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    10.3. ORGENES, TIPOS Y CLASIFICACIONES DE LOS PROCESOS CONTAMINANTES.

    10.3.1 Introduccin. Un curso de agua se considera contaminado, cuando la composicin o el estado de sus aguas son directa o indirectamente modificados por la actividad del hombre, en tal medida que su utilizacin se ve restringida para todos o para algunos de aquellos usos para los que podra servir en su estado natural. La contaminacin de las aguas puede originarse por causas naturales o por la actividad humana. En la actualidad la ms importante, es sin duda, la provocada por el hombre. El desarrollo y la industrializacin suponen un mayor uso del agua disponible, una gran generacin de residuos muchos de los cuales van a parar al agua, y el uso de medios de transporte fluviales y martimos que, en muchas ocasiones, son causa directa de la contaminacin de las aguas. Los efectos de la contaminacin dependen en gran medida del tipo de contaminante, de la intensidad de la contaminacin, del tipo de disposicin en el subsuelo y del tiempo de aplicacin de la carga contaminante. La intensidad de la contaminacin se determina a partir de la concentracin relativa a las normas de calidad o de potabilidad y en muchos casos, es funcin de la proporcin de la recarga local afectada por la contaminacin. El modo de disposicin en el subsuelo tambin determina la amplitud de la zona afectada. 10.3.2 Mtodos de sistematizacin o clasificacin de la contaminacin y sus procesos La gran variabilidad de los procesos contaminantes ha propiciado diversos mtodos de sistematizacin o clasificacin. Las agrupaciones ms significativas son:

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    A) Mtodos de clasificacin relacionados con los constituyentes de los contaminantes, su concentracin, la magnitud de algn parmetro o alguna de sus caractersticas fsico-qumicas. Un ejemplo de este grupo son la clasificacin de los contaminantes orgnicos entre compuestos DNAPL y LNAPL (Figura 10.2), o el establecimiento de niveles de contaminacin de ms componentes, por ejemplo NO3, en relacin con su concentracin en el agua subterrnea.

    Flujo de agua

    Zona

    Zo

    na

    Franja capilar

    Compuestos de hidrocarburo disueltos en el agua subterrnea

    Nivel fretico Hidrocarburo mvil

    Hidrocarburo residual

    Gasleo Vertido de hidrocarburo

    Acuitardo

    DNAPL disuelto en el agua subterrnea

    DNAPL mvil Flujo de DNAPL mvil

    TCE Vertido de hidrocarburo clorado

    Zona vadosa

    Zona saturada

    Flujo de agua

    DNAPL en fase gaseosa en la zona vadosa

    Nivel fretico

    Figura 10.2. Distribucin ideal de un compuesto LNAPL y otro del grupo DNALP dentro del acufero, en su zona saturada y no saturada (vadosa).

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    B) Clasificaciones que sintetizan las diferentes contaminaciones y su evolucin a partir de procesos fisicoqumicos a lo largo de una lnea de flujo. Como por ejemplo, todos aquellos procesos contaminantes producto de un proceso de reduccin progresiva, etc.. En estos casos, la evolucin de la contaminacin est descrita como una serie de reacciones qumicas que ocurren en condiciones variables o constantes de eH, pH, Log fO2 o temperatura, normalmente a lo largo de una lnea de flujo. La Figura 10.3 representa grficamente uno de dichos procesos, donde se clasifica de forma espacial, o zonifica, una contaminacin procedente de un depsito de residuos, a lo largo de una lnea de flujo progresivamente ms oxidante.

    X (km)

    Reduccin de nitratos

    Reduccin de Fe y Mn Sulfuros

    Metano gentico

    genticos

    Arcillas

    Vertedero

    Figura 10.3. Esquema de la contaminacin procedente de un depsito de residuos segn una lnea de flujo.

    C) Clasificaciones relacionadas con las diferentes partes del acufero. La contaminacin se describe como una suma de comportamientos y/o reacciones producidas en la zona no saturada, o en la zona saturada del mismo.

