Contaminación por sustancias tóxicas

Contaminación por
sustancias tóxicas
Referencias
• Chapra, 1997. Surface Water Quality Modelling.
McGraw-Hill
• Thomann & Mueller, 1987. Principles of surface
water quality modeling and control. Harper &
Row, 1987.
• Orozco y otros. 2003. Contaminación Ambiental.
Una visión desde la Química. Thompson.
• Legislación de aguas. Novena edición
actualizada (2005). Tecnos.
1
Contaminantes convencionales vs.
sustancias tóxicas
• Sustancias naturales vs. sustancias extrañas a los ciclos
biogeoquímicos difícilmente degradable, y por tanto,
acumulables en la cadena trófica (bioacumulación)
• Originalmente, la eliminación de contaminantes
convencionales estuvo motivada por los efectos
estéticos de éstos sobre los sistemas naturales. La
principal motivación para el control de las sustancias
tóxicas son sus efectos directos sobre la salud.
• Unos ‘pocos’ tipos vs. una gran diversidad de
contaminantes (ver Reglamento de Dominio Público
Hidráulico, aprobado por R.D. 849/1986 de 11 de abril)
Contaminantes
(Anejo II del Reglamento de Dominio Público Hidráulico)
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Compuestos organo-halogenados y sustancias que pueden dar origen a
compuestos de este tipo en el medio acuático (ej. PCBs)
Compuestos organo-fosforados
Compuestos organo-estánnicos
Sustancias cancerígenas, mutagénicas o que afecten a la función
esteroidogénica, al tiroides, reproducción o a otras funciones endocrinas
Hidrocarburos persistentes y sustancias bioacumulables (ej. HAPs)
Cianuros
Metales y sus compuestos ( Hg & Cd en la relación I, y los demás en la
relación II del Anejo III)
Arsénico y sus compuestos
Biocidas y productos fitosanitarios
Materias en suspensión
Sustancias que contribuyen a la eutrofización (en particular, nitratos y
fosfatos)
Sustancias que ejercen una influencia desfavorable en el balance de
oxígeno (y que pueden ser medidas como DBO o DQO)
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Origen
-Actividades de la minería,
fundición y refinado
-Emisiones de la combustión de
combustibles fósiles (deposición
atmosférica)
-Vertidos de aguas residuales de
determinadas industrias siderometalúrgicas, tratamiento de
superficies, curtidos, etc.
-Utilización de productos que
llevan en su composición estos
elementos (ej. Fungicidas, aditivos
de la gasolina, pinturas, etc.)
Efectos
Interacciones en la toxicidad de
mezclas de metales en un mismo
sistema contaminante, p.ej.
-Cadmio-Niquel Antagonismo
-Cadmio-Zinc Sinergia
-Cobalto-Níquel Aditiva
+∆ Toxicidad
Toxicidad de los metales (*)
¡Pero, la toxicidad depende también de la forma
química del metal en el agua! (ej. Hg)
*CE50 = Conc. de tóxico en el agua que produce efectos sobre el 50% de individuos
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Clear Lake, CA
Sulphur Bank
4
Formas químicas en el agua
Balances de masas para sustancias
tóxicas en un CSTR sin sedimento
Volatilización
Cargas
Disuelta - Particulada
Salidas
(lavado)
Deposición
Descomposición
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Balances de masas para formas disuelta
y particulada
(1)
(2)
(1)+(2)
dcd
= Q(cd )in − Qcd − kVcd − vv Acd
dt
dc
V p = Q(c p )in − Qcp − kVcp − vs Acp
dt
d (c p + cd )
V
= Q(c p + cd )in − Q(c p + cd )
dt
− kV (c p + cd ) − vs Acp − vv Acd
V
V
dc
= Qcin − Qc − kVc − vs AcFp − vv AcFd
dt
Partición sólido-líquido
La toxicidad y los procesos que sufre el contaminante
depende de si está en forma disuelta o particulada
[ A] = [ A]d + [ A] p
Ad + SS _ ↔ SS _ A p
[ A ]d = [ A ]
Kd =
[ SS − A p ]
[ Ad ][ SS − ]
1
= [ A ] Fd
1 + K d [ SS _ ]
[ A] p = [ A]
K d [ SS _ ]
1 + K d [ SS _ ]
Coeficiente de partición (10-4-103 g-1)
1 = Fd + F p
= [ A]F p
m, Sólidos en suspensión (1-102 gm-3)
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Ecuaciones de balance de masas
para sustancias tóxicas (CSTR)
agua + sólidos + contaminante
Qin = Qout = Q ⇒ V = const.
