MC-F-211 PROPIEDADES, CONTAMINACION Y EVALUACION

Prof. Dr. D. J.C. Cabanelas ValcarcelProf. Dr. D. A. Aznar Jiménez

EL AGUA Y SUS PROPIEDADES: UNA MOLÉCULA FUERA DE LO COMÚN

Prof. Dr. D. A. Aznar JiménezProf. Dr. D. JC Cabanelas Valcarcel

El agua y sus propiedades: una molécula fuera de lo común. Material desarrollado por el Dr. D. Antonio Aznar, profesor del Área de Ingeniería Química, y el Dr. D. Juan Carlos Cabanelas Valcárcel, del Área de Ciencia de Materiales e Ingeniería Metalúrgica, ambos pertenecientes al Departamento de Ciencia e Ingeniería de los Materiales e Ingeniería Química de la Universidad Carlos III de Madrid.


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¿QUÉ ES EL AGUA?

Si tomamos una pequeña cantidad de agua, pongamos 18 cm3, y la dividimos por la mitad, tendríamos para cubrir poco más que el fondo de un pequeño vaso de licor. Si este proceso lo repetimos varias veces más, cuando hubiéramos realizado la treceava partición tendríamos exclusivamente una gota de agua. Esta gota puede a su vez dividirse en dos partes y repetir el proceso hasta que alcanzásemos el paso numero 79, momento que nos encontraríamos con el protagonista de nuestra historia.

LA MOLÉCULA DE AGUA


104,5 º

96 pm

498 kJ mol-1

H H

O

LA MOLÉCULA DE AGUA

LA MOLÉCULA DE AGUA, es una de las agrupaciones atómicas más simples que podemos encontrar. Un átomo de oxígeno rodeado de dos de hidrógeno, separados menos de 100 pm y formando un ángulo de 104,5 º. La energía que los mantiene unidos es bastante alta, de aproximadamente 500 kJ por mol; dicho de otra manera la energía contenida en los enlaces de 18 g de agua es equivalente a la que obtiene el cuerpo humano de medio litro de leche semidesnatada.


χO = 3,50

χH = 2,20

μ enl

μmol = 1,87 D

POLARIDAD DE LA MOLÉCULA DE AGUA

Otra peculiaridad de esta molécula es que al estar constituida por átomos con diferente electronegatividad, la nube electrónica del enlace que los mantiene unidos no se reparte de manera simétrica entre ellos, sino que se encuentra más desplazada hacia el átomo mas electronegativo, el oxígeno; esto produce que el enlace O-H presente un momento dipolar de enlace. Al ser el momento dipolar una magnitud vectorial, y dado que la geometría angular de la molécula de agua hace que la suma de los dos momentos dipolares no sea nula, nos encontramos con que la molécula de agua presenta un momento dipolar total de 1,87 D.


21 kJ mol-1

177 pm

FUERZAS INTERMOLECULARES

Esto nos permite representarnos a la molécula de agua como un pequeño dipolo donde el oxigeno presenta un exceso de carga negativa y la zona de los hidrógenos, positiva. Esta situación hace que los dipolos vecinos (otras moléculas de agua p. ej.) se orienten de forma que los polos positivos (hidrógenos) lo hacen hacia los negativos (oxígenos) y viceversa los negativos hacia los positivos, dando lugar a interacciones de tipo cuadrupolarque conocemos como enlaces de hidrógeno. Estos enlaces de hidrógeno son relativamente fuertes para ser interacciones intermoleculares, pero aun asíson aproximadamente 50 veces inferiores a las de los enlaces intramoleculares del agua. Precisamente la fuerza de estos enlaces así como su naturaleza, van a ser la causa de muchas de las propiedades del agua, que la convierten en una especie única, y con unas propiedades muy poco corrientes.


Temperatura de ebullición = 100 ºCTemperatura de fusión = 0 ºC

CAMBIOS DE FASE

El agua es la única especie que nos podemos encontrar en la naturaleza en los tres estados de agregación:

•sólido, formando parte, entre otros de los casquetes polares el hielo y nieve de las montañas y esa otra forma tan temida por los agricultores que es el granizo. Si calentamos el hielo por encima de 0 ºC a la presión de una atmósfera, producimos su transformación en

•líquido, constituyente mayoritario de la corteza terrestre, que realmente sería mas correcto denominar “corteza agüestre” pues las ¾ partes son eso, agua. Si continuamos calentando el agua líquida hasta superar los 100 ºC a la presión de 1 atmósfera, se evapora y da lugar a la fase

•gas, forma en la que se encuentra el agua en la atmósfera.


DENSIDAD

Otra propiedad anómala del agua es la densidad; no en lo que se refiere a su valor (1 kg/L) que se encuentra próxima a la de un gran número de sustancias naturales, sino a que a temperaturas próximas a la de congelación aumenta con la temperatura, comportamiento inverso al de la mayor parte de las sustancias, que disminuyen su densidad de manera inversamente proporcional al aumento de la temperatura.Este comportamiento esta motivado por la existencia de los enlaces de hidrógeno. Cuando se produce la licuefacción del hielo, las moléculas de agua aumentan su movilidad (pasan de una fase rígida a una fluida), permitiendo que los dipolos se reorienten y aumente el numero de interacciones del tipo enlace de hidrógeno. Este aumento de los enlaces intermoleculares, provoca una mayor densidad de empaquetamiento de las moléculas, con lo cual disminuye el volumen que ocupan, y con ello aumenta la densidad. Si seguimos aumentando la energía cinética de las moléculas (aumentamos la temperatura del medio), estas pueden superar la energía de las interacciones dipolo-dipolo (Tª > 4 ºC) y al disminuir la energía de cohesión entre ellas, aumenta la distancia y con ello disminuye el volumen, comportamiento convencional de la mayor parte de las sustancias.El valor de 1 kg/L también es exacto, pues el agua se utilizo como patrón de peso en el sistema internacional de medidas (SI)


TENSIÓN SUPERFICIAL

Otra propiedad del agua, relacionada con los enlaces de hidrógeno, es la tensión superficial o trabajo que se necesita realizar para aumentar la superficie de un sistema. Las moléculas de agua del interior de una masa líquida están sometidas a un campo de fuerzas uniforme, que hace que la resultante sea nula, por lo que se encuentra en equilibrio. Esta situación no se da en las moléculas que se encuentran próximas a la superficie, donde el campo no es uniforme y la componente atractiva no es nula y esta dirigida hacia el interior del líquido. La fuerza de cohesión entre moléculas de la superficie es ligeramente mayor que en el caso de las moléculas del interior por lo que la energía que necesitamos aplicar para separarlas es mayor, de ahí que su tensión superficial sea superior a la que poseen otros líquidos donde las interacciones intermoleculares son menos fuertes que en el agua.Al ser una propiedad que depende de los enlaces de hidrógeno, se ve modificada en el mismo sentido que la fuerza de estos, de forma que si aumentamos la temperatura del sistema el número de enlaces de hidrógeno disminuye y con ello el valor de la tensión superficial.Una de las observaciones más comunes ligadas a la tensión superficial es la formación de gotas sobre una superficie. Si las interacciones líquido/líquido son más intensas que las líquido/sólido observamos que tienden a formarse gotas casi esféricas sobre la superficie, decimos que el líquido no moja o que su ángulo de contacto es superior a 90º(superficie de vidrio tratada con un aceite). En caso contrario si las interacciones líquido/líquido son menos intensas que las líquido/sólido, el líquido tiende a extenderse lo más posible por la superficie y hablamos en ese caso de que el líquido moja al sólido o que su ángulo de contacto es próximo a 0º (superficie de vidrio tratada con un jabón). Pueden darse situaciones intermedias (ángulos entre 90 y 0º) sin más que modificar la superficie o la tensión superficial del líquido (adición de sales, sustancias orgánicas, etc.).


