Lección 20. Contaminación de aguas subterráneas Procesos

Lección 20. Contaminación de aguas subterráneas
Procesos contaminantes. Agentes contaminantes. Migración de contaminantes.
Transporte: advección, disfusión y dispersión. Transferencia de masas:
Procesos modificadores: precipitación – disolución, oxidación – reducción,
adsorción e intercambio iónico. Otros procesos.
PRINCIPALES AGENTES CONTAMINANTES
Se pueden establecer los siguientes grupos: Contaminantes químicos, contaminantes
biológicos y contaminantes radioactivos
Los contaminantes químicos son muy variados y se pueden clasificar en iones normales,
iones nitrogenados, materia orgánica, metales pesados y compuestos tóxicos.
El grupo genérico de iones normales comprende los iones cloruro, sulfato, bicarbonato, sodio,
calcio, magnesio y los parámetros derivados: residuo seco y dureza. Un exceso general de
sales en el agua de bebida, por encima de los 1500 mg/l prescritos en la RTS no suele acarrear
graves consecuencias para un consumidor sano normal. No obstante, la presencia de ciertos
iones a partir de determinadas concentraciones puede presentar inconvenientes se sabor con
ciertos efectos fisiológicos y domésticos. Así, un exceso de cloruro, más de 300 mg/l,
proporciona al agua sabor salado. El sulfato a elevada concentración da sabor amargo, al igual
que el magnesio cuando aparece en concentraciones de varios centenares de mg/l. Efectos
laxantes suelen aparecer ligados a la asociación de sulfatos y magnesio o sodio en cantidades
importantes. El principal efecto de la dureza en las aguas de uso doméstico es el incremento en
el gasto de jabón, detergentes o productos de ablandamiento de las aguas para evitar
incrustaciones, aparte de las dificultades en la cocción de verduras y otros alimentos.
En cuanto a los iones nitrogenados, sobre todo se trata de los nitratos derivados de la
utilización de fertilizantes. La presencia de nitritos y amonio puede indicar que proceden de la
descomposición de la materia orgánica de algún vertido de residuos y que puede venir
acompañada de organismos patógenos.
Los principales inconvenientes que puede causar la materia orgánica en aguas destinadas al
consumo humano son los de color, olor y sabor, la posibilidad de existencia de
microorganismos patógenos que se nutren de ella y la presencia de ciertas sustancias
orgánicas no biodegradables que permanecen en el agua y cuyos efectos sobre la salud
humana aún no son suficientemente conocidos.
Se incluyen bajo la denominación de metales pesados los iones metálicos que, aunque suelen
aparecer como trazas en las aguas subterráneas, pueden ser indicio fundado de contaminación
cuando sus concentraciones son anormalmente altas. La presencia de Fe y Mn no constituye
un problema para la salud ya que mucho antes de alcanzar niveles tóxicos el agua es
intolerable por su sabor. La presencia de Al, fácilmente eliminable por el organismo, no parece
plantear especiales inconvenientes para la salud. Tampoco el Cu, ya que a elevadas
concentraciones comunica al agua un sabor desagradable. El Pb es muy peligroso por ser
acumulativo pudiendo provocar anemia, dolores abdominales, parálisis musculares etc..
cuando se ingiere de manera continuada en concentraciones altas. El Cr hexavalente es muy
tóxico y especialmente peligroso por su persistencia.
Entre los compuestos tóxicos y trazadores, los plaguicidas organoclorados son los más
peligrosos por su elevada toxicidad, por ser acumulativos y difícilmente degradables. Los
organofosforados y carbonatados presentan en general menos peligro aunque los posibles
efectos de todos ellos son escasamente conocidos.
Los detergentes comunican espuma y mal sabor.
El cianuro es altamente tóxico a elevadas concentraciones.
El principal problema que puede entrañar la contaminación microbiológica de las aguas
subterráneas consiste en la posible propagación de enfermedades producidas por bacterias o
virus que sean introducidas en el acuífero por los vertidos de productos fecales de origen
humano o animal.
A pesar del cuidadoso control de las sustancias radioactivas y de lo esporádico del vertido
accidental de las mismas, el riesgo de contaminación por estas sustancias no es despreciable
aunque no sea grande.
