamiento industrial.......... 125 Tabla 4.4 Estándares y criterios de calidad para uso del agua para irrigación (agricultura restringida)............................................................................. 127 Tabla 4.5 Estándares y criterios de calidad para uso del agua para irrigación (agricultura no restringida)........................................................................ 128 Tabla 4.6 Estándares y criterios de calidad para uso del agua para irrigación (agricultura con y sin restricciones)........................................................... 129 Tabla 4.7 Criterios de calidad para usos del agua para procesos industriales en general 131 Tabla 4.8 Criterios de calidad para usos del agua para hábitat para peces................ 132 Tabla 4.9 Criterios de calidad para usos del agua para recreación con restricciones (Contacto secundario o limitado)............................................................... 134 Tabla 4.10 Criterios de calidad para usos del agua para recreación sin restricciones (Contacto primario).................................................................................... 135
  15. 15. ▪  18 Tabla 4.11 Criterios generales de calidad del agua para los diferentes usos del agua 138 Tabla 5.1 Características que debe reunir un grupo biológico para ser utilizado como bioindicador............................................................................................... 162 Tabla 6.1 Estadísticas básicas de para P total en el embalse A................................. 175 Tabla 6.2 Intervalos de frecuencia calculados con hoja de cálculo Excel® 2007........ 179 Tabla 7.1 Frecuencias sugeridas para la recolección de muestras compuestas.......... 222 Tabla 8.1 Estrategias para determinar k y el orden n de las reacciones..................... 242 Tabla 8.2 Valores de DBO antes de tratamiento en USA y algunos países de Latino­ américa...................................................................................................... 262 Tabla 9.1 Valores del coeficiente de actividad de acuerdo con la pendiente de la corriente receptora según Bosko................................................................ 287 Tabla 9.2 Comparación entre kd y kR en algunos ríos................................................ 289 Tabla 9.3 Rangos de profundidad y velocidad para aplicar las expresiones de O´Connor y Dobbins, Churchill y Owens y Gibbs en la determinación de la reaireación 299 Tabla 9.4 Diferentes valores de SOD reportados en la literatura............................... 312 Tabla 11.1 Definición de variables asociadas a la hidrodinámica de los reservorios... 361 Tabla 11.2 Parámetros usados para la generación de gradientes térmicos.................. 366 Tabla 11.3 Datos de temperatura y gradiente para el embalse Z - Sitio de captación.. 367 Tabla 11.4 Datos de temperatura y gradiente para el embalse Y - Sitio de captación.. 369 Tabla 11.5 Datos de temperatura y gradiente para el embalse Y - Zona media del embalse 372 Tabla 12.1 Coeficientes de exportación de nutrientes en g/m2/d................................. 401 Tabla 12.2 Características fisicoquímicas y biológicas utilizadas para determinar la presencia del fenómeno de eutroficación en embalses............................... 409 Tabla 12.3 Clasificación limnológica del estado trófico con base en el contenido de fósforo y otras variables............................................................................. 414 Tabla 12.4 Comparación entre el promedio geométrico anual de fósforo y clorofila α para lagos cálidos tropicales (CEPIS) y la clasificación trófica de lagos templados (OECD)...................................................................................... 414
  16. 16. ▪  19 Figuras Figura 1.1 Vertientes hídricas en Colombia......................................................... 33 Figura 1.2 Ingeniería de la calidad del agua........................................................ 36 Figura 1.3 Concepto de carga y flujo contaminante............................................. 37 Figura 2.1 Diferentes formas de sólidos presentes en el agua.............................. 58 Figura 2.2 Escala de pH....................................................................................... 60 Figura 2.3 Clases de acidez según el pH.............................................................. 61 Figura 2.4 Forma química del ión alkyl-benceno sulfonato.................................. 70 Figura 2.5 Ensayo de los tubos múltiples............................................................. 81 Figura 5.1 Función de calidad para DBO5............................................................ 152 Figura 6.1 Histograma de los datos de P total en el embalse A........................... 178 Figura 6.2 Histograma de frecuencias construido con los datos de la Tabla 6.1... 181 Figura 6.3 Distribución normal estándar............................................................. 182 Figura 6.4 Curva de frecuencia acumulada para el caso del embalse A............... 185 Figura 6.5 Diagrama de caja para resumir datos de calidad del agua.................. 208 Figura 7.1 Muestra de etiquetas para identificar muestras de agua..................... 223 Figura 7.2 Muestreador no proporcional (Reproducida de la referencia 4)........... 225 Figura 7.3 Equipo para tomar muestras integradas y compuestas....................... 226 Figura 7.4 Equipo para tomar varias muestras a la vez 227 Figura 7.5 Muestreador de canasta...................................................................... 228 Figura 7.6 Localización de los puntos de muestreo en una sección transversal de una corriente o un canal................................................................ 230 Figura 7.7 Toma de muestras en un embalse o un lago....................................... 231 Figura 8.1 k en reacciones de orden cero............................................................. 239 Figura 8.2 k en reacciones de primer orden......................................................... 240 Figura 8.3 Significado de la tasa de reacción k (Reproducida de la referencia 1) 241 Figura 8.4 Análisis de balance de masa............................................................... 245 Figura 8.5 Reactor por lotes................................................................................. 247 Figura 8.6 Reactor flujo pistón. (Reproducida de la referencia 1)......................... 249 Figura 8.7 Reactores completamente mezclados en serie.................................... 251 Figura 8.8 Cambio en la concentración de una sustancia debido al transporte advectivo............................................................................................. 252 Figura 8.9 Cambio en la concentración de un contaminante por transporte con- vectivo................................................................................................ 254 Figura 8.10 Diferencia entre advección y difusión (Reproducida de la referencia 1) 255
  17. 17. ▪  20 Figura 8.11 Contraste entre difusión y dispersión. (Reproducida de la referencia 1) 256 Figura 8.12 Principales componentes del problema de OD.................................... 260 Figura 8.13 Interrelación entre los componentes del balance de OD (Reproducida de la referencia 1)............................................................................... 261 Figura 8.14 Curva de demanda bioquímica de oxígeno.......................................... 263 Figura 8.15 Formulación de la cinética de la DBO.................................................. 264 Figura 8.16 Diferentes formas de n presentes en las aguas naturales................... 267 Figura 8.17 Relación entre la DBON, DBOC y DBO total........................................ 269 Figura 8.18 Esquema de definición de la difusión del OD en el agua..................... 274 Figura 9.1 Tasa de reaireación ka (d-1) en función de la velocidad y la profundidad (Reproducida de la referencia 3).......................................................... 300 Figura 9.2 Variación de la fotosíntesis durante el día asumiendo un comporta- miento simuisoidal (Reproducida de la referencia 2)........................... 304 Figura 9.3 Coeficientes de difusión en varios ambientes (Reproducida de la referencia 2)........................................................................................ 309 Figura 10.1 Comportamiento del oxígeno disuelto en una corriente de agua 321 Figura 10.2 Tipos de descargas de aguas residuales en una corriente (Reproducida de la referencia 4)............................................................................... 341 Figura 11.1 Comparación entre embalses estratificados y no estratificados.......... 354 Figura 11.2 Esquema de estratificación en un reservorio...................................... 358 Figura 11.3 Circulación del agua en un embalse operando “filo de agua”  ............ 365 Figura 11.4 Gradientes de temperatura en los embalses Playas y Punchiná.......... 375 Figura 12.1 Diferentes formas de nitrógeno y fósforo en un embalse (Adaptado de la referencia 6).................................................................................... 396 Figura 12.2 Diagrama de porcentajes de nutrientes y de humedad que constituyen la composición de la biomasa del fitoplancton (Reproducida de la referencia 2)........................................................................................ 399 Figura 12.3 Clasificación trófica según el CEPIS (Adaptado de la referencia 1)..... 416 Figura 12.4 Distribución de probabilidad de nivel trófico según el modelo del CEPIS (Reproducida de la referencia 1).......................................................... 417 Figura 12.5 Estrategias para el control de nutrientes............................................ 422 Figura 13.1 Diagrama esquemático del procedimiento de calibración del modelo 439 Figura 13.2 Representación gráfica de los segmentos y cargas contaminantes en el río.................................................................................................... 445 Figura E3.1 Cálculo de LC50 para el ejercicio 3.1.................................................... 103 Figura E4.1 Calidad del agua del recurso hídrico del ejercicio 4.1......................... 144 Figura E6.1 Distribución de probabilidad para la concentración de P en el embalse A......................................................................................................... 186 Figura E6.2 Probabilidad de que X > 375.............................................................. 187