SOLUBILIDAD

El agua es un magnífico disolvente; al ser una molécula polar puede interaccionar con sustancias iónicas produciendo la dispersión de los iones, los cuales se rodean de moléculas de agua orientadas en función de la naturaleza del ión. Si es un catión los oxígenos (polos negativos del dipolo) se orientan hacia él, quedando rodeado de moléculas de agua orientadas (esfera de solvatación) que influyen en las moléculas adyacentes orientándolas en sentido opuesto, los hidrógenos hacia el interior y los oxígenos hacia fuera. Esta influencia en la orientación va perdiendo eficiencia a medida que nos alejamos del catión. En el caso de aniones el efecto es similar pero con la secuencia de orientaciones inversa. Mediante este mismo mecanismo el agua es capaz de solubilizar sustancias polares no iónicas, de forma que el polo positivo de la sustancia interacciona con los oxígenos del agua, orientándolos hacia ella, y el polo negativo los hidrógenos.Este efecto de solvatación hace del agua uno de los mejores disolventes de sustancias polares tanto sólidas como líquidas o gaseosas. Tradicionalmente se ha llamado al agua el “disolvente universal”.En menor medida también es capaz de solubilizar sustancias apolares, aunque siempre en cantidades pequeñas.Para la mayor parte de las sustancias solubles en agua, su solubilidad aumenta (cantidad máxima que es posible solubilizar de una sustancia en unas determinadas condiciones de presión y temperatura) a medida que lo hace la temperatura. Es lo que pasa con la mayor parte de las sales sódicas y potásicas, pero existen algunas sustancias que su solubilidad se comporta al revés, disminuye con la temperatura. Es lo que pasa con los gases (NH3, HCl, SO2, etc.) y con algunas sales como el carbonato cálcico, causante de las incrustaciones características de los sistemas de calefacción.


CAPACIDAD CALORÍFICA1 cal·g-1

La capacidad calorífica de una sustancia se define como la cantidad de calor que es capaz de almacenar un gramo de dicha sustancia para que su temperatura suba un grado centígrado (desde 13,5 a 14,5 ºC). El agua tiene una capacidad calorífica de 1 caloría por gramo, la más alta de los disolventes naturales, y que le confiere unas propiedades térmicas especiales.Con respecto al clima, es un regulador inigualable. Cuando dos superficies iguales y adyacentes -una de terreno y otra de agua- reciben radiación solar, la energía captada por ambas es aproximadamente igual. Como la capacidad calorífica del agua es mayor, el aumento de temperatura que sufre es menor, con lo cual la temperatura máxima que alcanza es sensiblemente más baja que la del terreno circundante. Por el contrario, cuando no reciben radiación solar sino que emiten energía térmica a la atmósfera, para el mismo tiempo de emisión la energía emitida es proporcional a la superficie y a la diferencia de temperatura superficie/aire, y en primera aproximación se puede suponer que es la misma para las dos superficies. Sin embargo, el descenso de temperatura es sensiblemente inferior en el caso del agua que en el del terreno por la misma causa, su mayor capacidad calorífica. Esto lleva a que las fluctuaciones de temperatura en las proximidades de grandes masas de agua sea inferior que en el interior continental.


CALOR DE VAPORIZACIÓN0,54 kcal·g-1

El organismo echa mano de otra de las propiedades térmicas del agua como es su alto calor de vaporización o energía necesaria para evaporar un gramo de agua. El valor del calor de vaporización del agua, debido a los enlaces de hidrógeno que hay que romper, es muy alto de 540 calorías por gramo. De tal forma que tendríamos que evaporar aproximadamente medio litro de sudor -fundamentalmente constituido por agua- para mantener la temperatura corporal en los valores anteriormente indicados.Este valor del calor de vaporización, junto a su alta capacidad calorífica hace que el agua sea el fluido térmico por excelencia, tanto para transportar energía térmica (sistemas de calefacción) como para enfriar (torres de refrigeración).


TRANSPARENCIA

Por último haremos mención de otra de las propiedades fundamentales del agua, su transparencia. Decimos que un cuerpo es transparente, cuando la luz puede pasar a su través sin disminuir apreciablemente su intensidad, o sea que no sufre absorción por parte del cuerpo que atraviesa. Esto hace que el agua sea incolora (la diversas coloraciones del agua son debidas a la presencia de contaminantes o al reflejo del color del medio en que se encuentra).


71 % de la superficie

1387·106 km3

EL AGUA EN EL MUNDO

Si observamos desde el espacio el planeta Tierra parece una esfera mayoritariamente cubierta de agua (71%). Esto implica que los 1387 millones de km3 formarían una fina capa de aproximadamente 2,7 km de espesor (0,04 % del radio terrestre), si estuvieran repartidos uniformemente .


Ríos: 0,0001% 1387 km3

Humedad atmosférica: 0,001% 13870 km3

Lagos: 0,016% 222·103 km3

Aguas subterráneas: 0,61% 8,46·106 km3

Glaciares y casquetes polares: 2,24% 31,1·106 km3

Océanos: 97,1% 1346,8·106 km3

DISTRIBUCION DEL AGUA EN EL MUNDO

•El agua de los ríos, representa la millonésima parte del total del agua existente.•La cantidad de agua que se encuentra como humedad atmosférica es 10 veces mayor, que la que fluye sobre la superficie del planeta.•El agua contenida en los lagos es 16 veces más que la de la atmósfera.•Mientras que el agua subterránea es el 6 por mil del agua total.•Cuando evaluamos el agua en forma de hielo (casquetes polares, glaciares, etc.) vemos que su cantidad es significativamente superior, el 2,3 %, casi cuatro veces más de agua que la que hay en el suelo.•Pero cuando contabilizamos el agua de océanos y mares, vemos que casi toda se encuentra ahí (97,1 %), y que los otros reservorios, por muy importantes que sean para la vida en el planeta, representan una ínfima cantidad del total.


CICLO HIDROLÓGICO

NUBES

AGUA SUBTERRÁNEA

LAGOS

RIOS

MARES

METEOROS

CO

ND

EN

SAC

IÓN

INFILTRACIÓN

ESCORRENTÍA

ESCORRENTÍA

AFLORAMIENTOAFLO

RAMIENTO A

FLO

RA

MIE

NT

O

EVAPORACIÓN

EVAPORACIÓN

EVAPORACIÓN

ESCORRENTÍA

ESC

OR

RE

NT

ÍA ESCORREN

TÍA

Pero este agua no esta de una manera estática en un lugar y forma determinados, sino que va cambiando con el tiempo, dando lugar a lo que se denomina “CICLO HIDROLÓGICO”, que esta constituido por las diversas formas en que el agua se nos presenta en la naturaleza, así como los procesos que permiten el paso de una a otra forma.Si arbitrariamente nos fijamos en el agua que se encuentra en el mar, podemos observar que por evaporación parte pasa a la atmósfera y da lugar a las nubes.El agua de las nubes, debido a que se encuentra en una situación inestable, tiende a condensar, dando lugar a los meteoros que conocemos (lluvia, granizo, nieve, rocío, etc.).Estos meteoros son la forma en que el agua de la atmósfera se deposita sobre la tierra o el mar (con lo que se cerraría el ciclo). Si lo hace sobre la tierra pueden pasarle dos cosas:•que circule por la superficie del terreno dando lugar a la escorrentía, o•que se introduzca en el terreno mediante infiltración.La infiltración da lugar a las aguas subterráneas, que pueden aflorar dando lugar a ríos y lagos, o discurrir por el terreno hasta que se mezclen con el agua de los mares.La escorrentía sobre el terreno provoca los ríos y los lagos cuyo agua bien se evapora y vuelve a la atmósfera, bien se vierte a los mares o se infiltra en el terreno para incorporarse a las aguas subterráneas.