MECANISMOS DE INTRODUCCION Y PROPAGACION DE LA CONTAMINACION
EN EL ACUIFERO
Los principales mecanismos de llegada de contaminantes son los de propagación a partir de
la superficie, que incluyen los casos de arrastre de contaminantes desde la superficie del
terreno por las aguas de infiltración (vertidos sobre el terreno, uso de fertilizantes, etc..) y los de
infiltración de aguas superficiales contaminadas desde ríos, acequias, etc.., provocados por la
acción humana; los de propagación desde la zona no saturada cuyos ejemplos más típicos
son los derivados de los sistemas de tratamiento de aguas residuales domésticas y de
embalsamiento superficial de residuos líquidos de diversa procedencia y, finalmente, los de
propagación originados en la zona saturada cuyos casos más típicos son los pozos de
inyección y la progresión de la intrusión salina por alteración del régimen de flujo.
CONTAMINANTE
Contaminación
I. Arrastre de contaminantes
desde la superficie
CONTAMINANTE
Contaminación
II. Inyección directa al acuífero
CAUSAS DE CONTAMINACIÓN
- por actividades urbanas
- por actividades agrícolas
- por actividades industriales
- por aguas salinas
- por actividades mineras
- por vertidos de origen urbano
- otros
MIGRACIÓN DE CONTAMINANTES
Es el conjunto de procesos de transporte, almacenamiento, intercambio y transformación
(transferencia), que por causas físicas, químicas y biológicas afectan a los solutos en el suelo
y las aguas subterráneas
El transporte de solutos o de contaminantes en medios porosos, saturados, homogéneos e
isótropos está regido por una ecuación de conservación de masa, que tiene en consideración
que el flujo está afectado por los siguientes mecanismos:
a) movimiento convectivo (desplazamiento medio)
b) dispersión aparente (difusión molecular y dispersión mecánica)
c) reacciones geoquímicas (cambio iónico, adsorción,...)
d) procesos bioquímicos, radiológicos (degradación biológica, decrecimiento radioactivo,..)
Los medios porosos constituyen sistemas heterogéneos formados por una matriz sólida, con
constituyentes minerales y orgánicos, y un complejo sistema de poros interconectados que
están rellenos de fluidos (aire o agua).
En general, el transporte de solutos afecta a las fases fluidas, gases o líquidos, que circulan a
través del sistema de poros. Los componentes de esta fase fluida, tanto orgánicos como
inorgánicos, pueden ser disueltos en la fase acuosa como iones, complejos o compuestos
eléctricamente neutros, o como grandes agregados moleculares, como los coloides. Ya que
estos componentes pertenecen a una misma fase fluida y no constituyen por sí mismos una
fase móvil distinta, son conocidos como solutos.
Los diferentes solutos de la fase fluida pueden interaccionar o no entre ellos o con la matriz
sólida, modificando o no sus propiedades físicas y químicas. Pueden sufrir también
transformaciones bióticas y abióticas dando lugar a productos de transformación que, en el
caso de algunos contaminantes, pueden ser incluso más tóxicos que los compuestos
originales.
Los solutos que no sufren ningún tipo de interacción con la matriz sólida, como procesos de
adsorción o de cambio iónico, se llaman normalmente solutos no reactivos. Si además, su
masa total en las fases fluida y sólida es constante en el tiempo se llaman también
conservativos.
TRANSPORTE DE SOLUTOS EN EL ACUÍFERO
Las sustancias disueltas, contaminantes o no, una vez incorporadas al sistema de flujo del
acuífero, pueden ser transportadas bien por el propio movimiento del agua bien por difusión
molecular, o por ambos medios simultáneamente.
Cuando son transportadas por el agua en movimiento, tienden a moverse en la dirección
general del flujo y, si no existen interacciones con el terreno, a una velocidad que es igual a la
velocidad media del agua subterránea. Sin embargo, a causa de las tortuosidades del terreno,
los solutos tienden a separarse de la trayectoria ideal del agua y a moverse con diferente
velocidad. Esta desviación de la trayectoria ideal se denomina dispersión mecánica o
hidráulica. Cuando la dispersión se produce, además, a consecuencia de una difusión
molecular, simultánea al movimiento del agua, se denomina dispersión hidrodinámica.