  18. 18. ▪  21 Figura E6.3 Curva de probabilidad 188 Figura E6.4 Contraste de hipótesis lateral............................................................. 196 Figura E6.5 Resultados del análisis de datos utilizando la hoja de cálculo Excel® 2007........................................................................................ 199 Figura E 6.6(1) Curvas de tendencia para la serie dada............................................... 203 Figura E 6.6(2) Intervalos de predicción...................................................................... 203 Figura E6.6(3) Resultados en Excel® del análisis de correlación y regresión.............. 243 Figura E8.1 Curvas para calcular el orden n y la tasa de reacción k....................... 265 Figura E8.3 Variación de la DBOC ejercida contra el tiempo.................................. 266 Figura E8.4 Variación de la DBO remanente con el tiempo.................................... 271 Figura E8.5 Resultados gráficos de la DBO............................................................ 284 Figura E9.1 Cálculo de k1 utilizando el método logarítmico................................... 286 Figura E9.2 Método de Thomas para el cálculo de k1............................................. 294 Figura E9.5(1) Comportamiento de la DBO en el tiempo............................................ 296 Figura E9.5(2) Gráfica para calcular kN...................................................................... 303 Figura E9.6 Cálculo de la tasa de aeración, ka........................................................ 307 Figura E9.7 Valores de las variables para determinar F y R................................... 333 Figura E10.2 Perfil de OD y DBO............................................................................. 337 Figura E10.3(1) Perfil de OD para el ejercicio 10.3....................................................... 337 Figura E10.3(2) Perfil de DBO para el ejercicio 10.3..................................................... 340 Figura E10.4 Perfil de OD considerando la zona anaeróbica..................................... 378 Figura E11.1 Curva Volumen – Área contra cota – Embalse Playas......................... 380 Figura E11.2 Esquema del embalse para el ejercicio 11.2........................................ 405 Figura E12.1 Esquema general del embalse............................................................. 449 Figura E13.1(1) Datos de identificación y control del programa QUAL2K.................... 450 Figura E13.1(2) Datos sobre el elemento cabecera....................................................... 451 Figura E13.1(3) Datos sobre los tramos........................................................................ 451 Figura E13.1(4) Datos sobre las constantes y coeficientes por tramos......................... 452 Figura E13.1(5) Datos sobre las constantes y coeficientes cinéticos............................. 452 Figura E13.1(6) Datos sobre las fuentes o cargas puntuales de contaminación............ 453 Figura E13.1(7) Perfil de oxígeno disuelto - Ejercicio 13.1........................................... 453 Figura E13.1(8) Perfil de DBO - Ejercicio 13.1.............................................................. 453
  19. 19. ▪  23 PRESENTACIÓN Las notas presentadas en este libro corresponden a la experiencia adquirida por más de 25 años de trabajo en los cuales se ha incursionado en el aprovechamiento de los recursos hídricos, la evaluación de la calidad del agua y la formulación de medidas de control para preservar los ecosistemas acuáticos. La intención no es plasmar normas ni derroteros a seguir en el amplio y complejo mundo de la calidad del agua; simplemente se quiere como propósito fundamental dotar al lector de los conceptos básicos que debe tener en cuenta para diagnosticar adecuadamente el estado de calidad del agua en un cuerpo de agua dulce superficial de acuerdo con sus características físicas, químicas y biológicas, para luego, con base en unos usos del agua acordes con las necesidades del medio, el ingeniero de calidad de agua pueda proponer las medidas de control, las normas, etc., necesarias para mantener nuestros recursos hídricos con el objeto de que las generaciones futuras disfruten de ellos. Los temas están ordenados de tal manera que se inicia dando un enfoque general al ámbito mundial, regional y local sobre el estado del agua. Luego, se discuten las características físicas, químicas y biológicas del agua para que con estos conceptos se pueda tratar temas como la toxicidad acuática y los usos benéficos a que se puede destinar el agua. También, debido a la diversidad de definiciones sobre el término calidad del agua, se propone una metodología para elaborar y usar los índices como indicadores de la calidad del agua. Seguido, se incluyen brevemente ciertas técnicas estadísticas utilizables en el manejo, análisis y presentación de datos de calidad del agua. Una vez entendidas estas técnicas estadísticas, se presenta el tema de muestreo. Aquí se indica cómo tomar muestras de agua para que estas sean representativas de lo que se quiere evaluar, se hace hincapié en técnicas de cómo ubicar los sitios de muestro, identificar las muestras hasta diseñar los programas de muestreo. En los siguientes tres capítulos se hace una recopilación sobre el comportamiento de los contaminantes en el agua, discutiendo las tasas de reacción, la forma como se determinan las
  20. 20. Carlos Alberto Sierra Ramírez ▪  24 principales constantes y coeficientes involucrados en las reacciones químicas en el agua y se exponen las principales ecuaciones matemáticas utilizadas para determinar la calidad del agua en un cuerpo de agua superficial. Los capítulos 11 y 12 sobre estratificación y eutroficación, temas relacionados con cuerpos de agua lénticos, han cobrado recientemente mucha importancia en los estudios de calidad del agua. En este libro se exponen estos temas con una orientación más ingenieril que ecológica y se presentan más como ejemplos de casos de estudios que se han realizado en proyectos hidroeléctricos y se le da al lector información práctica sobre el estado actual del conocimiento en dichos temas. El último capítulo contiene una introducción práctica al mundo de la aplicación de los modelos (software) de calidad del agua a ríos y corrientes. No quiero dejar de mencionar que en el libro presento tablas, datos, figuras o conceptos aprendidos y/o sacados de diferentes textos, contactos personales, Internet o experiencias transmitidas por diferentes autores a través de los años de docencia, estudio y trabajo a los cuales no puedo darles crédito; no los ignoro sino que simplemente no los recuerdo. Carlos Alberto Sierra Ramírez
  21. 21. CAPÍTULO Conceptos generales 1 1.1 CLASIFICACIÓN DE LOS CUERPOS DE AGUA 1.2 IMPORTANCIA DEL RECURSO AGUA 1.3 EL AGUA Y EL MUNDO 1.4 LOS RECURSOS HÍDRICOS EN COLOMBIA 1.4.1 Vertientes 1.4.2 Aprovechamiento de los recursos hídricos en Colombia 1.5 NATURALEZA DEL PROBLEMA 1.5.1 Los problemas de contaminación, sus efectos deteriorantes y las variables asociadas con la calidad del agua 1.5.2 Perspectiva general 1.6 DEFINICIÓN DE TÉRMINOS Y CONCEPTOS BÁSICOS EN EL ANÁLISIS DE LA CALIDAD DEL AGUA 1.6.1 Concepto de carga y flujo de contaminantes 1.6.1.1 Concepto de carga contaminante (W) 1.6.1.2 Concepto de flujo contaminante (J) 1.6.2 Expresiones y términos utilizados en calidad del agua 1.6.2.1 Reacciones químicas 1.6.2.2 Concentración
  22. 22. ▪  27 CAPÍTULO 1 Conceptos generales La calidad del agua es un término relativo que últimamente ha ocasionado mucha controversia entre los expertos en el tema. El propósito de este libro es describir la calidad del agua con base en los accidentes geográficos que la contienen, especialmente enfatizando en los cuerpos de agua ubicados sobre la superficie terrestre. Los cuerpos de agua se pueden caracterizar analizando básicamente tres componentes: su hidrología, sus características fisicoquímicas y la parte biológi- ca. Para llevar a cabo un análisis y evaluación completa de calidad del agua, es necesario monitorear estos tres componentes. En este libro estos componentes se discuten ampliamente cuando se desarrolla alguno de los temas en los cuales ellos están involucrados. 1.1 CLASIFICACIÓN DE LOS CUERPOS DE AGUA Todos los cuerpos de agua están interconectados, desde la atmósfera hasta los océanos a través del ciclo hidrológico. Dado que el ciclo del agua no se discute en este libro, sí es necesario definir los cuerpos de agua que componen la Tierra. Ríos. Estos cuerpos de agua, comúnmente denominados corrientes, se caracterizan porque fluyen unidireccionalmente con velocidades promedio relativamente altas que varían entre 0,1 y 1 m/s. El flujo en los ríos es altamente variable y depende de las condiciones climáticas y de las características del área de drenaje. En general, los ríos son cuerpos de agua los cuales pueden considerarse permanentemente mezclados, y en la mayoría de ellos, la calidad del agua es importante en el sentido del flujo. Lagos. En estos sistemas acuáticos, la velocidad promedio es relativamente baja: varía entre 0,01 y 0,001 m/s (valores en la superficie). Este hecho hace que el agua permanezca en el sistema desde unos pocos días hasta varios años. Con respecto a la calidad del agua, esta se comporta o está gobernada de acuerdo con el estado trófico y con los períodos de estratificación.