NUBES9 años

AGUA SUBTERRÁNEA

300 años

LAGOS12 años

RIOS12 años

MARES3000 años

METEOROS

ABASTECIMIENTO

CICLO HIDROLÓGICO

La permanencia media del agua en cada una de las situaciones planteadas, no es la misma, pues va desde los 9 años que en promedio esta el agua en la atmósfera, hasta los 3000 que permanece en mares y océanos. Aunque estos son solo valores medios, pues dependiendo de las condiciones geológicas y climáticas de la zona los tiempos pueden variar mucho. En las regiones tropicales, donde las lluvias son abundantes el ciclo puede durar escasas horas, mientras que en zonas áridas como los casquetes polares y los desiertos, esta duración puede alargarse hasta cientos de miles de años.Sobre este ciclo hidrológico, que podríamos denominar geológico, se superpone otro en el que esta involucrado el abastecimiento de los seres vivos, y que interfiere con el anterior.


mares 1.347 millones km3

aguas subterráneas8,5 millones km3

Evaporación desde el mar 430.000 km3

Vapor de agua en la atmósfera 13.800 km3

Evaporacióndesde la tierra

70.000 km3Nieve y hielo

31 millones km3

Lagos y ríos223.000 km3

Escorrentíadesde la tierra

40.000 km3

Precipitación sobre el mar 390.000 km3

Precipitación sobre la tierra 110.000 km3

CICLO HIDROLÓGICO

El balance global de agua del ciclo hidrológico es el siguiente:•en los mares y océanos se concentran 1.347 millones de km3 de agua,•en la atmósfera 13.800 km3,•en forma sólida, como nieve y hielo, 31 millones de km3,•en los lagos y ríos 223.000 km3 y•en el subsuelo como aguas subterráneas 8,5 millones de km3.Estas son aproximadamente las cantidades de agua que permanecen de forma casi constante en cada una de las situaciones a las que nos hemos referido. Pero la realidad es que hay continuas transferencias desde un medio a otro:•430.000 km3 de agua se evaporan al año desde los mares, y•70.000 km3 lo hacen desde la tierra, entre el agua que se evapora propiamente del terreno y la evapotranspiración de los seres vivos.Este medio millón de km3 que se evaporan cada año, se ven compensados por una cantidad igual que retorna a la superficie tanto sobre los océanos (390.000 km3) como sobre la tierra (110.000 km3) en forma de precipitación. Si nos paramos a hacer el balance de entradas (precipitación) y salidas (evaporación) de cada subsistema, observaremos que en el subsistema océano/atmósfera hay un déficit de 40.000 km3 de agua, que coincide con el superávit del subsistema tierra/atmósfera. Esta cantidad de agua es precisamente la transferencia neta de agua que cada año pasa de la tierra a los océanos y mares en forma de escorrentía y que permite la existencia de los ríos y demás corrientes de agua.


CICLO HIDROLÓGICOMODIFICADO

Este proceso del “Ciclo Hidrológico” conlleva el transporte de otras sustancias diferentes del agua. Al ser un magnífico disolvente no es de extrañar que disueltas en ella se transporte una gran cantidad de sales que al llegar a los océanos pueden precipitar en su fondo y pasar a formar parte del Ciclo geoquímico del carbono y demás elementos. La aparición del hombre y más concretamente de la actividad industrial, agropecuaria intensiva y concentraciones urbanas, han producido que la naturaleza y cantidad de sustancias que transporta el agua sea cada vez mayor, modificando con ello las propiedades del agua; no solo en los lugares donde se efectúan dichos vertidos, sino incluso a cientos y miles de kilómetros debido al transporte de dichas sustancias junto con el agua que las contiene.


ORIGEN DE LA CONTAMINACIÓN DEL AGUA

Vertido de crudos

Contaminación del agua

Productos químicos de la agricultura:

Plaguicidas, fertilizantes...

eutrofización

Aguas residuales alcantarillado

desoxigenación

Metales pesados y desechos

industriales

Aumento de toxicidad

Los contaminantes incorporados al agua pueden provenir de diversas fuentes e incorporar al agua sustancias que producen efectos diferentes:•Desoxigenación: provocada por el alto nivel de consumo de oxígeno que produce la digestión aerobia de sustancias biodegradables. Es característico de las aguas residuales urbanas, actividades agropecuariasy algunas industrias agroalimentarias.•Grasas y aceites: disminuye la sedimentabilidad y biodegradabilidad de otros contaminantes. Son provocados por vertidos de crudo, industria petroquímicas y agroalimentarias.•Aumento de la toxicidad: disminuye la biodegradabilidad de otros vertidos y puede producir la muerte de especies acuáticas o que participen de las cadenas tróficas acuáticas. Es característico de actividades industriales y de minería.•Eutrofización: inhibe los procesos de biodegradabilidad aeróbica debida a un consumo desmesurado de oxígeno por un exceso de nutrientes, sobre todo nitrógeno y fósforo. Es característico de productos agroquímicos y detergentes.•Turbidez: disminuye la capacidad de penetración de la luz y permite la formación de colonias de bacterias, que aumentan la posibilidad de existencia de gérmenes patógenos. Es característico de aguas residuales urbanas, de la industria de pasta y papel, minería, etc.


CONTAMINACIÓN DE LAS AGUAS: SUS FUENTES

a) Origen natural o antrópico

b) Actividad causante de la contaminación

* Producción industrial

* Desagüe de aguas residuales domésticas y municipales

* Actividad agropecuaria

Contaminación natural: El agua disuelve gases presentes en la atmósfera (CO2, O2, N2, etc.), sales del terreno por lixiviación (Na+, Ca2+, HCO3

-, Cl- etc.), compuestos orgánicos provenientes de seres vivos y su descomposición (urea, ácidos húmicos, etc.) y arrastra sólidos en suspensión (partículas del terreno, microorganismos, etc.). En algunos casos, la concentración de estas sustancias es lo suficientemente elevada como para hacer no utilizables las aguas (aguas salobres, grandes avenidas, zonas pantanosas, ...).Contaminación antrópica: Aquel agua que ha sufrido modificación en sus propiedades por acción del hombre se define como agua contaminada de origen antrópico. Generalmente se reserva el término “agua contaminada” a este tipo de alteración en las aguas. ACTIVIDAD CAUSANTE DE LA CONTAMINACIÓN.Producción industrial: Consume entorno al 20% del total del agua empleada por el hombre, estimándose que aproximadamente el 2% del agua utilizada en la industria se incorpora a los productos, y el 98% restante se devuelve al medio natural en forma vapor o líquida. En la mayoría de los casos el vertido de estas aguas se realiza con sus características modificadas en mayor o menor medida. El aporte de contaminantes es característico de cada actividad industrial y puede provenir tanto de las materias primas utilizadas, como de los productos de transformación y acabado, así como de las operaciones de transmisión de calor o frío efectuadas durante el proceso.Desagüe de aguas residuales domesticas y municipales: Representan el 10% del consumo mundial de agua. Estas aguas incorporan sustancias procedentes de los residuos de la actividad humana (alimentos, deyecciones, limpieza doméstica y viaria, etc.) de naturaleza orgánica, inorgánica y microbiana. “En España existen más de tres mil depuradoras de aguas residuales en servicio, y alrededor de doscientas en construcción, ….Actividad agropecuaria: Hay que tener en cuenta que aproximadamente el 70% del consumo mundial de agua dulce corresponde a la agricultura y ganadería, y aunque su carga contaminante puede ser baja, la cantidad de sustancias extrañas aportadas al medio natural por este tipo de actividades es la mayor en valor absoluto, y suele consistir en pesticidas, herbicidas, fertilizantes, heces y excreciones líquidas (purines), residuos de la industria de transformación agrícola (alpechines, vinazas, …), etc.


c) Extensión del foco de contaminación

* Puntuales. Ej: vertidos localizados industriales

* Difusos. Ej: contaminación por fertilizantes o herbicidas

d) Tipos de corriente efluente

* Aguas blancas o de lluvia

* Aguas residuales domésticas

*Aguas residuales industriales

* Aguas negras o urbanas

• Contaminación atmosférica

• Restos actividades humanas

• Residuos de tráfico

• Restos vegetales

• fugas

• Recogidas del sistema de saneamientourbano: hogares, negocios y grandesinstalaciones (hospitales…).

• De limpieza y lavado

• Fecales (aguas negras)

CONTAMINACIÓN DE LAS AGUAS: SUS FUENTES

EXTENSIÓN DEL FOCO DE CONTAMINACIÓN.PuntualesProceden de vertidos localizados, o potencialmente localizables tanto temporal como espacialmente y por lo tanto susceptibles de control y corregibles.DifusosProceden de vertidos generalmente pequeños y dispersos, lo cual los hace difíciles de localizar, controlar y corregir. TIPO DE CORRIENTE EFLUENTE.

