CONTAMINACIÓN DE AGUAS SUBTERRÁNEAS · 2019-11-23 · Interacción Agua Superficial –Agua...

CONTAMINACIÓN DE

AGUAS SUBTERRÁNEAS

Leonardo David Donado Garzón

Profesor – Universidad Nacional de Colombia – Sede Bogotá

Taller sobre Planes de Manejo de las Aguas

Subterráneas en Colombia

PMAS

CONTENIDO

1. MOTIVACIÓN

1. Introducción

2. Componentes del Agua

2. FUENTES DE CONTAMINACIÓN

3. TIPOS DE CONTAMINACIÓN

4. MECANISMOS DE TRANSPORTE

1. Advección

2. Difusión molecular

3. Dispersión hidrodinámica

4. Retardación

5. Difusión en la matriz

6. Degradación

7. Reacciones bioquímicas

5. ANÁLISIS Y PARÁMETROS

1. Escala

2. Heterogeneidad

3. Parámetros hidrodinámicos

4. Zonas de captura

5. Intrusión marina / salina

6. MODELOS NUMÉRICOS

MOTIVACIÓN

MOTIVACIÓN

INTRODUCCIÓN

COMPONENTES DEL AGUA

FUENTES DE CONTAMINACIÓN

TIPOS DE CONTAMINANTES

MECANISMOS DE TRANSPORTE

ADVECCIÓN

DIFUSIÓN MOLECULAR

DISPERSIÓN HIDRODINÁNICA

RETARDACIÓN

DIFUSIÓN EN LA MATRIZ

DEGRADACIÓN

REACCIONES BIOQUÍMICAS

ANÁLISIS Y PARÁMETROS

ESCALA

HETEROGENEIDAD

PARÁMETROS HIDRODINÁMICOS

ZONAS DE CAPTURA

INTRUSIÓN MARINA / SALINA

MODELOS NUMÉRICOS

INTRODUCCIÓN

Afectación de la calidad

Calidad Utilidad

Solutos y gases disueltos

Materia suspendida y en flotación

Procesos: Físicos, Químicos y Biológicos

Interacción natural del agua

Actividades humanas

Se contamina el agua

COMPONENTES (i)

Indicador STD

Mayores contituyentes: Silica

Cationes: Ca, Mg, Na, K

Aniones: Cl, SO4, CO2, HCO3

Menores constituyentes:

Fe, Mn, Fl, NO3, Sr, B

Elementos de traza:

As, Pb, Cd, Cr

COMPONENTES (ii)

Gases disueltos: O2, CO2, N, H2S, CH4

Interacción Agua Superficial – Agua Subterránea

Agua residual

Escorrentía Urbana

Incremento de Erosión

Cambios de uso

Contaminación del aire Incrementa sólidos disueltos

Eutroficación de lagos incremento de P

COMPONENTES (iii)

STD se incrementa con la profundidad

Agua Fresca STD < 100 mg/L

Clase I: Aguas Subterráneas Especiales

Clase II: Fuentes Actuales y Potenciales

Clase III: Fuentes No Potenciales salinidad

Contaminación Aguas Subterráneas

Bacteriológica

Agentes tóxicos

Constituyentes químicos comunes


MOTIVACIÓN

INTRODUCCIÓN





ADVECCIÓN

DIFUSIÓN MOLECULAR


RETARDACIÓN


DEGRADACIÓN



ESCALA

HETEROGENEIDAD


ZONAS DE CAPTURA


MODELOS NUMÉRICOS

FUENTES (i)

Tanques Sépticos

Rellenos Sanitarios

Vertimientos Químicos

Goteo de Tanques

Enterrados

Minería

FUENTES (ii)

Puntual

Aguas Lluvias

Aguas Residuales Domésticas

Descargas Industriales

No puntual

Descargas de Sistemas de tratamiento

No se ubica el lugar de la descarga

Lluvia

Agricultura

Erosión: Sedimentos y Sustancias Húmicas Organoclorados

Atmosférica


MOTIVACIÓN

INTRODUCCIÓN





ADVECCIÓN

DIFUSIÓN MOLECULAR


RETARDACIÓN


DEGRADACIÓN



ESCALA

HETEROGENEIDAD


ZONAS DE CAPTURA


MODELOS NUMÉRICOS

TIPOS DE CONTAMINANTES (i)

Conservativos:

No sufren degradación y depende de la hidrodinámica

Sólidos Disueltos

Cloruros

Elementos no biodegradables

No conservativos o reactivos

Se degradan y poseen tiempo de vida media

Desechos radioactivos

Reaccionan, Acumulan y Degradan

TIPOS DE CONTAMINANTES (ii)

Materia Orgánica Biodegradable

Organismos+Enzimas+Oxígeno

Causa el deterioro estético (color, olor, sabor)

Contaminación Microbiológica

Transmisión de enfermedades

Coliformes

Contaminación Térmica: Transferencia de calor

Modificación de las reacciones físicas, químicas y biológicas

Cambia el transporte (viscosidad, densidad y otros)