V
dm
= Qmin − Qm − vs Am
dt
V
dc
= Qcin − Qc − kVc − vs AcFp − vv AcFd
dt
Ecuaciones de balance de masas
para sustancias tóxicas (CSTR)
agua + sólidos + contaminante
Qin = Qout = Q ⇒ V = const.
m=
c=
Qmin
= βmin
Q + vs A
En estado
estacionario
(horizontes
temporales
muy largos)
Qcin
= βmin
Q + kV + vs AFp + vv AFd
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Ejemplo 1
Contaminación por PCB en el Lago Hurón
Balances de masas para sustancias
tóxicas en un CSTR con sedimento
Volatilización
Salidas
(lavado)
Deposición
Resuspensión
Disuelta - Particulada
Difusión
Cargas
Descomposición
Disuelta - Particulada
Consolidación (‘burial’)
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Balances de sólidos
dm1
= Qmin − Qm1 − vs Am1 + vr Am2
dt
dm2
=
vs Am1 − vr Am2 − vb Am2
dt
En estado estacionario
0 = Qmin − Qm1 − vs Am1 + vr Am2
0=
(2)
0=
vs Am1 − vr Am2 − vb Am2
m2 =
(1)
vs Am1 − vr Am2 − vb Am2
vs
m1
vb + vr
0 = Qmin − Qm1 − vs Am1 + vr Am2
m1 =
Qmin
Q + vs A − vr A
v
Fr = r
vb + vr
vs
vb + vr
=
Q
min
Q + vs A(1 − Fr )
vr >> vb
vr << vb
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Sólidos en el sedimento
• Porosidad, Φ (0.8-0.95)
V2 = Vl + Vp
Φ = Vl /V2
1 − Φ = Vp / V2
• Densidad ρ (2.4-2.7 x 106 gm-3) y
concentración de sólidos m2
Masa de la fase sólida en el sedimento
M
ρ= 2
Vp
ρVp
M
m2 = 2 =
= ρ (1 − φ )
V
V
(1)
0 = Qmin − Qm1 − vs Am1 + vr Am2
(2)
0=
vs Am1 − vr Am2 − vb Am2
ρ (1 − φ )
9 parámetros
Q A min m1 ρ φ vs vb vs
Fácilmente observables o de la literatura
(A)
Qmin − Qm1 = vb Aρ (1− φ ) (1)+(2)
(B) Datación de sedimentos (Pb-210)
De la ecuación (2), conocidos
los demás parámetros
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Ejemplo 2
Balance de sólidos en el Lago Ontario
Balances de masas para sustancias
tóxicas en un CSTR con sedimento
Volatilización
Salidas
(lavado)
Deposición
Resuspensión
Disuelta - Particulada
Difusión
Cargas
Descomposición
Disuelta - Particulada
Consolidación (‘burial’)
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Balance de contaminante
V1
V2
dc1
= Qcin − Qc1 − k1V1c1 − vs Ac1Fp1 − vv Ac1Fd1
dt
+ vd A(c2 Fd 2 − c1Fd1 )
dc2
= −k2V2c2 + vs Ac1Fp1 − vr Ac2 − vb Ac2
dt
1
+ vd A(c1Fd1 − c2 Fd 2 ) =
φ + K d 2 [ ρ (1 − φ )]
vd (m/año) = 69.35φM −2 / 3 siendo M=peso molecular
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