Aguas blancas o de lluviaProceden de drenajes o escorrentías. Se caracterizan generalmente, por ser aportaciones intermitentes de gran volumen y alta concentración en contaminantes durante los primeros 15 a 30 minutos, pasando a continuación a arrastrar casi exclusivamente materia en suspensión. Incorporan la carga contaminante al atravesar la atmósfera y por lavado del terreno. En algunos casos, pueden tener un elevado valor absoluto en contaminantes, como es la escorrentía agropecuaria. Estos efluentes suelen tener carácter difuso, y pueden ser de origen natural o antrópico.Aguas residuales domésticasSon “las aguas residuales procedentes de zonas de vivienda y de servicios y generadas principalmente por el metabolismo humano y las actividades domésticas” (Directiva 91/271/CEE).Aguas residuales industrialesSon “todas las aguas residuales vertidas desde locales utilizados para efectuar cualquier actividad comercial o industrial, que no sean aguas residuales domésticas ni aguas de escorrentía pluvial”(Directiva 91/271/CEE). Aguas negras o urbanasSon “las aguas residuales domésticas o la mezcla de las mismas con aguas residuales industriales y/o aguas de escorrentía pluvial” (Directiva 91/271/CEE). Sus volúmenes son menores que los de las aguas blancas, sus caudales más continuos, su concentración en contaminantes mayor. Generalmente tienen carácter puntual y su carga contaminante varía en gran medida con el grado de desarrollo de la zona donde se produzcan, cuantificándose en función de la población equivalente (población de hecho y carga contaminante de origen industrial).


Parámetros de calidad de las aguas

Parámetros fisico-químicos– Sólidos– Temperatura– Color, olor y sabor– Oxígeno disuelto– Demanda bioquímica de oxígeno– Demanda química de oxígeno– Carbono orgánico total– Oxidabilidad– Aceites y grasas– Fenoles– Acidez– Alcalinidad– Conductividad– Dureza– Cloruro (Cl-), cloro (Cl2) e hipoclorito (ClO-)– Amoniaco (NH3), nitritos (NO2

-) y nitratos (NO3-)

– Sulfuros (S=), sulfitos (SO3=) y sulfatos (SO4

=)– Fósforo total– Iones de metales pesados– Detergentes– Toxicidad

Parámetros radiológicosParámetros biológicos

PARÁMETROS DE CONTAMINACIÓN

Según el Reglamento del Dominio Público Hidráulico (R.D. 849/1986) “Se entiende por contaminación, a los efectos de la Ley de Aguas, la acción y el efecto de introducir materias o formas de energía o inducir condiciones en el agua que, de modo directo o indirecto, impliquen una alteración perjudicial de su calidad en relación con los usos posteriores o con su función ecológica”. De esta definición se desprenden varios conceptos básicos para entender el problema, como son: i) que al hablar de contaminación no nos referimos a un término absoluto, sino que será en función del uso posterior que se le vaya a dar al agua y, ii) que hay que determinar cuales son las características de las aguas que tenemos que controlar y en que valores se han de mover. Esto hace necesario la definición de una serie de parámetros de calidad de las aguas, los cuales se determinarán mediante técnicas de análisis normalizadas y cuyos valores tendrán que estar comprendidos dentro los márgenes que indique la legislación vigente en función de su uso posterior.

Dadas las propiedades fisico-químicas del agua, esta se comporta como un magnífico disolvente tanto de compuestos orgánicos como inorgánicos, ya sean de naturaleza polar o apolar; de forma que podemos encontrarnos en su seno una gran cantidad de sustancias sólidas, líquidas y gaseosas diferentes que modifican sus propiedades. A su comportamiento como disolvente hay que añadir su capacidad para que se desarrolle vida en su seno, lo que la convierte en un sistema complejo sobre el que habrá que realizar análisis tanto cualitativos como cuantitativos con objeto de conocer el tipo y grado de alteración que ha sufrido, y consecuentemente como se encuentran modificadas sus propiedades para usos posteriores. Puesto que la alteración de la calidad del agua puede venir provocada tanto por efectos naturales como por la actuación humana derivada de la actividad industrial, agropecuaria, doméstica o de cualquier otra índole, no es de extrañar que el análisis de los parámetros de calidad del agua se deba realizar a todo tipo de aguas, independientemente de su origen


SDf (200-50 mg/L)

Δ ≈ 550±50 ºC

SDf = sólidos disueltos fijosSDv = sólidos disueltos volátiles

V0

V0 = volumen conocido de agua bruta

STf (300-80 mg/L)

Δ ≈ 550±50 ºC

STf = sólidos totales fijosSTv = sólidos totales volátiles (STv = ST -STf)

SSf (100-30 mg/L)

SSf = sólidos en suspensión fijosSSv = sólidos en suspensión volátiles

Residuo

SS (300-80 mg/L)

SS = sólidos en suspensión

SD = sólidos disueltos

Filtrado

SD (500-100 mg/L)

Δ ≈ 105 ºC

Filtrar

Ssf (150-24 mg/L)

Ssf = sólidos sedimentalbes fijosSsv = sólidos sedimentables volátiles

Δ ≈ 550±50 ºC

Sedimento

Ss (2-0,5 mL/L)

Ss = sólidos sedimentables

Δ ≈ 105 ºCSobrenadante

Ensayo Imhoff

ST = sólidos totales

ST (1000-2000 mg/L)*Δ ≈ 105 ºC

*valores guía

SÓLIDOS:

El agua puede contener tanto partículas en suspensión como compuestos solubilizados, definiéndose la suma de ambos como Sólidos Totales (ST). La determinación de ST se realiza conforme a la norma UNE 77030:1982 evaporando un volumen conocido de muestra y secando el residuo en estufa a 105 ºC, hasta pesada constante, indicándose el resultado en mg/L[1]. Esta medida nos permite conocer el contenido total de sustancias no volátiles presentes en el agua.

Además del contenido de sólidos totales, conviene conocer que parte de estos sólidos es sedimentable (Ss) y que otra se encuentra disuelta (SD). Los Ss se determinan por decantación (UNE 77032:1982) a partir de un volumen de un litro dejado en reposo en un recipiente cónico (cono Imhoff) durante una hora, midiéndose el volumen sedimentado en el fondo del cono, se expresan como ml/L, y nos da una idea de la cantidad de lodos que se producirán en la decantación primaria. Los sólidos disueltos se determinan mediante filtración con un sistema de filtración a vacío o presión, con filtros de fibra de vidrio de borosilicato de diámetro de poro de 0,45 μm, de un volumen conocido de agua bruta, denominándose como Sólidos en Suspensión (SS) el residuo seco retenido determinado gravimétricamentemediante el protocolo descrito en la norma UNE-EN 872:1996. Se expresa como mg/L. Al residuo seco del filtrado al secarse a 105 ºC, se le denomina Sólidos disueltos (SD), y se expresa también en mg/L.

Tanto los ST como los Ss, SD y SS, pueden clasificarse en volátiles (v) y fijos o no volátiles (f). Se denominan no volátiles al peso del residuo seco calcinado a 550±50ºC, y está formado por la mayoría de los compuestos de origen inorgánico presentes. Los sólidos volátiles se determinan por diferencia de pesada entre la muestra sólida inicial y el peso de no volátiles, siendo un indicador de la cantidad de materia orgánica presente en esa fracción de muestra.

[1] 1 mg/L ≡ 1 ppm


40 cm

t = 45 +16 min

V = 1 L

ENSAYO IMHOFF

Los sólidos sedimentables son los causantes de la turbidez debido a que producen dispersión de la luz que atraviesa la muestra de agua. La determinación de turbidez se realiza conforme a la norma UNE-EN 27027:1995 mediante métodos semicuantitativos de observación indicando la profundidad a que deja de ser visible una marca u objeto patrón, o cuantitativos empleando turbidímetros ópticos dando los resultados en unidades nefelométricas de formacina (FNU). La turbidez es una medida importante en aguas potables, pues las pequeñas partículas coloidales, pueden portar gérmenes patógenos, en cursos naturales de agua la turbidez produce una falta de penetración de la luz natural y por tanto modifica la flora y fauna subacuática.


Ø > 0,7 μm

ArcillasColoidesMateria orgánica en suspensiónHidrocarburos

90 º

Comparación con el patrón de formazina

Se mide la radiación dispersada comparándola con un patrón. Impide el paso de luz, alterando la fotosíntesis

TURBIDEZ:

Los sólidos sedimentables son los causantes de la turbidez debido a que producen dispersión de la luz que atraviesa la muestra de agua. La determinación de turbidez se realiza conforme a la norma UNE-EN 27027:1995 mediante métodos semicuantitativos de observación indicando la profundidad a que deja de ser visible una marca u objeto patrón, o cuantitativos empleando turbidímetros ópticos dando los resultados en unidades nefelométricas de formacina (FNU). La turbidez es una medida importante en aguas potables, pues las pequeñas partículas coloidales, pueden portar gérmenes patógenos, en cursos naturales de agua la turbidez produce una falta de penetración de la luz natural y por tanto modifica la flora y fauna subacuática.