  23. 23. Carlos Alberto Sierra Ramírez ▪  28 Aguas subterráneas. En los acuíferos el régimen de flujo es relativamente estable en términos de velocidad y dirección. Las velocidades promedio pueden variar entre 10-10 y 10-3 m/s y son gobernadas por la porosidad y la permeabilidad del estrato. La dinámica del agua en los acuíferos es bastante complicada, y por estar fuera del alcance, este tema no se considera en este libro. Existe otro tipo de cuerpos de agua de carácter transitorio que están caracte- rizados por su variabilidad hidrodinámica. Entre ellos, los más importantes son: • Embalses. Se pueden considerar cuerpos de agua intermedios entre lagos y ríos y se caracterizan porque su hidrodinámica y calidad de agua dependen de las reglas de operación. • Ciénagas. Son ecosistemas considerados cuerpos de agua intermedios entre lago y un acuífero freático. • Estuarios. Son sistemas acuáticos intermedios entre río y mar. Como se puede observar, la variedad de regímenes hidráulicos que se pre- sentan en los distintos cuerpos de agua hace que estén caracterizados por su tamaño y las condiciones climáticas de la cuenca. El factor que caracteriza los ríos es la variabilidad del caudal. En los lagos y embalses lo más importante es el tiempo de residencia (estado trófico) y su régimen térmico, mientras que en las aguas subterráneas importa altamente el grado de saturación del suelo. 1.2 IMPORTANCIA DEL RECURSO AGUA El agua es un elemento esencial para la vida, sin ella el hombre no podría existir. Toda población o comunidad ha buscado asentamiento cerca a una fuente de agua. Las fuentes de agua, aunque disponibles en mayor o menor cantidad, han sido contaminadas gradualmente y fueron las causantes de muchas epidemias que diezmaron ciudades enteras en la Antigüedad. El hombre tardó bastante tiempo en darse cuenta de que el agua que estaba consumiendo era la causante de muchas de las enfermedades que estaba padeciendo y solo a finales del siglo XVIII y principios del siglo XIX empezó a implementar procesos para tratar y desinfectar el agua que consumía. A medida que la humanidad continuó su desarrollo, las descargas de aguas residuales domésticas e industriales empezaron a contaminar los recursos hídricos, a deteriorar los ecosistemas, etc. Fue así como se hizo necesario implementar los sistemas de tratamiento de aguas residuales. Actualmente, la disponibilidad de agua en cantidad suficiente y de buena calidad es una de las principales necesidades de cualquier población. Por esta razón, la calidad del agua es la rama de la Ingeniería que pretende:
  24. 24. Calidad del agua - Evaluación y Diagnóstico ▪  29 • Diagnosticar los problemas relacionados con la calidad del agua. • Relacionar los problemas de calidad con los diferentes usos deseables del agua. • Juzgar qué variables de calidad del agua se necesita controlar y los medios o recursos disponibles para hacerlo. Con el propósito de que el lector ahonde en la importancia que tiene y ha tenido el recurso agua en el desarrollo de la humanidad, a continuación se hace una breve descripción de la disponibilidad del agua en los ámbitos mundial y local, y además, se nombran los principales problemas que este recurso tiene. 1.3 EL AGUA Y EL MUNDO El agua circula naturalmente a través de los océanos, la atmósfera, lagos y ríos, glaciares y aguas subterráneas. El aire y el agua son los elementos físicos más móviles que tiene el sistema Tierra, y su movilidad permite operar el ciclo del agua. La circulación constante del agua desde los océanos a la atmósfera (evapo- ración), desde la atmósfera a la Tierra o de regreso a los océanos (precipitación) y desde la Tierra a los océanos y atmósfera (evaporación y escorrentía) puede ser llamada el ciclo planetario del agua, y existen muchos subciclos regionales y locales. Para ilustrar la disponibilidad del agua en el mundo, la tabla 1.1 presenta un resumen de los valores estimados. Tabla 1.1 Distribución del agua en la Tierra Situación del agua Volumen en km³ Porcentaje Agua dulce Agua salada de agua dulce de agua total Océanos y mares – 1.338.000.000 – 96,5 Casquetes y glaciares polares 24.064.000 – 68,7 1,74 Agua subterránea salada – 12.870.000 – 0,94 Agua subterránea dulce 10.530.000 – 30,1 0,76 Glaciares continentales y Permafrost 300.000 – 0,86 0,022 Lagos de agua dulce 91.000 – 0,26 0,007 Lagos de agua salada – 85.400 – 0,006 Humedad del suelo 16.500 – 0,05 0,001 Atmósfera 12.900 – 0,04 0,001
  25. 25. Carlos Alberto Sierra Ramírez ▪  30 Situación del agua Volumen en km³ Porcentaje Agua dulce Agua salada de agua dulce de agua total Embalses 11.470 – 0,03 0,0008 Ríos 2.120 – 0,006 0,0002 Agua biológica 1.120 – 0,003 0,0001 Total agua dulce 35.029.110 100 – Total agua en la tierra 1.386.000.000 – 100 Fuente: http://es.wikipedia.org/wiki/Agua#Distribuci.C3.B3n_de_agua_en_la_naturaleza Al analizar la tabla 1.1 se puede observar que mientras los océanos repre- sentan el mayor volumen, los ríos son un porcentaje muy bajo de la totalidad del agua disponible en el mundo. Sin embargo, el agua presente en los océanos no es apta para el consumo humano debido a la salinidad que contiene y su desalinización es un proceso supremamente costoso. Las aguas superficiales (lagos de agua dulce, ríos, lagunas, ciénagas) que son las que el hombre utiliza para desarrollar sus funciones básicas (abastecimiento de agua potable, navegación, recreación, etc.), desafortunadamente son las que se encuentran más contaminadas debido a que reciben directamente las descargas de aguas residuales sin ningún tratamiento. Muchas corrientes superficiales en el mundo se encuentran en estados avanzados de contaminación y no tienen ningún uso, excepto el de ser receptoras de desechos. Los lagos y las ciénagas en el mundo son abundantes y juegan un papel importante en los balances locales de agua. Los grandes lagos del mundo están localizados en el hemisferio norte; en el Sur solo son de importancia los ubicados en África. En cuanto a países, la desigualdad del reparto del agua sobre la tierra depende de factores físicos (climas) y humanos (densidad de población). Para calcular los recursos hídricos de un país, en general se tienen en cuenta dos variables: i) Las precipitaciones, útiles para la vegetación y los cultivos en el mundo varían entre una media de 1 cm/m2 por año a 10 m/m2 por año, es decir, menos de 10.000 m3 a 10 millones de m3 por km2 por año. ii) Los fluidos locales (superficiales o subterráneos) por unidad de superficie, que varían algunos entre m3 /km2 por año (en zonas muy áridas) a más de tres millones de m3 /km2 por año en las regiones más bañadas.