PROPAGACIÓN DE UNA SUSTANCIA CONTAMINANTE
DISPERSIÓN
DISPERSIÓN HIDRODINÁMICA
DIFUSIÓN MOLECULAR
En la difusión no se produce movimiento de solutos a través del movimiento del agua. El
movimiento es debido sólo a la existencia de un gradiente de concentración, no hidráulico. Su
efecto es la tendencia a la igualación de concentración en cualquier parte del sistema.
Los procesos combinados de dispersión y difusión, además de la dilución de las sustancias
disueltas, provocan la formación de un penacho de contaminación cuya forma, extensión y
velocidad de propagación dependen tanto de las características del medio como de la
sustancia que se propaga y de las características del foco emisor.
Advección
El transporte advectivo o flujo másico advectivo se refiere al movimiento pasivo de solutos
disueltos en el agua. La ecuación unidimensional de este flujo es:
FA = q ⋅ C
donde
q es el flujo de Darcy y C es la concentración en disolución
Difusión
El transporte difusivo es debido al movimiento de iones disueltos y moléculas debido a la
existencia de gradientes de concentración y a la agitación térmica de las moléculas.
Este proceso puede ser descrito mediante la Ley de Fick:
FD = −θ
θDm
∂C
∂x
donde θ es el contenido volumétrico de agua, Dm es el coeficiente de difusión del medio poroso
y x es la distancia
Dm es siempre más pequeño que el correspondiente a la difusión molecular en agua pura Da,
debido a la tortuosidad del medio:
Dm =
Da
τ
La tortuosidad (t) entre dos puntos se define como el recíproco de la relación existente entre la
trayectoria real entre los puntos y la trayectoria rectilínea. Su valor medio depende de la
estructura del medio (poros, fisuras, huecos,..) y del contenido de humedad. Su valor puede
oscilar entre 0.01 y casi la unidad. Teniendo en cuenta que la difusión molecular en agua pura
-9 2
-11
-9
es del orden de 10 m /seg, la difusión molecular efectiva puede oscilar entre 10
y 10
2
m /seg.
Dispersión
Los diferentes tipos, tamaños y orientación de los poros da lugar a velocidades que difieren de
unos puntos a otros. Además, también hay variaciones de velocidad en un mismo poro, en
donde la velocidad es más pequeña cerca de la pared del poro. Este mecanismo es llamado
dispersión mecánica, que puede ser expresada por la siguiente ecuación:
Fh = −θ
θD h
∂C
∂z
donde Fh es el transporte dispersivo y Dh es el coeficiente de dispersión mecánica, que está
linealmente relacionado con la velocidad de flujo, según la expresión:
Dh = α ⋅ v
donde v es la velocidad media del agua. Este coeficiente es normalmente llamado
dispersividad.
Dm y Dh son similares desde el punto de vista macroscópico, por lo que pueden sumarse:
D = Dm + Dh
donde D es el coeficiente de dispersión hidrodinámica.
Combinando las ecuaciones anteriores, se obtiene Fs, que es el flujo de soluto:
Fs = FA + FD + Fh
∂C
∂C
Fs = qC − θDm
− θDm
∂z
∂z
∂C
Fs = −θD
+ qC
∂z
La ecuación de continuidad para el agua en el suelo (?) es:
∂θC − ∂Fs
=
∂t
∂z
donde t es el tiempo.
La ecuación general, en una dimensión, para el transporte es:
∂θC ∂
=
∂t
∂z
θD
∂C
− qC
∂z
TIEMPO DE TRANSITO DE CONTAMINANTES
d
.....