TEMPERATURA:

• Aumenta la actividad biológica• Valor límite letal• Reduce el OD

Termometría ⇒“in situ”• Estabilización ⇒10 min• Temperatura aire• Datos de control• Cauces profundos y/o caudalosos

Tº vertido 40 ºCAguas abajo: (radio 200 m del vertido)

1,5 ºC (salmónidos), 3 ºC (ciprínidos)

Temperatura

Nºd

e in

divi

duos

La temperatura del agua tiene una gran importancia en el desarrollo de los diversos procesos que en ella se realizan, de forma que un aumento de la temperatura modifica la solubilidad[1] de las sustancias, aumentando la de los sólidos disueltos y disminuyendo la de los gases, y duplica la actividad biológica aproximadamente cada diez grados (ley del Q10), aunque superado un cierto valor característico de cada especie tiene efectos letales para los organismos. El aumento anormal (no por causas climáticas) de la temperatura del agua, suele tener su origen en el vertido de aguas utilizadas en procesos industriales de intercambio de calor. La temperatura se determina mediante termometría realizada “in situ”, teniendo las siguientes precauciones:

· Estabilización de la temperatura del termómetro en contacto con el agua (≈ 10 min).

· Toma de la temperatura del aire.

· Indicación de los datos de fecha, hora y lugar de la toma de datos.

· En cauces profundos y/o caudalosos se debe indicar, además, la localización de la toma de datos en profundidad y posición (centro de cauce, orilla, etc.).

Según la legislación vigente la temperatura de los vertidos no puede superar los 40ºC, de forma que el incremento de temperatura media de una sección fluvial tras la zona de dispersión del efluente acuoso no debe superar los 1,5 ó 3 ºC en cauces aptos para salmónidos y ciprínidos respectivamente, la temperatura del cauce aguas arriba del vertido.[1] Solubilidad: Cantidad máxima de una sustancia que puede disolverse en un volumen dado de disolvente a una temperatura fijada.


PROPIEDADES ORGANOLÉPTICAS

Pruebas subjetivas, importancia en aguas de consumo domésticoCOLOR:– Aparente, verdadero.– Luz diurna dispersada, sobre fondo blanco, dilución sucesiva– Umbral de percepción 1/40, 1/20OLOR:– Sustancias orgánicas e inorgánicas– Aguas industriales, aguas tratadas, etc.

SABOR:– Muy relacionada con el olor– Solo para aguas sanitariamente aptas para consumo humano

Son lo que se denomina propiedades organolépticas o determinables por los sentidos. No suelen ser una medida precisa del nivel de contaminación, aunque su presencia es un indicio de que la depuración de un efluente no está siendo correcta. Tienen gran importancia en aguas potabilizables por el rechazo que puede darse en el consumidor al detectar colores, olores o sabores que no asocie con “agua pura”.Color: Las aguas pueden presentar coloración diversa: marrón grisáceo (materia orgánica en descomposición), verde (fitoplacton y clorofila), otros colores (iones inorgánicos, y colorantes orgánicos). No existe una relación directa entre color y grado de contaminación, pues al tratarse de un parámetro fuertemente influido por interferencias con otras sustancias coloreadas es difícil su evaluación absoluta. Dado que muchas de las sustancias coloreadas se degradan con el tiempo, la determinación del color se debe realizar en las veinticuatro horas posteriores a la toma de muestra, conservándose las mismas refrigeradas (2-5 ºC) y en la oscuridad. La determinación del color se efectúa visualmente empleando luz diurna difusa sobre fondo blanco (UNE-EN ISO 7887:1995), o mediante el uso de un espectrofotómetro visible. El color que presenta el agua puede ser aparente (agua bruta) o verdadero (agua sin sólidos en suspensión).

Olor: Generalmente los olores son producidos por sustancias orgánicas volátiles (COV’s) o inorgánicas gaseosas (H2S, NH3, etc.), y suelen ser debidos a materia orgánica en descomposición (las aguas residuales urbanas frescas no presentan olor apreciable) o productos químicos (fenoles, cloro y sus derivados, etc.) producidos o empleados en la industria, así como en el tratamiento de aguas residuales. El olor se determina por sucesivas diluciones con agua inodora de la muestra original (Tª≈ 40 ºC) hasta que es indetectable (umbral de percepción), siendo un ensayo muy subjetivo y de escasa reproducibilidad. Las muestras deben conservarse en vidrio un máximo de 6 h a 2-5 ªC.

Sabor: Suele estar íntimamente asociado al olor (respuesta fisiológica parecida). Algunas sustancias, como es el caso de sales de cobre, zinc o hierro, pueden modificar el sabor, sin alterar el color del efluente. Su determinación se efectúa, al igual que el olor, por dilución hasta determinar el umbral de percepción y sólo se

realizará con muestras que sean sanitariamente aptas para consumo humano.


OXIGENO DISUELTO

OD < 4 mg/l⇒ aguas no aptas para la vida

Método yodométrico (UNE-EN 2513:1994)Método electroquímico (UNE-EN 2514:1994)

0 5 10 15 20 25 30

8

10

12

14

16S

(mg/

l)

Temperatura (ºC)0 5 10 15 20 25 30

8

10

12

14

16S

(mg/

l)

0 5 10 15 20 25 30

8

10

12

14

16

0 5 10 15 20 25 30

8

10

12

14

16S

(mg/

l)

Temperatura (ºC)

Es un parámetro indicativo de la calidad de un agua. Se determina mediante electrometría con electrodo de membrana (UNE-EN 25814:1994) o por yodometría (UNE-EN 25813:1994), expresándolo como mg/L de oxígeno disuelto en la muestra de agua. La determinación debe realizarse tomando las debidas precauciones para no arrastrar ni disolver oxígeno del aire, “in situ” o fijando el oxígeno antes de cuatro días conservando las muestras en recipientes de vidrio en ausencia de luz. El valor máximo de OD es un parámetro muy relacionado con la temperatura del agua y disminuye con ella. La concentración máxima de OD en el intervalo normal de temperaturas es de aproximadamente 9 mg/L, considerándose que cuando la concentración baja de 4 mg/L, el agua no es apta para desarrollar vida en su seno.


DEMANDA BIOQUÍMICA DE OXÍGENO (DBO)

INCUBACIÓN :20 ºC

5 días (DBO5)

Aireación (si es necesario)

Dilución (si es necesario)

Siembra (si es necesario)

CARGA CONTAMINANTE TOTALkg DBO5/día = DBO5 (mg/l) Q (m3/día) 10-3

0 5 10 15 20 250

20

40

60

80

100

DBOHidrocarbonada

DBOTotalDB

O e

limin

ada

(%)

Tiempo (días)0 5 10 15 20 25

0

20

40

60

80

100

DBOHidrocarbonada

DBOTotalDB

O e

limin

ada

(%)

Tiempo (días)

( ) ( ) ( )mibimtbt ODODmuestrademlrecipientedel.volODODL/mgDBO −−⎥

⎦

⎤⎢⎣

⎡−=

ODb ≡ oxígeno disuelto del blanco

ODm ≡ oxígeno disuelto en la muestra

DBO (aguas residuales urbanas): 100-300 mg/l

Mide la carga contaminante debida a sustancias bioquimicamente degradables

Es la cantidad de oxígeno necesaria para que los microorganismos aerobios puedan oxidar metabólicamente la materia orgánica presente en la muestra de agua. Se determina por diferencia entre el oxígeno disuelto en la muestra inicial y el medido en función del tiempo de incubación (UNE 77-003-89). La incubación se realiza en viales de volumen conocido colocados en estufa a 20 ºC, en ausencia de luz. Generalmente la demanda de oxigeno para la degradación biológica de la muestra, supera los valores de OD a 20 ºC, es por ello que es necesario diluir la muestra hasta valores inferiores de DBO de 3 mg/L. Si la muestra no presenta microorganismos de forma natural (situación muy corriente en vertidos de origen industrial), la muestra a ensayar se sembrará con un cultivo de bacterias aerobias. Al observar la variación del OD en función del tiempo para una temperatura de 20ºC, se aprecia que ésta no sufre una variación constante, sino que al cabo de un periodo de aproximadamente 8 días, la velocidad a la que se consume el oxígeno aumenta bruscamente; esto se debe a que se ha iniciado la biodegradación de los compuestos orgánicos nitrogenados por efecto de las bacterias nitrifricantes, con lo cual estamos observando la superposición de dos curvas, la de la biooxidación de los compuestos hidrocarbonados (línea de trazo fino) y la de los compuestos nitrogenados orgánicos. Al ser la DBO un parámetro fuertemente influido por el tiempo, se suele determinar a dos tiempos diferentes:

· DBO5: variación de la OD determinada al cabo de cinco días en condiciones estándar, y que nos proporciona una idea del carbono orgánico biodegradable existente en la muestra. En estas condiciones de tiempo y temperatura, se biooxidan aproximadamente los 2/3 del carbono orgánico biodegradable total de un agua residual urbana estándar.