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    D) Clasificaciones relacionadas con la geometra de la fuente. Puesto que la forma de la fuente describe el grupo de contaminacin. En este caso se suele hablar de contaminacin puntual, difusa o lineal. E) Clasificaciones relacionadas con el tipo de agente o industria contaminante. Es usual en este caso emplear el trmino de contaminaciones de la industria petroqumica, o farmacutica, etc. F) Clasificaciones relacionadas con la propia accin contaminante. La contaminacin puede ser introducida en el medio de forma directa o inducida. En el primer caso, el contaminante se introduce en el acufero gracias a una accin determinada (p.ej, un vertido a un pozo), en el segundo caso, un determinado proceso fsico-qumico o actuacin humana induce a la aparicin del contaminante en el medio (p.ej, un variacin de pH debida a un variacin del agua de recarga del acufero provoca la desestabilizacin de contaminantes retenidos en el suelo y su circulacin hacia la zona saturada). Contaminacin directa Las causas ms frecuentes de contaminacin directa del medio son:

    - Vertido de aguas negras, de origen domstico, ganadero o industrial, directamente al ro. Esto provoca una infiltracin desde el cauce del ro hacia las aguas subterrneas.

    - Vertidos en la superficie del terreno. - Infiltracin de residuos lquidos en balsas. - Lixiviado de residuos slidos amontonados en la superficie del terreno

    (escombreras, basuras, lodos de depuradora...). - Fugas en depsitos y conductos subterrneos. - Excavaciones para la extraccin de ridos, y su posterior relleno con

    residuos slidos y lquidos. - Infiltracin de las aguas de riego.

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    Contaminacin inducida Los mecanismos mediante los que suele generarse una contaminacin inducida son:

    - Recarga inducida por bombeo. - Reciclado de aguas de riego. - Deficiente construccin de pozos. - Intrusin salina. - Infraestructuras viales que intersectan zonas acuferas, donde no se ha

    previsto la existencia de fugas procedente del vehculo o medio de transporte o vertidos desde los mismos, tanto en su fase constructiva como operacional

    - Zonas de recarga artificial con deficiente o discontinuo control del agua de recarga.

    En la prctica, para describir todos los aspectos relacionados con un evento de contaminacin, es necesario una combinacin de trminos que pertenecen a ms de un grupo de clasificacin. 10.3.3 ndices de la contaminacin. El proceso de contaminacin puede no ser visible en un principio, y tardar mucho en aparecer, pudiendo afectar una gran extensin. Uno de los mayores problemas que presenta es que es de lenta regeneracin. Para su anlisis existen diferentes ndices o indicadores del grado de degradacin del agua. Los principales ndices de evaluacin de la contaminacin son de tres tipos: - ndices organolpticos - ndices fisicoqumicos - ndices microbiolgicos Caractersticas organolpticas - Gusto y olor: la mayora de gustos y olores son debidos a compuestos orgnicos. Algunos a nivel 1 g/L 1 mg/L SH2 (olor a huevo podrido).

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    Caractersticas fisicoqumicas - Turbidez: expresin de la propiedad ptica que hace que la luz se dispersa cuando pasa a travs del agua. Reacciona con la cantidad y tipo de slidos en suspensin. Unidad de turbidez: NTU 1 NTU (no es visible). - Color: dos tipos de color. Verdadero color: debido a sustancias disueltas (cidos hmicos, flvico). Color aparente: debido a materiales en suspensin o coloides. - Temperatura: constancia de la temperatura de las aguas subterrneas igual a la media anual del lugar ms el gradiente geotrmico por la profundidad. - Slidos disueltos totales: TSD (mg/L). Es el residuo de una muestra filtrada despus de la evaporacin. Valores altos de TSD pueden ocasionar problemas de gusto, corrosin, efectos fisiolgicos. - pH: ndice de la actividad H+. En aguas subterrneas pH = 68,5. Acidez, alcalinidad y capacidad tampn dependiente del equilibrio qumico de las sustancias disueltas en el agua. - Eh: el potencial redox es una medida de la relativa intensidad de las condiciones de oxidacin o reduccin. Un valor positivo de Eh indica que dominan las condiciones de oxidacin. - Dureza (mg/L CO3Ca): describe las propiedades de un agua para la precipitacin de jabn o producir incrustaciones. En general una agua con menos de 75 mg/L CO3Ca se considera blanda. - Conductividad (S/cm): medida de la capacidad de una solucin para transportar una corriente elctrica. Depende de las concentraciones y tipos de materiales disueltos. - Cationes y aniones principales. Caractersticas microbiolgicas Los organismos biolgicos juegan un importante papel en una gran variedad de fenmenos qumicos que afectan la calidad del agua. Se distinguen los organismos que tienen un impacto en la salud publica y organismos que presentan algn inconveniente o molestia. - Organismos patgenos: virus, bacterias, protozoos, helmintos. En las normas de calidad se utilizan indicadores de contaminacin biolgica.