H t
contaminante
pozo
R
medio no
saturado
mr
i
m
k
medio
saturado
T
penacho
impermeable
t = tR + T
tR = H mr / R
T=dm/ki
H = espesor no saturado
R = recarga local
mr = humedad volumétrica media del perfil
d = distancia horizontal foco - captación
m = porosidad volumétrica total
k = permeabilidad
i = gradiente hidráulico
En el medio no saturado:
H (m)
R (cm/año)
mr
tR (años)
1
5
0.1
1
20
0.1
10
5
0.1
10
20
0.1
100
5
0.1
100
20
0.1
2
0,5
20
5
200
50
1000
1
0.25
0.025
10000
30
1000
10
0.25
0.025
1000
3
En el medio saturado:
d(m)
k(m/día)
m
i
T (días)
T (años)
10
1
0.25
0.025
100
0.3
10
10
0.25
0.025
10
0.03
10
100
0.25
0.025
1
0.003
1000
100
0.25
0.025
100
0.3
TRANSFERENCIA DE MASAS
Durante el transporte de las sustancias disueltas, potencialmente contaminantes, a lo largo del
flujo subterráneo, éstas están sometidas a una serie de procesos que tienden a atenuar sus
efectos (autodepuración del agua subterránea). Estos procesos de atenuación pueden ser de
distinta naturaleza, actuar de manera preferente en una u otra parte del acuífero y ser de
eficacia selectiva en relación con determinado tipo de contaminante. Los principales procesos
que pueden tener lugar son:
Procesos físicos
Dispersión. Provoca la dilución de contaminantes. La capacidad de dispersión de un medio
depende de su grado de heterogeneidad, velocidad del agua subterránea,.. En general, es
inversamente proporcional a la porosidad.
Filtración. Elimina virtualmente todos los sólidos en suspensión. No es efectiva frente a la
mayoría de las especies químicas inorgánicas. Muy efectiva en medios arcillosos.
Circulación de gases. Favorece la descomposición de sustancias orgánicas. La limitación de
esta circulación puede provocar condiciones anaerobias. Volatilización y fuga en estado de gas
pueden afectar a nitratos y sulfatos.
Procesos geoquímicos
Formación de complejos y fuerza iónica. Los complejos y pares iónicos se forman en su
mayoría por combinación de iones polivalentes. La fuerza iónica es una medida del total de
iones disueltos. tanto una como otra hacen aumentar la cantidad de especies disueltas que
estarían limitadas por oxidación, precipitación o adsorción.
Neutralización - reacciones ácido-base. La mayoría de los constituyentes de las aguas
subterráneas son más soluble y, por tanto, más móviles cuando el pH es bajo. En la mayoría de
los casos este efecto no es importante si el pH de efluentes etc.. oscila entre 6 y 9, pero es muy
importante cuando se trata de residuos muy ácidos o muy básicos.
Oxidación - reducción. Muchos elementos pueden presentar varios estados de oxidación
estando su movilidad estrechamente ligada a dicho estado. En suelos no saturados y zonas de
recarga de acuíferos suelen predominar condiciones oxidantes o parcialmente reductoras,
mientras que en la zona saturada suelen predominar las reductoras, especialmente si existe
materia orgánica.
Precipitación - disolución. Teóricamente casi cualquier constituyente que se encuentre en
solución puede precipitar. El calcio, magnesio, bicarbonatos y sulfatos, especialmente, pueden
estar sometidos a estos procesos. Constituyentes traza como arsénico, boro, cadmio, cianuro,
hierro, plomo, mercurio,.. presentan una notable capacidad de precipitación en ciertas
condiciones.
Adsorción - desorción. El proceso de intercambio iónico puede provocar la retención de
cationes y aniones en la superficie de las arcillas. La cantidad de cationes metálicos adsorbidos
auemta con el pH. Los elementos adsorbidos pueden volver a la solución (desorción) cuando
un agua con menor concentración de estos elementos entra en contacto con el material
adsorbente. Este proceso es probablemente uno de los más efectivos en la atenuación de la
contaminación. Con excepción de los cloruros y, en menor proporción, nitratos y sulfatos, la
mayoría de los contaminantes, en condiciones favorables, pueden ser adsorbidos y a´si,
eliminados del agua subterránea.
Procesos bioquímicos
Degradación biológica y asimilación. Muchas sustancias orgánicas pueden ser extraídas del
agua por actividad biológica : sulfatos, nitratos, arsénico y mercurio pueden ser fijados
biológicamente. El molibdeno es fuertemente asimilado y fijado por las plantas.