· DBOult: variación del OD determinada al cabo de más de 20 días en las condiciones estándar del ensayo, siendo la suma de la materia hidrocarbonada y nitrógenada biooxidable.

La toma de muestras se hará inmediatamente antes del análisis, o en su defecto se conservarán en nevera durante el menor tiempo posible a ≈ 4 ºC.

La DBO nos da información de la cantidad de materia orgánica biodegradable presente en una muestra, sin aportar información sobre la naturaleza de la misma. Hay que tener presente, que un bajo valor de DBO no tiene por que ser indicativo de un bajo nivel de contaminación orgánica, dado que existen sustancias difícilmente biodegradables (sustancias refractarias) o que incluso inhiben el proceso biológico (tóxicos).

En muchos casos tan importante o más que la determinación de la DBO de un efluente en mg/L, es conocer la carga contaminante total del mismo como kg de DBO por día, siendo función de la DBO5 y del caudal Q de efluente, calculándose la misma mediante la siguiente expresión

kg DBO/día = DBO5 (mg/L) ⋅ Q (m3/día) ⋅ 10-3


DEMANDA QUÍMICADE OXÍGENO (DQO)

•Condiciones oxidantes fuertes (K2Cr2O7 y reflujo)

1 g K2Cr2O7 = 0,381 g de O2

Se determina por retroceso (agente reductor)

0,2< DBO5/DQO < 0,5

•Método más rápido que DBO5

•Analiza todas las sustancias orgánicas oxidables (biorrefractarias y tóxicas).

No biodegradable Fácilmente biodegradable

( ) ( )[ ]muestra

2problemablanco

VFeVV·8000

LmgDQO+−

=

DQO (aguas residuales urbanas): 150-800 mg/l

Mide la carga contaminante debida a todas lassustancias capaces de oxidarse (orgánicas o

inorgánicas)

Como ya se ha indicado anteriormente la determinación de la DBO5 tiene dos grandes inconvenientes, su lentitud (cinco días) y que existen muchas sustancias no fácilmente biodegradables que no se evaluarían con esta determinación. Por todo ello, se desarrolló un método rápido y que determinará todo el carbono oxidable de una muestra (UNE 77-004-89), como es la demanda química de oxígeno o cantidad de oxígeno consumida (mg/L) por los compuestos orgánicos presentes en el efluente.

La DQO se determina adicionando una cantidad perfectamente pesada de dicromato potásico (K2Cr2O7) a un volumen conocido de muestra, acidulando el medio (pH<7) y manteniendo a reflujo[1] el sistema durante 2 ó 3 horas. El dicromato sobrante de la oxidación de la materia orgánica se evalúa mediante un agente reductor (generalmente sulfato amónico ferroso). La diferencia entre la cantidad inicial de dicromato y la determinada por valoración con el agente reductor, es la consumida en la oxidación de la materia orgánica presente en el efluente. La DQO es igual a dicha cantidad de dicromatoconsumido, expresado como mg/L de oxígeno presente en la disolución[2].. El valor máximo de DQO instantáneo autorizado en un efluente es de 1.750 mg/L, con valores medios comprendidos entre 500 y 160 mg/L dependiendo del tipo de canon.

La toma de muestra se debe hacer inmediatamente antes del análisis, o en su defecto acidular[3] la misma con ácido sulfúrico a pH ≤ 2, conservándose en nevera y en la obscuridad antes de 5 días o congelando a -20 ºC antes de un mes.

Siempre el valor de DQO ha de ser mayor que el de DBO5, pues no toda la materia oxidable químicamente (condiciones enérgicas) ha de ser biooxidable (condiciones suaves). En general, se puede decir que cuando DBO5/DQO<0,5 estamos ante un efluente fácilmente biodegradable, mientras que si este cociente es inferior a 0,2 será escasamente biodegradable.


CARBONO ORGÁNICOTOTAL (TOC)

• Método instrumental• Combustión• Oxidación ultravioleta por persulfato

• Rápido• Diferencia Corgánico, Cinorgánico, CO2

• No admitido en la legislación actual. • Caro.

Indica la cantidad total de carbono orgánico presente en una muestra, expresándolo en mg/L. En la actualidad existen equipos comerciales que proporcionan simultáneamente el contenido total de carbono orgánico, junto al inorgánico y CO2disuelto, como valores independientes. Es un método instrumental, basado en la combustión total del carbono por oxidación a CO2 (Tª > 900 ºC) en presencia, si es necesario, de catalizadores de oxidación (Pt, CoO, Cu2O), y menos comúnmente en su oxidación por persulfato en presencia de radiación ultravioleta, el CO2 formado se determina por espectroscopía infrarroja o mediante detección de ionización de llama previa su reducción a metano (CH4) con hidrógeno en presencia de níquel metal. Es un método rápido, siendo su principal inconveniente el coste del equipo y que en la actualidad no es un parámetro aceptado en la legislación vigente para aguas, situación que puede modificarse en un futuro próximo. Los métodos de muestreo son similares a los descritos para la determinación de DQO y DBO, teniendo especial precaución en no someter las muestras a la luz, lo cual favorecería la actividad biosintética, modificando los resultados obtenidos.


ACEITES Y GRASAS•Problemas

SedimentaciónBiodegradación

FENOLES•Problemas

ToxicidadFormación de clorofenoles

OH

ACIDEZ•pH = - log [H+] = f(T)

1 < pH < 14ácido básicocorrosión incrustaciones

Extracción y cuantificación

Formación de aductos y evaluación por espectrofotometría

Fe2+ → Fe3+ Hidróxidos metálicos insolubles

ACEITES Y GRASAS, FENOLES y ACIDEZ

Aceites y grasas: Los aceites y grasas en los vertidos líquidos generan dos tipos de problemas a la hora de la depuración de las aguas residuales, disminuyendo la mojabilidad de los sólidos en suspensión impidiendo, con ello su sedimentación, y formando una película que recubre los microorganismos encargados de la biodegradación, impidiendo con ello la captación de oxígeno por los mismos, disminuyendo su poder depurador. La determinación de grasas y aceites de efluentes acuosos se efectúa por extracción con un disolvente orgánico no miscible con el agua, como el freón R-113 o 1,1,2-tricloro trifluoretano (prohibida su fabricación a partir de enero de 1996 según el Protocolo de Montreal) o alternativamente el hexano, a partir de un volumen conocido del agua a analizar acidulada a pH≤ 2, evaluando la cantidad presente por pesada, una vez eliminado el disolvente de la fase orgánica, o mediante espectroscopía infrarroja, por comparación con curvas de calibrado (UNE 77037:1983, UNE 77038:1983).

Fenoles: Son hidroxiderivados del benceno y de compuestos aromáticos polinucleares. Suelen provenir de actividades industriales (plantas de coquización, refinerías, papeleras, etc.), degradación de productos fitosanitarios y de la descomposición de materia vegetal. Son extremadamente tóxicos, y su presencia en aguas sometidas a procesos de cloración produce compuestos clorofenólicos tóxicos y de gusto y sabor desagradable. Se determinan espectrofotométricamente a partir de compuestos de condensación del fenol con 4-amino antipirina, ya sea directamente o por extracción previa con cloroformo (UNE 77053-1983).