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    - Organismos molestos: en general, producen sustancias con gustos u olores o problemas estticos y operacionales. 10.3.4 Procesos fsico-qumicos de contaminacin y transporte de contaminantes o trazadores (recordatorio temas anteriores). Procesos de transporte de los contaminantes a travs de un acufero libre. En acuferos libres, un vertido contaminante desde la superficie del terreno, tiene que recorrer la zona no saturada del mismo antes de alcanzar el nivel fretico (Figura 10.4a). Ello condicionar la intensidad y el tipo de procesos fisicoqumicos que actuarn sobre l. Del mismo modo, el sentido y magnitud del flujo del agua subterrnea tendr tambin una influencia decisiva en la concentracin y distribucin espacial en que dicho contaminante aparecer en la zona saturada del mismo.

    Procesos contaminantes

    Zonas del acufero

    Procesos en el agua

    Zonasaturada

    ZonaVadosa

    Franja Capilar

    Zona radicular

    Zona intermedia

    ProcesosAditivos

    ProcesosDegradativos

    BD, ADDLPQD

    BDPQDAD

    ADDFPTP

    ADDTP

    Figura 10.4a. Esquema de los principales procesos fsico-qumicos que tienen lugar en las

    diversas zonas de un acufero libre y su relacin con la magnitud y sentido del flujo subterrneo. BD: Biodegradacin, PQD: Procesos de degradacin qumica, AD, procesos de adsorcin. ADD: Procesos de adveccin-dispersin-difusin, TP procesos de transporte de

    partculas, FP: flujos preferenciales, DL; dilucin. El tamao de las flechas es indicativo de su magnitud.

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    Procesos afectando al agua Procesos de contaminacin Zonas ambientales

    Zona superior a la superficie del suelo

    Superficie del suelo

    Suelo

    Zona vadosa (no saturada)

    Zona intermediaria (zona vadosa)

    franja capilar Zona fretica Acufero libre (saturada) (agua subterrnea)

    Superficie de la capa impermeable

    Evaporacin

    Lateral Descendente

    Ascendente Flujo no saturado

    Lateral Descendente

    Ascendente Flujo no saturado

    Agua edfica

    Biodegradacin / transformacin Adsorcin Transporte

    Biodegradacin / transformacin Adsorcin Transporte

    ADD PF

    ADD PF PT

    Transporte

    Transporte

    ADD PF PT

    Biodegradacin / transformacin Adsorcin Transporte

    Transporte Evaporacin Lixiviacin

    Irrigacin Fotodecomposicin Aplicacin

    Precipitacin Aditivo Prdidas

    Figura 10.4b. Procesos generales de contaminacin y de flujo en el acufero. En la zona no saturada, el flujo presenta un sentido muy marcado por el gradiente gravitatorio, mientras que en la zona saturada, el flujo est fundamentalmente marcado por el gradiente hidrulico. Los procesos de adicin, y degradacin del contaminante se dan tanto en la zona no saturada como en la zona saturada del acufero. Los procesos de transporte ms significativos en la zona no saturada, tienen ms que ver con la existencia de flujos preferenciales, como la porosidad creada por antiguas races, etc, o con procesos de adsorcin por parte de la matriz arcillosa u orgnica del suelo. Sin embargo, en la zona saturada predominan los procesos de adveccin, dispersin o difusin. Del mismo modo, el proceso degradativo ms significativo en la zona no saturada es la biodegradacin, mientras que en la zona saturada, la dilucin y los procesos de degradacin qumica suelen ser ms intensos.

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    Procesos de transporte de los contaminantes a travs de un acufero confinado. Los procesos de transporte que tienen lugar en un acufero confinado son fundamentalmente los correspondientes a la zona saturada del acufero. En muchos de estos casos, las capas confinantes suprayacentes permiten que dichos acuferos se consideren protegidos frente a vertidos desde la superficie realizados en su vertical. Sin embargo, existen casos donde dicha contaminacin se produce. En este caso, el conocimiento de las vas de penetracin son fundamentales para su prevencin o remediacin, as como el anlisis del grado de degradacin que sufrir el contaminante. En estos casos, las zonas de penetracin ms usuales son:

    - reas de recarga del acufero, que pueden hallarse a kilmetros de distancia del punto de deteccin del contaminante. - Existencia de estructuras naturales, como fracturas o conductos crsticos, que favorezcan la penetracin profunda del contaminante. - Existencia de pozos abandonados o mal sellados, que acten como una zona de flujo preferencial hacia el acufero.