Síntesis celular. El nitrógeno, carbono, azufre y fósforo, así como otros constituyentes traza son
necesarios para el crecimiento de los organismos y pueden, por consiguiente, ser retirados en
su movimiento desde los emplazamientos de residuos.
PROCESOS EN LA ZONA NO SATURADA
Las entradas de agua son debidas a las lluvias, al riego, recarga artificial y lixiviados de
vertidos, cuyas características físico-químicas es necesario conocer. Los procesos que en
mayor medida afectan a esta zona son la evapotranspiración que conlleva la concentración de
las sales disueltas y la absorción radicular selectiva, cuya fase líquida forma parte de la
evapotranspiración pero que puede jugar un importante papel en la pérdida de algunos iones
(nitratos fundamentalmente). El contenido en materia orgánica y la fijación atmosférica de
gases (N2, CO2, O2) actúan notablemente sobre algunas reacciones, típicamente las de
degradación de compuestos orgánicos, oxidación-reducción, precipitación-disolución y cambio
iónico.
Fijación
atmosférica
Vertidos
Sales disueltas
Contaminantes
Recarga
artificial
Sales disueltas
Agua de riego
Sales disueltas
Precipitación
Sales disueltas
CO2 O2
Evapotranspiración
CO2
O
2
Escorrentía
superficial
Concentración
Interacción
Hidrólisis
Carbonatos
Sulfatos
Disolución
Solubilidad
Vegetación
Humus
Animales
Agua intersticial
CO2
Volatilización
Absorción
radicular
N P K
Materia
orgánica
Adsorción
Metales
pesados
Precipitación
Carbonatos
Insolubles
FENOMENOS
Sulfatos
Nitratos
Oxidación
Consumo O 2
Sulfuros
Amonio
Reducción
MO presente
Falta O2
Cambio iónico
Cationes
Degradación
Plaguicidas
Orgánicos
MODIFICADORES
ROCA
Solubles
Recarga
ACUIFERO
La volatilización puede afectar al amonio y aciertas sustancias orgánicas (plaguicidas).
Realmente, en esta zona también tienen lugar la mayoría de los procesos que se indican en la
zona intermedia o zona no saturada propiamente dicha, e incluso con mayor intensidad, como
puede ser el caso de la adsorción de metales pesados o de nitrificación del amonio.
Los procesos de adsorción, incluido el cambio iónico, afectan fundamentalmente a cationes.
Son típicos los intercambios entre calcio, sodio o amonio así como la adsorción de potasio o
metales pesados, aunque también pueden afectar a aniones (fosfatos).
Los procesos de disolución - precipitación dependen básicamente de la solubilidad de los
compuestos y de su equilibrio respecto a la saturación. Estos procesos, que afectan
fundamentalmente a carbonatos también pueden afectar a otras sales (fosfatos). El algunos
casos, las sales precipitadas pueden ser nuevamente puestas en disolución cuando se
modifica la fuerza iónica, como ocurre con el carbonato de cadmio en presencia de agua de
cierta salinidad.
Las reacciones de oxidación en ambiente aerobio, capaz de aportar oxígeno, son
especialmente intensas en los compuestos del nitrógeno (nitrificación del amonio y nitrito) y en
los sulfuros, que son transformados a sulfatos. Por el contrario, las reacciones de reducción, en
ambiente anaerobio y con presencia de materia orgánica, conducen a la formaciónde amonio
(desnitrificación) y sulfuros (reducción de sulfatos).
La biodegradación que afecta a las sustancias orgánicas tiene lugar en los primeros
centímetros del suelo donde tanto la presencia de oxígeno como la actividad biológica es muy
elevada. Esta biodegradación provoca una rápida disminución de la carga contaminante
orgánica existente en el agua, que se constata por descensos en los valores de los parámetros
que la caracterizan, como son la DBO5, DQO y materia orgánica.
Finalmente, las sustancias solubles y que no han sido retenidas por los distintos procesos
mencionados alcanzan el acuífero con el agua de recarga.