Acidez (pH): Es una medida de la concentración de iones hidronio(H3O+) en la disolución. Se determina mediante electrometría de electrodo selectivo (pHmetro) conservando la muestra en frasco de polietileno o vidrio de borosilicato en nevera menos de 24 h, dando la concentración en valores de pH[1] comprendidos entre 1 y 14. Las aguas con valores de pH menores de 7 son aguas ácidas y favorecen la corrosión de las piezas metálicas en contacto con ellas, y las que poseen valores mayores de 7 se denominan básicas y pueden producir precipitación de sales insolubles (incrustaciones).


DUREZA

• Esta relacionada con la capacidad del agua de formar sales insolubles (incrustaciones)

• Los iones causantes de la dureza son Ca2+, Mg2+, Sr2+, Fe2+, Mn2+, HCO3-, SO4

2-, Cl-, NO3

- y SiO32-.

0-75 mg/l blanda75-150 mg/l moderadamente dura150-300 mg/l dura> 300 mg/l muy dura

CONDUCTIVIDAD

• Capacidad del agua de conducir la corriente eléctricaAgua pura Λo = 0,5-2 μS·cm-1

Agua pura aireada Λo = 2-4 μS ·cm-1 SD (mg/L) = k · Λo (μS·cm-1)k = 0,55-0,8

Λo (μS·cm-1) = 100 [Men+] (meq·L-1)

Valoración con EDTA

DUREZA YCONDUCTIVIDAD

Conductividad (Λo): : Es la capacidad del agua de conducir la corriente eléctrica. Se determina mediante electrometría con electrodo conductimétrico, expresando el resultado en microsiemens·cm-1 (μS cm-1) (UNE EN 27888-1993). Es una medida indirecta de la cantidad de sólidos disueltos, aunque también depende del tipo de iones, estando relacionada con estos mediante la expresión empírica

SD (mg/L) = 0,8 · Λo (μS cm-1)

Por regla general un agua con 100 mg/L de SD presenta una conductividad de 120 a 200 mS cm-1 a 25 ºC y cuanto mayor sea el valor de conductividad, mayor será el de sólidos disueltos. El valor máximo instantáneo autorizado en vertidos es de 5000μS cm-1.

Las muestras deben conservarse en frascos de polietileno, nunca de vidrio sódico, en nevera (2-4 ºC) y obscuridad antes de 24 h y preferiblemente “in situ”, teniendo la precaución de termostatizarlas a 25 ºC antes de realizar la determinación.

Dureza: Es otra forma de indicar el contenido iónico de un agua, refiriéndolo a la concentración total de iones calcio, magnesio, estroncio y bario, aunque se debe fundamentalmente a los dos primeros. La presencia de este tipo de iones en el agua suele ser de origen natural, y raramente antrópica. Se obtiene a partir de la determinación por separado del contenido en calcio y magnesio en la muestra o de manera conjunta por complexiometríacon EDTA (UNE 77040-1983), expresándose en diferentes unidades mg de Ca2+ equivalente/L.

El problema de las aguas duras se centra en la formación de precipitados insolubles de carbonatos e hidróxidos que al depositarse sobre tuberías y equipos pueden causar problemas de funcionamiento en calderas de vapor, torres de refrigeración, intercambiadores de calor, filtros, etc. Según su grado de dureza las aguas pueden clasificarse en muy blandas (0-30 mg de Ca2+ equivalente/L), blandas (30-60 mg de Ca2+ equivalente/L), semiduras(60-130 mg de Ca2+ equivalente/L), duras (130-200 mg de Ca2+

equivalente/L) y muy duras (más de 200 mg de Ca2+ equivalente/L).


CLORO (Cl2), CLORURO (Cl-) HIPOCLORITO (ClO-):

• Presencia debida a:cloración para desinfecciónsalinización por aguas marinasexcrementos (≈ 6 g / persona día)

FOSFORO

•Abonos fosfatados y detergentesEutrofización 1g P ⇒ 100 g mat. Orgánica ⇒ 150 DBO5

19.000 mg/L agua marina8.000-9.000mg/L lim. depuración biológica aerobia250 mg /L límite aguas para consumo

CLORO Y FÓSFORO

Cloruro (Cl-), cloro (Cl2) e hipoclorito (ClO-): La presencia de estas especies es, generalmente, debida a la cloración del agua para su desinfección, y a procesos de salinización por aguas marinas. Los cloruros se determinan por valoración o potenciométricamente (UNE 77041-1983 y UNE 77042-1983). El cloro libre y combinado se determina por espectrofotometría (UNE 77064-1990).

Amoniaco (NH3), nitritos (NO2-) y nitratos (NO3

-): Aunque el amoniaco como tal no es un ion y en medio acuoso se encuentra mayoritariamente como amonio (NH4

+), es conveniente estudiarlo conjuntamente con las otras dos especies con las cuales está íntimamente ligado. El amoniaco es uno de los compuestos intermedios formados durante la biodegradación de los compuestos orgánicos nitrogenados (aminoácidos, proteínas, ácidos nucleicos, etc.) que forman parte de los seres vivos, y junto con el nitrógeno orgánico es un indicador de que un curso de agua ha sufrido una contaminación reciente. Ambas formas de nitrógeno se determinan frecuentemente en una sola medida (método Kjeldhal UNE 77028-1983 y UNE EN 25663-1994). La oxidación aeróbica de los compuestos amoniacales y organonitrogenados, conduce a la formación de nitritos y posteriormente de estos en nitratos, por lo que un elevado contenido en nitratos y simultáneamente bajo en amonio, indica que se trata de un agua contaminada hace tiempo. Tanto el amonio, como los nitritos y nitratos se pueden determinar mediante espectrofotometría de adsorción (UNE 77027-1982, UNE EN 26777-1994 y UNE EN ISO 13395-1997) o empleando electrometría de electrodos selectivos.

Fósforo total: El fósforo junto con el nitrógeno, son dos de los nutrientes fundamentales de todos los seres vivos, de forma que contenidos anormalmente altos de estos en las aguas pueden producir un crecimiento incontrolado de la biomasa acuática (eutrofización). La determinación se efectúa por espectrofotometría (UNE 77047-1983 y UNE EN 1189-1997), siendo necesaria la digestión previa de los polifosfatos (constituyentes de los detergentes) en fosfatos, para su análisis posterior.


AMONIO (NH4+), NITRITOS (NO2

-), NITRATOS (NO3-) Y Norgánico:

Método Kjeldhal

Muestra

⇓ sulfúrico

Sulfato amónico

⇓ NaOH

NH3 (destilación)

N-amoniacalN-nitratos

N-orgánico

N-nitritos

tiempo

[ ]

DETERGENTES

H2OH2O

H2O H2O

Grasa

Grasa

Grasa•Tensioactivos

•Capas superficiales: reducen oxigenación

NITRÓGENO Y DETERGENTES

Cloruro (Cl-), cloro (Cl2) e hipoclorito (ClO-): La presencia de estas especies es, generalmente, debida a la cloración del agua para su desinfección, y a procesos de salinización por aguas marinas. Los cloruros se determinan por valoración o potenciométricamente (UNE 77041-1983 y UNE 77042-1983). El cloro libre y combinado se determina por espectrofotometría (UNE 77064-1990).

Amoniaco (NH3), nitritos (NO2-) y nitratos (NO3

-): Aunque el amoniaco como tal no es un ion y en medio acuoso se encuentra mayoritariamente como amonio (NH4

+), es conveniente estudiarlo conjuntamente con las otras dos especies con las cuales está íntimamente ligado. El amoniaco es uno de los compuestos intermedios formados durante la biodegradación de los compuestos orgánicos nitrogenados (aminoácidos, proteínas, ácidos nucleicos, etc.) que forman parte de los seres vivos, y junto con el nitrógeno orgánico es un indicador de que un curso de agua ha sufrido una contaminación reciente. Ambas formas de nitrógeno se determinan frecuentemente en una sola medida (método Kjeldhal UNE 77028-1983 y UNE EN 25663-1994). La oxidación aeróbica de los compuestos amoniacales y organonitrogenados, conduce a la formación de nitritos y posteriormente de estos en nitratos, por lo que un elevado contenido en nitratos y simultáneamente bajo en amonio, indica que se trata de un agua contaminada hace tiempo. Tanto el amonio, como los nitritos y nitratos se pueden determinar mediante espectrofotometría de adsorción (UNE 77027-1982, UNE EN 26777-1994 y UNE EN ISO 13395-1997) o empleando electrometría de electrodos selectivos.