  26. 26. Calidad del agua - Evaluación y Diagnóstico ▪  31 La primera desigualdad y la más evidente es la repartición del agua entre las grandes zonas. Las zonas áridas y semiáridas del mundo entero no reciben más que el 6% de las lluvias, y no es más que el 2% de los fluidos terrestres. Las zonas húmedas templadas e intertropicales se reparten el resto, es decir, la mayor parte. La gama de los recursos hídricos “nacionales”  es muy grande; la diferencia entre los extremos es inmensa. De este modo, nueve “gigantes”  mundiales del agua se reparten el 60% de los recursos terrestres. La tabla 1.2 presenta la distribución, en los países, de la disponibilidad de agua por kilómetro cuadrado. Tabla 1.2 Distribución de los recursos hídricos superficiales por paises Los países más ricos Cantidad km3 /año Los más pobres Cantidad km3 /año/ km2 Brasil 8.233 Bahrein Casi nada Rusia 4.507 Kuwait 0,02 USA 3.051 Bahamas 0,02 Canadá 2.856 Maldivas 0,03 Indonesia 2.838 Qatar 0,1 China 2.830 Malta 0,1 Colombia 2.132 Barbados 0,1 Perú 1.913 Antigua y Bermudas 0,1 India 1.897 Emiratos Árabes Unidos 0,2 Nota: Todas las cifras, anteriormente citadas, provienen de http://www.greenfacts.org/es/recursos- hidricos/figtableboxes/3.htm Fuente: elaboración propia. Para corregir la incidencia de las grandes diferencias de densidad de población de los países, estos fluidos se pueden ajustar a las poblaciones, expresándolos en fluido medio por habitante, o ajustar los recursos a la población, expresándolos en número de habitantes por millón de m3 /año. Así se observa que los más importantes en recursos hídricos por habitante están en los países ecuatoriales. En el otro extremo se encuentran países áridos o insulares y/o muy poblados que son los más débiles en recursos en hídricos por habitante. La tabla 1.2, también, muestra cómo estos países cuentan con un recurso global limitado. Entre los 9 países más pobres se encuentran 4 países árabes y la mayoría de los territorios insulares.
  27. 27. Carlos Alberto Sierra Ramírez ▪  32 1.4 LOS RECURSOS HÍDRICOS EN COLOMBIA 1.4.1 Vertientes Colombia ha sido, y hasta hoy lo es, un país rico en recursos hídricos lo cual la ubica en una posición privilegiada en el ámbito internacional. En el país existen cuatro vertientes principales: Caribe, Pacífico, Orinoco y Amazonas (figura 1.1). Al analizar con cuidado el mapa de las vertientes, se puede observar que prácticamente toda la población está asentada en la vertiente del Caribe, y los ríos Cauca y Magdalena son las principales corrientes de drenaje. Esta situación ha hecho que estos ríos sean las dos arterias fluviales más importantes del país y, por lo tanto, estén recibiendo directa e indirecta- mente las aguas residuales, prácticamente sin tratar, de casi 15 millones de personas, además de las del sector industrial que está asentado en el área. A esta situación se agrega la erosión intensa de esta vertiente que arrastra gran cantidad de sedimentos lo cual ha afectado los usos tradicionales del agua en estos ríos. La cuenca de los ríos Cauca y Magdalena tiene un área aproximada de 273.300 km2 y en ella se ubican aproximadamente 637 municipios. En las vertientes del Orinoco y el Amazonas están ubicados los ríos más caudalosos del país y afortunadamente se encuentran prácticamente en su estado natural. Es de esperar que el uso del agua de estas corrientes, en el futuro, se haga de una manera controlada para garantizar a las próximas generaciones suministros adecuados de agua tanto en cantidad como en calidad. Referente a los lagos, lo más generalizado es afirmar que en Colombia no existen lagos propiamente dichos, atendiendo al tamaño de los depósitos que existen en el ámbito mundial. Entre los pocos lagos o lagunas que existen en el país se tienen La Tota, La Cocha, Fúquene. Es importante anotar que algunos de estos cuerpos de agua están contaminados o próximos a estarlo. Con respecto a los embalses, en el país los más importantes son los de gene- ración de energía; se destaca como el de mayor volumen el embalse El Peñol, en Antioquia, con un volumen aproximado de 1.200 millones de m3 . Este embalse se caracteriza por ser prácticamente el único embalse de regulación en el país. 1.4.2 Aprovechamiento de los recursos hídricos en Colombia Colombia es un país que depende fundamentalmente de sus aguas superficiales para el abastecimiento de agua municipal, la agricultura y la generación de energía. Las aguas subterráneas se utilizan básica y fundamentalmente para riego de cultivos (por ejemplo, en el Valle del Cauca, la Sabana de Bogotá, ­Tolima, etc.), para la industria y para abastecimiento en algunos pocos municipios, especialmente ubicados en la costa atlántica.
  28. 28. Calidad del agua - Evaluación y Diagnóstico ▪  33 PANAMÁ 255 MWVERTIENTE DEL CARIBE VERTIENTE DE LA ORINOQUÍA VERTIENTEDELPACÍFICO VERTIENTE DEL AMAZONAS BRASIL VENEZUELA ECUADOR PERÚ SAN ANDRES Y PROVIDENCIA OCÉANO ATLÁNTICO San Andrés Figura 1.1 Vertientes hídricas en Colombia Fuente: http://www.google.com.co/imgres?imgurl=http://www.kalipedia.com/kalipediamedia/geo- grafia/media/200807/31/geocolombia/20080731klpgeogco_2_Ges_SCO.png&imgrefurl
  29. 29. Carlos Alberto Sierra Ramírez ▪  34 Con referencia al sector energético, aproximadamente el 70% de la gene- ración nacional es hidroeléctrica. El hecho de que el agua sea utilizada con propósitos de generar energía no significa que no deba tener buena calidad. La presencia de contaminantes causa la eutroficación de los embalses, sedimen- tación y problemas de navegabilidad y de operación en la casa de máquinas (presencia de malos olores, corrosión en los equipos electromecánicos, incrus- taciones, etc.), que pueden poner en peligro las inversiones. 1.5 NATURALEZA DEL PROBLEMA Como se puede apreciar, con base en la anterior discusión, el ingeniero de ca- lidad del agua en nuestro medio está, y lo estará más en el futuro, enfrentado a estudiar, diseñar e implementar los mecanismos de control para evitar que se sigan contaminando nuestros recursos hídricos y, además, deberá estar en capacidad de establecer objetivos específicos de calidad para el recurso agua. El problema actual que se tiene surge principalmente por las descargas de residuos provenientes de actividades humanas y naturales que, de alguna manera, interfieren con el uso deseable del agua. El uso deseable del agua es, por supuesto, materia de considerable discusión e interacción en el ambiente sociopolítico, y su determinación depende de la habilidad económica de una región dada para mantener y mejorar su calidad del agua. Los principales usos deseables del agua, entre otros, son: abastecimiento de agua municipal e indus- trial, recreación (navegación, natación y belleza del paisaje), pesca comercial y deportiva y para mantenimiento del balance ecológico. 1.5.1 Los problemas de contaminación, sus efectos deteriorantes y las variables asociadas con la calidad del agua. La tabla 1.3 muestra cómo los problemas de contaminación se manifiestan e interfieren en los diversos usos benéficos del agua y su subsecuente confirmación por muestreo y análisis de la calidad del agua. Por ejemplo, se ha observado que una concentración baja de oxígeno disuelto en una corriente de agua interfiere en la vida de los peces y causa molestias de tipo estético; la presencia de niveles altos de bacterias inutiliza un recurso hídrico para recreación; asimismo, se ha demostrado que la presencia de ciertos metales pesados en el agua para consumo humano puede producir cáncer y toxicidad en los usuarios. La tabla 1.3 también indica las variables de calidad del agua asociadas con cada problema. 1.5.2 Perspectiva general En términos generales y resumiendo, el ingeniero y el científico especializado en la calidad del agua deben analizar los problemas de calidad del agua ­considerando