    10.3.5. Modelos generales de transporte en la zona saturada En un acufero, existen 2 procesos fundamentales de transporte de masas; la adveccin (o proceso de transferencia de masa) y la dispersin hidrodinmica (D): expresada a su vez como la suma de los procesos de difusin molecular (D*) y de dispersin mecnica (Dm). La adveccin (A) se define como el proceso de transporte en el que la materia disuelta se desplaza formando una fase homognea con el agua. En este caso, el soluto y el disolvente se mueven a igual velocidad, y la magnitud del transporte equivale a la media de la velocidad del agua en el acufero. En esta situacin, el flujo es descrito adecuadamente por la Ley de Darcy. La dispersin (D) puede definirse como el fenmeno que resulta del movimiento individual de las partculas de un soluto a travs de un medio poroso, con la gran variabilidad de velocidades de flujo que ello conlleva, conjuntamente con los procesos fsico-qumicos que tienen lugar en el medio

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    acuoso, de forma que existe una interaccin de la materia disuelta con el disolvente (suma de procesos mecnicos y de difusin). Los principales factores que condicionan dichos procesos son:

    - Fuerzas externas que actan sobre el fluido. - La geometra y distribucin de la estructura porosa. - Variaciones en las propiedades del fluido que afectan a la lneas de flujo (densidad, viscosidad). - Cambios en la concentracin del soluto y los gradientes de concentracin. - Interacciones entre el lquido y la fase slida.

    La consecuencia tangible de la dispersin es la generacin de una zona de mezcla entre el fluido original desplazado y el nuevo fluido que lo desplaza. La difusin molecular (D*), las partculas disueltas en un fluido tienen un movimiento que parece aleatorio debido al choque continuo entre ellas. El sistema global tiene un movimiento que es consecuencia del segundo principio de la termodinmica (los sistemas tienden a un estado de entropa mayor), y da lugar a una pauta de comportamiento: se produce un flujo msico de los puntos de mayor concentracin hacia los puntos de menor concentracin, es el denominado movimiento Browniano, que se rige por la ley de Fick y cuya expresin se describe a continuacin:

    D* = -D c donde: D es el coeficiente de dispersin molecular [L2T-1], que depende del tipo de soluto y de las caractersticas del disolvente. La Dispersin mecnica (Dm) est asociada bsicamente al grado de agitacin mecnica que sufre el soluto por variaciones en el perfil de velocidad, tortuosidad del conducto, tamao de los poros, etc.

    c es el gradiente de concentracin.

    A partir de datos experimentales, es posible obtener un valor general de D*, de 1x10-6 cm2/s (Benedito, 2007). Tambin es posible aproximar la Dm como una funcin de la velocidad real del flujo, Dm = a * Vs, donde a es la dispersividad longitudinal del medio poroso (que puede obtenerse a partir de ensayos) y vs la velocidad real de flujo.

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    De esta, forma, el valor de D es:

    D= Dm + D*= a*vs + D* En la prctica los procesos de transporte de masa no se realizan de forma individual, sino que lo ms comn es que ambos se produzcan de forma simultnea. Por este motivo, el transporte de solutos tiende a expresarse a partir de la ecuacin de adveccin-dispersin (ADE) . Esta ecuacin an no considera, sin embargo, los efectos de reacciones qumicas en el medio acuoso (flujo reactivo), las transformaciones biolgicas y los fenmenos de semidesintegracin radioactiva. Asimismo, la ecuacin general (ADE), ha sido, hasta la generalizacin de mtodos de clculo informatizados, muy compleja de resolver. Por ello, se han descrito ecuaciones simplificadas, que resuelven dicha ecuacin nicamente para casos particulares. Las soluciones particulares de la ecuacin de dispersin suelen referirse a procesos en un contexto de tipo de flujo y tipo de vertido: A1) flujo unidimensional, paralelo y a velocidad constante.

    Ogatta y Banks: ( )

    =

    t*DI*4vtxerfc*5,0

    CC

    o

    Donde x es la distancia, v es la velocidad de flujo, t, el tiempo transcurrido y Dl la dispersividad longitudinal. A2) flujo radial.

    =

    r*D*34

    r*e*B*p*2t*Q

    r5,0erfc5,0CC

    o donde,

    B es el espesor saturado, e es la porosidad, r la distancia al pozo, r el recorrido radial medio, D la dispersividad, t el tiempo transcurrido.

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    B) Tipo de vertido - B1) Vertido continuo - B2) Vertido puntual Las soluciones se suelen dar, adems, como la relacin de concentraciones entre la inicial y la que se obtendra a una determinada distancia del vertido (Co/C).