Ayuda a la reaireación y solubilidad

Contaminación Inorgánica

Sólidos

Metales Pesados

Contaminación por Nutrientes Eutropicación

Crecimientos de plantas superiores

Nitrógeno, Potasio y Fósforo


FÍSICOS

QUÍMICOS

BIOLÓGICOS

MOTIVACIÓN

INTRODUCCIÓN





ADVECCIÓN

DIFUSIÓN MOLECULAR


RETARDACIÓN


DEGRADACIÓN



ESCALA

HETEROGENEIDAD


ZONAS DE CAPTURA


MODELOS NUMÉRICOS

ENTRADA

BALANCE DE MASA

CAMBIO EN

ALMACENAMIENTOSALIDA

c

c c wt

q D

ADVECCIÓN

FLUJO

ADVECTIVO

L

h q K

L

tq

LEY DE

DARCY

advectivo cj q

DIFUSIÓN MOLECULAR

difusivo difusivo c j D

LEY DE

FICK

MIGRACIÓN

ELECTRÓQUÍMICA

DISPERSIÓN MECÁNICA

dis dis c j D

PRIMERA

LEY DE FICK

Ldis L

q

D

EFECTOS DE LA

TORTUOSIDAD

DISPERSIÓN HIDRODINÁMICA

*D

q

D

DIFUSIÓN

+

DISPERSIÓN

MECÁNICA

NÚMERO DE PÉCLET

adv

lt

q

2

dis

lt

D

dis

adv

t qlPe

t D

l

t

RETARDACIÓN

DEGRADACIÓN

COMPONENTES

ORGÁNICOS

REACCIONES QUÍMICAS (i)

REACCIONES QUÍMICAS (ii)

Reacciones homogéneas (especiación)

Adsorción

Disolución y precipitación

Reacciones bioquímicas

0

1

2

3

4

5

0 1 2 3 4 5

water2

water1

mixture

c1

c2

1 2c c K

(a)

REACCIONES QUÍMICAS (iii)

r0

ceq

c

c

r0

ceq

c

c

r0

ceq

c

c

Concentración en

solución vs.

distancia a una

superficie mineral

Transporte lento

Proceso controlado

por el transporte

Transporte rápido

Proceso controlado

por la reacción

Mixto

Berner (1980) Early Diagenesis. A Theoretical Approach. Princeton Univ. Press.

--------------- CINÉTICA ------------------EQUILIBRIO

ZONA DE MEZCLA

Confluencia Río Amazonas – Río Negro

¡MEZCLADO! ¡NO AGITADO!

ZONA DE MEZCLA

Mixing

Spreading

CINÉTICA Y SU COMPLEJIDAD

Cinética de

disolución-

precipitación

Relevante cuando

la reacción es el

proceso más lento

Controlado por

una ley cinética

de reacción

k

mkxc

mkmki

m N

k

NN

i

m

p

imkRT

Ea

mmm akeAr1 1

1

signo

const. de reacción(mol/m2/s)

Tcatálisis/inhibición

estado desaturación

m = IAP/Km

superficiemineral(m2/m3)

NÚMERO DE DAMKHÖLER

sec mes año 106 añomin hora día

tR= TIEMPO RESIDENCIA

océano

ríos

humedad suelo

lluvia

lagos

aguas subterráneas.

t1/2= TIEMPO REACCIÓN

especies

acuosas agua

gas

adsorción

desorción

recristalización

mineral

agua

mineral

Langmuir (1997), modificado

NÚMERO DE DAMKHÖLER

adv

lt

q

2

dis

lt

D dis

adv

t qlPe

t D

l

t

0adv

Skt

K

transporte

reacción

tDa

t


Microorganismos necesitan

Nutrientes

Energía que viene de

reacción redox, acelerada

por los microorganismos

mediante enzimas

(biocatalizadores)

TASA DE REACCIÓN (i)

0

55

/ 20

/ 30

d

e

V

u K

u K

Dim

ensi

on

less

reac

tio

n r

ate

TASA DE REACCIÓN (ii)

2

j

u u

i

i

j

N N

Tm

m m

m m m

i j

r uc

u uu

D

TASA DE REACCIÓN (iii)

TASA DE REACCIÓN (iv)

0

1

2

3

4

5

0 1 2 3 4 5

water2

water1

mixture

c1

c2

1 2c c K

(a)

Avenida NQS No. 45-03, Ciudad Universitaria, Laboratorio de Hidráulica, Edificio 409

PBX: +57 (1) 316 55 66 - Fax: +57 (1) 316 55 63

Correo electrónico: [email protected]

http://www.docentes.unal.edu.co/lddonadog| http://www.ing.unal.edu.co/gireh

Bogotá D.C., Colombia, Sur América

FACULTAD DE INGENIERÍADEPARTAMENTO DE INGENIERÍA CIVIL Y AGRÍCOLA

GRUPO DE INVESTIGACIÓN EN INGENIERÍA DE RECURSOS HÍDRICOS – GIREH

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