  30. 30. Calidad del agua - Evaluación y Diagnóstico ▪  35 sus principales componentes. La figura 1.2 muestra tales componentes y explica cómo debe administrarse o un recurso hídrico. Las entradas corresponden a las descargas de sustancias o contaminantes provenientes de las actividades del hombre y la naturaleza y que se generan en la cuenca. Las reacciones y el transporte físico, esto es, las transformaciones químicas y biológicas que ocurren en el ecosistema producen niveles diferentes de calidad del agua en determinado tiempo y espacio en el cuerpo de agua. Dada la complejidad de los ecosistemas acuáticos, en la práctica, el ingeniero de calidad del agua ha tratado de representar las distintas reacciones que ocu- rren en estos ecosistemas por medio de modelos matemáticos y así disponer de herramientas para poder tomar decisiones. Tabla 1.3. Problemas de contaminación, sus efectos y variables asociadas con la calidad del agua Aparición del problema Interferencia Problemas Variables 1. - Mortalidad de peces - Olores molestos - H2S - Organismos desagradables - Cambio radical en el ecosistema Pesca Recreación Salud ecológica Oxígeno disuelto (OD) bajo DBO NH3, Norg. Sólidos orgánicos Fitoplacton OD 2. - Transmisión de enfermedades - Trastornos gastro-intes­ tinales, irritación de ojos Abasto de agua Recreación Niveles altos de bacterias Coliformes Totales Coliformes fecales Estreptococos Virus 3. - Sabor y olor - algas azul-verdes - Problemas estéticos algas en exceso - Disturbios en el ecosistema Abasto de agua Recreación Salud ecológica Crecimiento excesivo de plantas (eutroficación) Nitrógeno Fósforo Fitoplancton 4. - Carcinógenos en el agua potable - Pesca cerrada - niveles altos de toxicidad Ecosistema alterado; mortalidad, reproducción impedida Abastecimiento de agua Pesca Salud ecológica Niveles altos de toxicidad Metales pesados Sustancias radioactivas Plaguicidas Herbicidas Fuente: elaboración propia
  31. 31. Carlos Alberto Sierra Ramírez ▪  36 Las salidas son las concentraciones resultantes de las sustancias estudiadas (oxígeno disuelto, nutrientes, etc.) en el cuerpo de agua, en un tiempo específico y en un lugar determinado. No CUENCA HIDROGRÁFICA ECOSISTEMA ACUÁTICO (Ríos, lagos,...) Reacciones físicas, químicas y biológicas Transporte de contaminantes MODEL0 DE CALIDAD DEL AGUA Uso deseable del agua Normas de salud pública, ambientales y de calidad del agua SALIDA Concentración de una sustancia (C) MEDIDAS DE CONTROL ENTRADAS Descargas puntuales y distribuidas C Cd= Si Concentración deseable (Cd) ECOSISTEMA ACUÁTICO SANEADO � Figura 1.2 Ingeniería de la calidad del agua Fuente: elaboración propia. Como se mencionó anteriormente, la figura 1.2 es un esquema que debe ser utilizado en la administración de cualquier recurso hídrico que se quiera man- tener en condiciones óptimas de calidad del agua. El proceso de administración de la calidad del agua se puede explicar de la siguiente manera: las descargas se vierten en el sistema ecológico, un río, lago, estuario o región oceánica. Estas descargas, como resultado de fenómenos químicos, biológicos y físicos, generan la contaminación del recurso hídrico. Por otro lado, a través de audiencias públicas, legislación y evaluación, se establece el uso deseable del agua para una región particular. Tal uso deseable se traduce en normas de salud pública y ambiental que luego se comparan con la concentración de la sustancia en la descarga del residuo. Esta comparación entre lo deseado y lo real puede resultar en la necesidad de implantar medidas de control si la concentración actual o proyectada no es igual a la deseada. Las medidas de control se diseñan para las descargas, a fin de reducir la concentración real. En la ingeniería de la calidad del agua, la presentación de varias alternativas de control para llegar al mismo objetivo constituye un eje central dentro del proceso de toma de decisiones para la gerencia de la calidad del agua.
  32. 32. Calidad del agua - Evaluación y Diagnóstico ▪  37 1.6 DEFINICIÓN DE TÉRMINOS Y CONCEPTOS BÁSICOS EN EL ANÁLISIS DE LA CALIDAD DEL AGUA 1.6.1 Concepto de carga y flujo de contaminantes Es común determinar la cantidad de un contaminante que ingresa a un cuerpo de agua en términos de la cantidad del contaminante por unidad de tiempo o área. A continuación se explica cada uno de estos conceptos. 1.6.1.1 Concepto de carga contaminante (W) Como se muestra en la figura 1.3(a), los vertimientos líquidos típicamente se expresan en términos de carga (W). Si se denomina m a la masa de un conta- minante y Q al caudal que lo transporta, la carga contaminante W se determina con las expresiones siguientes: W Q C Q m W m t = = ∀ ⇒ =* * (1.1) En la expresión anterior, ∀ es el volumen, m la masa y t el tiempo. C Q u Ac C (a)  Carga contaminante (W = C*Q)    (b)  Flujo contaminante (J = u*C) Figura 1.3 Concepto de carga y flujo contaminante Fuente: elaboración propia. 1.6.1.2 Concepto de flujo contaminante (J) El término flujo de un contaminante se usa para designar la tasa (J) de movi- miento de la cantidad de un contaminante que pasa un una determinada área. Para el caso de un conducto (tubería o canal), el flujo de una sustancia química que pasa a través del área se puede calcular con las siguientes expresiones: J u C u m u m X A m t A J W Ac c c = = ∀ = = ⇒ =* * * * * 1 (1.2) Los conceptos expuestos anteriormente son aplicables cuando la carga conta- minante se descarga a través de una tubería o un canal, es decir, el vertimiento
  33. 33. Carlos Alberto Sierra Ramírez ▪  38 se hace a través de un sistema que se puede ver físicamente y se realiza en un solo punto. En estos casos al vertimiento se le denomina carga contaminante puntual. Si, por el contrario, el contaminante ingresa al recurso hídrico a través del subsuelo por causa de la escorrentía que produce la lluvia se denomina carga contaminante distribuida o no puntual. Ejercicio 1.1 Cálculo de la carga contaminante y flujo de sólidos • Un sedimentador secundario en una planta de tratamiento de agua residual opera con un volumen constante. El tanque tiene un diámetro de 39 m y una profundidad de 3 m. Al tanque le ingresa un caudal de 100 L/s y una concentración de sólidos suspendidos de 2.500 mg/L. Determinar la carga contaminante y el flujo de sólidos en el tanque. Solución: 1. Carga contaminante W = C*Q = 2.500 mg/L * 100 L/s = 21.600 kg/d 2. Flujo de sólidos Área superficial del tanque = p * d2 /4 = 3,14 * 392 /4 ≅ 1.194 m2 J = W/A = (21.600 kg/d)/1.194 m2 ≅ 18,1 kg/m2 /d –v– 1.6.2 Expresiones y términos utilizados en calidad del agua Operaciones unitarias. Técnica mediante la cual se cambian las características al agua utilizando un método físico. Físico es todo lo que se puede detectar con los órganos de los sentidos. Ejemplo: colocar una malla en un canal para separar material grueso del agua (papeles, piedras, etc.). Procesos unitarios. Técnica mediante la cual se cambian las características al agua, agregándole una sustancia química o un agente biológico. Ejemplo: agregar cloro al agua para desinfectarla, el proceso de lodos activados. Agua potable. Agua apta para el consumo humano, exenta de microorganis- mos que causen enfermedades, de sustancias químicas que produzcan efectos fisiológicos en el hombre y, además, estéticamente aceptable. Número atómico. Número de protones en el núcleo del átomo. Corresponde al número que se encuentra en la parte superior de cada elemento en la tabla periódica.