Fósforo total: El fósforo junto con el nitrógeno, son dos de los nutrientes fundamentales de todos los seres vivos, de forma que contenidos anormalmente altos de estos en las aguas pueden producir un crecimiento incontrolado de la biomasa acuática (eutrofización). La determinación se efectúa por espectrofotometría (UNE 77047-1983 y UNE EN 1189-1997), siendo necesaria la digestión previa de los polifosfatos (constituyentes de los detergentes) en fosfatos, para su análisis posterior.


METALES PESADOS

• Contaminantes más dañinos.• Vertido de tipo industrial• Interfieren en los procesos de depuración (alteran los procesos de

biodegradación)• Esenciales para la vida (Fe, ...), gran toxicidad (Cd, Cr, Hg, Pb, etc.)

METALES PESADOS TÓXICOS, CONCENTRACIÓN MÁXIMA ADMISIBLE Y MÉTODODE ANÁLISIS DE LOS MISMOS

MetalConcentración máxima

aguas potabilizables(mg/L)

Observaciones

Cd 0,005 Muy tóxico. Proviene de la industria de metalizado electrolítico

Hg 0,001 Muy tóxico. Industria de cloro-sosa, catalizadores, pinturas.

Pb 0,01 Tóxico. Desechos metalúrgicos, corrosión de tuberías

Cu 0,05 Tóxico. Minería, metalurgía, corrosión tuberias y calderas.

Cr (VI) 0,05 Muy tóxico. Industria de metalizado electrolítico, acero inoxidable,industrias de curtido.

As 0,05 Muy tóxico. Minería, productos fitosanitarios, cenizas de combustión.

Detergentes: Pueden ser de naturaleza aniónica, catiónica o neutra, siendo los primeros los más utilizados. Su determinación se efectúa por formación de complejos estables con azul de metileno (contraión catiónico), los cuales son extraidos con cloroformo, y determinada la concentración por espectroscopía UV-vis, por comparación con una curva de calibrado (UNE EN 903-1994).

Iones de metales pesados: : Están entre los contaminantes más dañinos (ver tabla I), y entre ellos se incluyen elementos esenciales para la vida como el hierro junto con otros de gran toxicidad como el cadmio, cromo, mercurio, plomo, etc.. Su presencia en agua es, generalmente, indicativo de un vertido de tipo industrial, y dada su gran toxicidad y que interfieren en los procesos de depuración (alteran los procesos de biodegradación) se hace necesaria su eliminación antes de los mismos. Para su determinación se emplea la muestra acuosa bruta si ésta no presenta materia en suspensión (determinación de metales en disolución), sino, habrá que someterla a digestión con ácido nítrico (determinación de metales totales), hallando la cantidad de cada metal por espectroscopía de absorción atómica de llama o electrotérmica (UNE 77056-1983). En algunos casos, como el cromo pueden analizarse por otros métodos como espectroscopía UV-vis, electrometría de electrodo selectivo, teniendo siempre en cuenta las posibles interferencias entre diversos metales, así como los límites de detección de cada método.


TOXICIDAD

SinergíasOtras sustancias

• Estudios de biodiversidad.

•Ensayo de inhibición del crecimiento de pseudomonas (UNE-EN ISO 10712:1996).

•Ensayo de toxicidad aguda en dafnias (UNE-EN ISO 6341:1996).

•Inhibición de la respiración de lodos activos (UNE-EN ISO 8192:1995).

•Ensayo de toxicidad aguda en rotíferos.

•Ensayo de toxicidad aguda en tyamnocephlus.

Los estudios de contaminantes, anteriormente expuestos, son sólo una parte de los posibles, pues en muchos casos hay que determinar la presencia de otras sustancias que alteren las propiedades del agua. Además, hay que tener en cuenta que algunas sustancias pueden ver potenciado su papel contaminante al encontrarse en presencia de otras (sinergia), por lo cual se hacen imprescindibles otras formas de determinación del nivel de contaminación de un agua. Estos dos factores han llevado a desarrollar una serie de test de toxicidad, encaminados no a la detección de un agente contaminante específico, sino a ver como se ha modificado por la utilización del agua la capacidad de la misma de desarrollar organismos vivos.


•Radioactividad natural 40K, 226Ra, 238U•Partículas α (4

2He), β (e-) y γ (fotones).

•Detectores:

•ionización

•centelleo

•semiconductor

PARÁMETROS RADIOLÓGICOS

Tanto las aguas continentales, como las oceánicas y subterráneas, poseen una radiactividad natural inherente a la composición de las mismas. De los elementos radiactivos más comúnmente presentes en las aguas, cabe destacar el contenido en 40K, 226Ra, 238U provenientes de la lixiviación de terrenos generalmente graníticos, así como 222Rn formado por descomposición radiactiva de otros elementos de la serie del 238U. La radiactividad es producida por la emisión de los núcleos atómicos de radiaciones ionizantes α (núcleos de helio, 42He), β (electrones) o γ (fotones), que al interaccionar con la materia viva, pueden inducir modificaciones en la misma (mutaciones). El poder penetrante de la radiación depende de la energía y sobre todo de la naturaleza , siendo la más penetrante la radiación γ, seguida de la β, y por último la α. Las determinaciones radiológicas se efectúan con detectores de ionización (cámaras de ionización, contadores proporcionales y contadores Geiger), de centelleo de semiconductor. Generalmente se efectúan medidas de emisión radiactiva, sin hacer un estudio exhaustivo de cual o cuales son los radionucleidos que están emitiendo. Las determinaciones específicas se suelen reservar para la determinación de la emisión de 222Rn (gas), y de algunos otros elementos.


PARÁMETROS BIOLÓGICOS

Se basan en la presencia de especies relacionadas con los niveles de contaminación(organismos indicadores).

•Ser fáciles de aislar y cultivar en laboratorio.•Ser relativamente inocuos para el hombre y los animales.•Relación cualitativa y cuantitativamente con otros patógenos

Métodos de análisis:•Dilución en tubos

•Filtración en membranas

Presencia INDICADORES no implica existencia patógenos, indica probabilidad

El agua no es el medio idóneo.Corto período de tiempo entre contaminación y consumo.Microorganismos bacterianos, virus, ciclos parasitológicos.Amebas, salmonella, vibriones, leptospiras, legionellas, shigellas, virus Hepatitis A, rotavirus (diarreas infantiles), eschistosomas, filarias, etc.FLORA MICROBIANA EN EL AGUAFlora autóctona, inocua.Sistemas ecológicos de mayor complejidad.Procesos de autodepuración (eliminación de flora extraña, patógena) Flora EXÓCTONA constante.EL NÚMERO DE BACTERIAS DEPENDESuelo, materia orgánica disponible, pH, concentración salina, metales, temperatura y otros microorganismos.MICROORGANISMOS INDICADORES.Inviable el control de todos los microorganismos existentes de modo rutinarioIndicadores: Se basan en la presencia de especies relacionadas con los niveles de contaminación, fáciles de aislar y cultivar en laboratorio, relativamente inocuos y con una relación cuali-cuantitativa con patógenos.Coliformes totales y fecales: Habitantes de la flora intestinal. Fermentan la lactosa a 37º C. Saprofitos. Bacterias aerobias: Oxígeno, 22º y 37º C. Indican eficacia o no del tratamiento.Estreptococos: 35º C. Indicadores complementarios de contaminación fecal.Sulfitorreductores: No son indicadores. Esporulados, anaerobios, muy resistentes tratamientos. Causantes de

tétanos, botulismo y gangrena gaseosa.

MÉTODOS DE ANÁLISIS:

•Dilución en tubosNúmero más probable.Propiedades de los microorganismos en distintos medios a distintas concentraciones.Relación numérica estudiada estadísticamente.Tablas NMP.

•Filtración en membranas: Øporo = 0,45 μmColiformes totales 37º C 24 h.Bacterias totales 37º C 24 h.Estreptococos fecales 44º C 48 h.Coliformes fecales 44º C 48 h.Presencia coliformes no implica existencia patógenos, indica probabilidad

MC-F-211 PROPIEDADES, CONTAMINACION Y EVALUACION

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