  34. 34. Calidad del agua - Evaluación y Diagnóstico ▪  39 Masa o peso atómico. Suma número de protones y neutrones en el núcleo. Corresponde al número que aparece en la parte inferior de cada elemento en la tabla periódica. Átomo-gramo. Conjunto de átomos cuya masa total, en gramos, es numé- ricamente igual a la masa atómica del elemento. Ejemplo: la masa atómica del azufre es 32,066 uma; un conjunto de átomos de azufre que pesen 32,066 g será un átomo-gramo de azufre. Mol. Es la suma, expresada en gramos, de las masas atómicas de los ele- mentos que forman un compuesto. Un mol de H20 es igual a la masa atómica del hidrógeno, 1 uma; pero como son dos átomos de hidrógeno son 2 umas, más 16 umas del oxígeno. Por lo tanto, un mol de H20 pesa 18 g. Equivalente gramo. El equivalente gramo está definido como la masa del compuesto que está reaccionando dividido en el número de electrones que intervienen en la reacción. Equivalente – gramo = peso molecular del compuesto/z z = número de electrones que intervienen en la reacción Ejercicio 1.2 Equivalente gramo • Determinar el equivalente_gramo del KMnO4 en la siguiente reacción química KMn+7 O4 + H2S ⇒ K2SO4 + Mn+4 O2 peso molecular  158,4           34,082 Solución: El número de oxidación del manganeso pasa de +7 a +4, por lo tanto, gana 3 electrones. 1 equivalente_gramo de KMnO4 tiene una masa de 158,04/3 = 52,7 g. –v– Número de Avogadro. Número de átomos contenidos en un átomo-gramo. El número de Avogadro es 6,02*1023 . Ejemplo: en 32 g de O2 hay 6,023*1023 moléculas de O2. 1.6.2.1 Reacciones químicas Se denomina reacción química a la transformación que sufre un elemento químico o una molécula cuando se mezcla con otro. Las reacciones químicas se
  35. 35. Carlos Alberto Sierra Ramírez ▪  40 representan por medio de ecuaciones que es necesario ajustar para determinar las cantidades de las sustancias que intervienen en las reacciones. Ejercicio 1.3 Masa total de reactantes y productos • En la siguiente reacción química, determinar la cantidad total de masa involucrada. 2 VO(s) + 3 Fe2O3(s) ⇒ 6 FeO(s) + V2O5(s) Solución: 2 unidades de óxido de vanadio se mezclan con 3 unidades de óxido férrico para producir 6 unidades de óxido ferroso, más una unidad de pentóxido de vanadio. 2 moles de VO + 3 moles de Fe2O3 ⇒ 6 moles de FeO + 1 mol de V2O5 2 * 66,95 g de VO + 3 * 159,7 g de Fe2O3 ⇒ 6 * 71,85 g de FeO + 1 * 181,9 g de V2O5 Total masa de reactantes (613 g) = Total masa productos (613 g) Como puede apreciarse se cumple la ley de conservación de masa: la masa de los reactantes es igual a la masa de los productos. –v– Ejercicio 1.4 Cálculos de cantidades de sustancias químicas • En la reacción del óxido de vanadio con el óxido férrico, ¿cuántos gramos de pentóxido de vanadio se pueden obtener a partir de 2 g de VO y 5,75 g de Fe2O3? Solución: De acuerdo con la ecuación que se describió anteriormente: 2 VO(s) + 3 Fe2O3(s) ⇒ 6 FeO(s) + V2O5(s) Primero se determina cuál de las sustancias reactantes limita la cantidad de producto y cuál se halla en exceso. Para ello, se convierten los datos a moles: En 2 g de VO hay 2/66,95 = 0,0299 moles de VO En 5,75 g de Fe2O3 hay 5,75/159,7 = 0,036 moles de Fe2O3 Según la ecuación, 2 moles de VO exigen 3 moles de Fe2O3. Luego, 1 mol de VO necesitará 3/2 moles de Fe2O3. Por lo tanto, 0,0299 moles de VO requerirán (3/2)0,0299 = 0,0449 moles de Fe2O3.
  36. 36. Calidad del agua - Evaluación y Diagnóstico ▪  41 Puesto que sólo hay 0,036 moles de Fe2O3, estos no serán suficientes para reaccionar con todo el VO presente. El VO se halla en exceso y la reacción está limitada por la cantidad de Fe2O3. Analizando nuevamente la ecuación, 3 moles de Fe2O3 originan 1 mol de V2O5, entonces, 1 mol de Fe2O3 originará 1/3 moles de V2O5 y 0,036 moles de Fe2O3 originarán (1/3)0,036 = 0,012 moles de V2O5. Un mol de V2O5 tiene una masa de 181,9 g de donde 0,012 moles de V2O5 pesarán 0,012 * 181,9 = 2,18 g. –v– 1.6.2.2 Concentración La concentración es la manera de expresar o determinar qué cantidad de un determinado soluto o sustancia hay contenida en el agua. La concentración se mide en peso de soluto (mg, g, lb, etc.) por unidad de volumen (litro, m3 , etc.). La concentración se puede expresar de varias formas: Miligramos por litro (mg/L). La concentración de cualquier sustancia en el agua se encuentra expresada en estas unidades cuando simplemente se pesa la cantidad de la sustancia que hay en un litro de agua. Partes por millón (ppm). Esta unidad es análoga a la anterior. La diferen- cia radica en que en este caso la concentración se expresa en unidades de peso/peso. En otras palabras, es peso de soluto dividido en el peso de un litro de agua. Para convertir mg/L a ppm basta con multiplicar por la densidad del agua (≈ 997 g/L). Es importante anotar que esta unidad está en desuso debido a que varios autores sostienen que la densidad del agua cuando está contaminada no se puede considerar igual a la densidad del agua destilada. Producción per cápita. Las producciones per cápita expresan los aportes promedio de una variable por unidad de referencia. Ejemplo: el consumo promedio de agua (200 L/habitante/día) o el aporte de aguas residuales por el sector comercial (1,2 L/s/ha). Molaridad. La molaridad es el número de moles de soluto que contiene un litro de solución. Se designa por M. Una solución 2 M de H2SO4 significa disolver 2 moles (98 g) de ácido sulfúrico y completar con agua hasta un volumen de 1 litro. Molalidad. La molalidad es el número de moles de soluto por cada 1000 g de solvente. Se designa por m. Una solución 2 m de H2SO4 significa disolver 2 (98 g) moles de ácido sulfúrico en 1000 g de agua o sea en 1 litro de agua. Normalidad. La normalidad es el número de equivalentes-gramo por litro de solución. Se designa por N. Una solución 0,25 N de H2SO4 significa disolver
  37. 37. Carlos Alberto Sierra Ramírez ▪  42 0,25 (98/2) g = 1,2 g de ácido sulfúrico y completar con agua hasta un volumen de un litro. Ejercicio 1.5 Equivalencias entre concentraciones • Se tienen 150 mg/L de SO4 2- , expresar la anterior concentración en las diferentes formas explicadas. Solución: 1. Partes por millón 150 mg/L ÷ 997 g/L H2O = 150,5 ppm 2. Molaridad 150 mg SO * mol 96.000 mg SO =0,0016 mol4 4L 3. Normalidad Para determinar la normalidad, primero es necesario determinar el valor del equivalente gramo de SO4 2- . El SO4 2- al tener dos electrones interviniendo en la reacción, su equivalente-gramo será: Equivalente gramo SO = = 96.000 mg 2 4 2- p m z . 150 mgSO L * 1equiv.-gram 96.000 2 mgSO =0,003eqv/L4 4 –v– Porcentaje. Es frecuente expresar la concentración en términos de porcentaje (partes por cien). Desafortunadamente, esta práctica suele ocasionar situaciones ambiguas ya que la composición por cien de una solución se puede expresar de distintas maneras. En calidad del agua, el caso más común se presenta cuando se quiere expresar el contenido de sólidos de una muestra en porcentaje. Ejercicio 1.6 Equivalencias entre concentraciones • Expresar una concentración de 5.000 mg/L de sólidos suspendidos en por- centaje. Solución: Suponiendo que la densidad de la muestra es aproximadamente 1 ton/m3 , es decir, que un litro de muestra pesa un kilogramo.
  38. 38. Calidad del agua - Evaluación y Diagnóstico ▪  43 Porcentaje peso volumen masa de soluto,g volumen − ∀       = p ssolución,mL * %100 p ∀ = 5.000 mg * g 1.000 mg L * 1.000 mL L *100 = 0,5% Entonces, 5.000 mg/L de sólidos suspendidos corresponden a un contenido de sólidos del 0,5%. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS [1] Área Metropolitana del Valle de Aburrá. Plan Estratégico Ambiental Metropolitano. Medellín, febrero de 1999. [2] Contraloría General de Medellín. Informe del Estado de los Recursos Naturales y del Medio Ambiente. Impacto Ambiental de la Gestión Municipal. 1998. [3] EPA. Office of Water. Current Drinking. Water Standards. 1999. [4] Normas de Diseño para Acueducto, Alcantarillado y Vertimientos Industriales. Empresas Públicas de Medellín. 1990. [5] Reglamento Técnico del Sector de Agua Potable y Saneamiento Básico RAS-98. Universidad de los Andes. Centro de Investigaciones de la Universidad de Ingeniería CIFI. Santafé de Bogotá, mayo de 1998. [6] Standard Methods for the Examination of Water and Wasterwater Works Association, Water Pollution Control Federation. 20 ed. New York, 1998.
  39. 39. CAPÍTULO Características físicas, químicas y biológicas del agua 2 2.1 DEFINICIÓN DE CALIDAD DEL AGUA 2.2 AGUA CRUDA O EN ESTADO NATURAL (SIN TRATAMIENTO) 2.3 AGUAS RESIDUALES 2.4 AGUA TRATADA (AGUA POTABLE) 2.5 PROPIEDADES DEL AGUA 2.6 PARÁMETROS FÍSICOS, QUÍMICOS Y BIOLÓGICOS 2.6.1 Parámetros físicos 2.6.2 Parámetros químicos 2.6.3 Características biológicas 2.7 RESUMEN SOBRE LAS CARACTERÍSTICAS FÍSICAS, QUÍMICAS Y BIOLÓGICAS DEL AGUA EJERCICIOS PROPUESTOS
  40. 40. ▪  47 CAPÍTULO 2 Características físicas, químicas y biológicas del agua 2.1 DEFINICIÓN DE CALIDAD DEL AGUA En vista de la complejidad de los factores que determinan la calidad del agua y la gran cantidad de variables utilizadas para describir el estado de los cuerpos de agua en términos cuantitativos, es difícil dar una definición simple de “calidad del agua”  . Además, los conocimientos sobre calidad del agua han evolucionado a través del tiempo a medida que ha aumentado su demanda en diferentes usos y han mejorado los métodos para analizar e interpretar sus características. La calidad de un ambiente acuático se puede definir como: i) Una lista de concentraciones, especificaciones y aspectos físicos de sustancias orgánicas e inorgánicas, y ii) la composición y el estado de la biota acuática presente en el cuerpo de agua. La calidad presenta variaciones espaciales y temporales debido a factores externos e internos al cuerpo de agua. La contaminación de un ambiente acuático significa la introducción por el hombre directa o indirectamente de sustancias o energía lo cual resulta en problemas como: daños en los organismos vivos, efectos sobre la salud de los humanos, impedimento de actividades acuáticas como natación, buceo, cano- taje, pesca, etc., e interferencia sobre actividades económicas como el riego, el abastecimiento de agua para la industria, etc. La descripción de la calidad del agua puede realizarse básicamente de dos formas: i) Midiendo variables físicas (turbiedad, sólidos totales, etc.), químicas (pH, acidez, etc.) o biológicas (bioensayos) ii) Utilizando un índice de calidad del agua (capítulo 5). Ambas formas son aceptadas y las mediciones que se requieren se realizan, ya sea en el campo o en el laboratorio, y producen varios tipos de datos que luego es necesario interpretar. Antes de discutir las propiedades y características del agua, por aspectos pedagógicos, se dice que se puede analizar la calidad del agua de acuerdo con su estado; para ello se hace distinción entre agua cruda (superficial, subterránea, marina, etc.), aguas residuales y agua tratada (potable).
  41. 41. Carlos Alberto Sierra Ramírez ▪  48 2.2 AGUA CRUDA O EN ESTADO NATURAL (SIN TRATAMIENTO) El término agua cruda se refiere al agua que se encuentra en el ambiente (lluvia, superficial, subterránea, océanos, etc.), que no ha recibido ningún tratamiento ni modificación en su estado natural. Entendiendo por fuente el recurso hídrico del cual una comunidad se abastece de agua, se puede afirmar que la calidad del agua que se encuentra en forma natural depende de la posición geográfica, origen (mar, subterránea, superficial) y hábitos de los pobladores. Las fuentes principales de abastecimiento de agua en nuestro medio son las aguas superficiales y las aguas subterráneas. Las aguas superficiales están constituidas por quebradas, ríos, lagos, embalses, etc. Según su origen, los ríos que nacen cerca de zonas mineras son generalmente aguas ácidas y los ríos montañosos tienen agua con temperaturas más bajas que los que recorren los valles, etc. Fenómenos naturales como la erosión arrastran sedimentos que hacen variar la calidad del agua de los ríos, quebradas, etc. Tal vez la causa más importante en la variación de la calidad del agua original de una fuente superficial es la actividad humana. Actividades como la industria, el uso extensivo de pesticidas y abonos en la agricultura, la explotación minera, la descarga de basuras y el vertimiento de los desechos domésticos son los causantes del deterioro en que se encuentran actualmente nuestros ríos, lagos y quebradas. En conclusión, se puede decir que las aguas superficiales presentan condi- ciones que varían de una cuenca a otra, los ríos tienen características de calidad diferentes a las de los embalses y, además, la calidad del agua de las fuentes superficiales es variable con el tiempo. En cuanto a las aguas subterráneas, estas presentan condiciones de calidad más uniformes y distintas que las de las fuentes superficiales; generalmente son más claras pero más mineralizadas. Son más claras porque no reciben la misma cantidad de contaminantes que se vierten a las superficiales, y además, al infiltrarse en el terreno gran parte del material suspendido queda retenido en el suelo. Las aguas subterráneas son más mineralizadas porque tienen un gran poder para disolver los estratos del suelo, principalmente aquellos terrenos ricos en hierro y manganeso. En la tabla 2.1 se presenta, como ejemplo, la calidad del agua cruda en un embalse A ubicado en el oriente del departamento de Antioquia que sirve de fuente de abastecimiento a una población urbana. Los datos de la tabla 2.1 permiten comentar sobre las características generales que presenta la calidad del agua en lagos y embalses. Se observa, por ejemplo,
  42. 42. Características físicas, químicas y biológicas del agua ▪  49 que los sólidos totales (ST) son bajos y que casi todos los sólidos son disueltos. También, existe correspondencia entre las concentraciones de OD y DBO5, a mayor DBO5 menor OD. Tabla 2.1 Características del agua cruda en el embalse A ubicado en el Oriente de Antioquia* Fecha Profun- didad (m) OD DBO5 P Total PO4 NO3 NO2 NH3 ST SD SS Sólid. Se- dim. Alcali. Total Sechi (m) Año 1992 11-mar-92 0,0 6,4 2,67 5,0 3,0 3,27 10,0 0,0 12,15 15,0 0,0 16,20 Fondo 0,0 15,60 22-abr-92 0,0 6,5 4,38 0,020 0,003 0,036 0,0120 0,290 34 46 8 19,5 3,80 5,0 5,4 2,65 0,018 0,017 0,039 0,0012 0,220 16 68 4 16,5 10,0 0,2 11,62 0,039 0,024 0,012 0,0014 0,300 47 49 10 20,0 15,0 0,0 15,90 0,046 0,022 0,238 0,0012 0,790 47 59 16 21,0 Fondo 0,0 28,80 0,074 0,030 0,302 0,0013 1,460 56 53 27 23,0 28-abr-92 0,0 6,0 2,78 0,020 0,015 0,006 0,0071 0,040 28 57 16 18,5 2,80 5,0 5,9 2,25 0,028 0,023 0,016 0,0078 0,049 30 49 11 18,5 10,0 0,5 6,00 0,034 0,024 0,030 0,0079 0,005 45 29 17 18,0 15,0 0,0 12,45 0,050 0,024 0,113 0,0069 0,284 55 52 23 0,1 17,0 Fondo 0,0 26,55 0,127 0,084 0,289 0,0068 0,306 59 57 27 0,2 20,0 4-jun-92 0,0 7,2 0,60 0,027 0,018 0,070 0,0013 0,000 18 14 4 15,5 5,0 3,8 0,90 0,020 0,020 0,020 0,0018 0,051 24 16 8 15,0 10,0 0,9 0,80 0,035 0,018 0,000 0,0015 0,000 37 28 9 14,5 15,0 0,2 1,35 0,021 0,007 0,040 0,0016 0,000 86 52 34 14,0 Fondo 0,2 0,60 0,031 0,021 0,185 0,0016 0,000 52 30 22 13,5 8-jul-92 0,0 5,9 1,38 0,025 0,000 0,018 0,0058 0,000 66 55 6 0,0 5,0 3,7 1,45 0,015 0,014 0,119 0,0053 0,040 79 70 9 0,0 10,0 1,5 1,72 0,070 0,013 0,000 0,0052 0,060 71 55 13 0,0 15,0 0,9 3,52 0,070 0,022 0,040 0,0055 0,040 65 48 12 0,2 Fondo 29-jul-92 0,0 6,3 1,90 0,022 0,030 0,000 0,0075 0,001 50 35 15 0,0 5,0 2,4 2,85 0,032 0,000 0,005 0,0111 0,001 64 57 7 0,0 10,0 2,7 1,80 0,021 0,004 0,015 0,0142 0,002 81 63 18 0,0 Fondo 2,5 3,52 0,087 0,003 0,015 0,0122 0,002 105 43 62 0,3 Fuente: Empresas Públicas de Medellín. * Concentraciones en mg/L a excepción de los sólidos sedimentales.
  43. 43. Carlos Alberto Sierra Ramírez ▪  50 Como complemento para que el lector se forme una idea, la tabla 2.2 muestra las concentraciones promedio de los minerales y sales más importantes presentes en el agua de mar. La calidad promedio del agua de mar es prácticamente la misma en todos los océanos. Tabla 2.2 Calidad promedio del agua de mar Parámetro (ppm CaCO3) Parámetro (ppm CaCO3) Calcio 1.000 Bicarbonato 120 Magnesio 5.234 Cloruros 27.000 Sodio 23.000 Sulfatos 2.800 Potasio 500 Bromuros 40 Dureza 6.200 Fuente: elaboración propia. 2.3 AGUAS RESIDUALES Se define el agua residual como aquella que ha sido utilizada en cualquier uso benéfico. El conocimiento de la naturaleza del agua residual es fundamental para el diseño, operación y control de los sistemas de aguas residuales (recolección y tratamiento). Generalmente los generadores de aguas residuales se pueden agrupar en aguas residuales domésticas, industriales (caracterizadas o medidas y no me- didas) y comerciales. La tabla 2.3 presenta las características promedio de las aguas residuales domésticas, industriales no caracterizadas y las comerciales propias del sistema de alcantarillado de Empresas Públicas de Medellín (EPM). Adicionalmente, la tabla muestra la comparación entre las concentraciones pro- medio de las aguas residuales producidas en las ciudades de Bogotá y Medellín. Tabla 2.3 Características promedio de las aguas residuales en EPM Parámetro Residencial Parámetro Comercial Industrial no caracterizado Flujo (L/hab/d) 147 Flujo (L/s/día) 1,2 1,2 DBO5 (g/hab/d) 40 DBO5 (mg/L) 166,7 220 SS (g/hab/d) 40 SS (mg/L) 189,6 300 N (g/hab/d) 4,81 N (mg/L) 17,8 17,9 P (g/hab/d) 0,473 P (mg/L) 1,75 1,88
  44. 44. Características físicas, químicas y biológicas del agua ▪  51 Parámetro Bogotá Medellín DBO5 (mg/L) 190 202 DQO (mg/L) 382 396 ST 403 463 SS 160 215 SSV 129 150 N total – 21,3 P total – 8,1        Fuente: elaboración propia. En la tabla 2.4 se presenta la correspondencia entre los parámetros más comunes de contaminación y el origen o fuente que la produce. Por ejemplo, se considera que la presencia de sólidos (totales, disueltos, suspendidos, etc.) se debe a, o son aportados por, actividades tales como los vertimientos de aguas residuales domésticas e industriales, la erosión natural o antrópica del suelo, aguas que se infiltran en las tuberías de alcantarillado y por conexiones erradas (alcantarillado de aguas lluvias que se conectan erróneamente con las de al- cantarillado de aguas residuales puras). De la misma manera se puede apreciar que la presencia de metales pesados en las aguas naturales o alcantarillados se debe únicamente al vertimiento de aguas residuales industriales. Tabla 2.4. Características más importantes de las aguas residuales en general y su procedencia. Característica Procedencia Color ARD, ARI, degradación natural de la materia orgánica Olor ARD, ARI Sólidos ARD, ARI, erosión, infiltración, conexiones erradas Temperatura ARD, ARI Carbohidratos ARD, ARI, ARC Grasas y aceites ARD, ARI, ARC Pesticidas Residuos agrícolas Fenoles ARI Proteínas ARD, ARI Detergentes ARD, ARI Metales pesados ARI Fósforo ARD, pesticidas Nitrógeno ARD, ARI H2S, Metano Descomposición de materia orgánica Parásitos y virus ARD ARD: Aguas residuales domésticas  ARC: Aguas residuales comerciales ARI: Aguas residuales industriales Fuente: elaboración propia.
  45. 45. Carlos Alberto Sierra Ramírez ▪  52 2.4 AGUA TRATADA (AGUA POTABLE) Se entiende por agua tratada aquella a la cual se le han variado o cambiado sus características físicas, químicas y biológicas con el propósito de utilizarla en algún uso benéfico. La calidad del agua tratada depende del uso que se le vaya a asignar o a dar. Por ejemplo, la calidad del agua para consumo humano o la utilizable para riego tienen una calidad diferente a la calidad del agua requerida por un determinado sector industrial. Las normas de calidad del agua para el abastecimiento público de agua po- table dependen de la regulación de cada país. Actualmente, las normas vigentes en Colombia para la calidad del agua para consumo humano están reguladas por la resolución 2115 de 2007 emitida por el Ministerio de la Protección Social o la que la reemplace. A manera de ejemplo, la tabla 2.5 presenta los datos de calidad del agua de los parámetros mas importantes suministrada por EPM durante el tercer trimestre de 1997 y los compara con las normas de calidad vigentes en Colombia. Tabla 2.5 Calidad del agua suministrada por EPM Parámetro Unidades Norma exigida por Ministerio de la Protección Social Resolución 2115/2007 Calidad promedio suministrada por EPM pH Entre 6,5 y 9,0 7,21 Turbiedad UNT Menor de 2 0,46 Color Co. Pt Menor de 15 4 Cloruros mg/L Menor de 250 6,48 Hierro mg/L Menor de 0,30 0,087 Aluminio mg/L Menor de 0,20 0,038 Sulfatos mg/L Menor de 250 9,10 Cloro Residual en la red de distribución mg/L Entre 0,3 y 2,0 0,85 Dureza mg/L Admisible hasta 300 21,12 Sólidos Totales mg/L Admisible hasta 500 48 Nota: Los valores corresponden al promedio ponderado del tercer trimestre de 1997, para la red de distribución de nueve plantas de tratamiento. Fuente: elaboración propia. 2.5 PROPIEDADES DEL AGUA El entendimiento de la naturaleza física, química y biológica del agua es esen- cial para todo ingeniero ambiental. El agua, considerada como una sustancia

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