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www.eltemario.com Oposiciones Secundaria – Física y Química© Antonio Abrisqueta García, 1999 Temario Específico – Tema 58

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TEMAS DE FÍSICA Y QUÍMICA(Oposiciones de Enseñanza Secundaria)

-------------------------------------------------------------------------------TEMA 58

PRINCIPALES PROCESOS QUÍMICOS EN EL AGUA Y EN EL AIRE. IN-FLUENCIA EN EL MEDIO AMBIENTE. EL AGUA: RECURSO LIMITADO;CONTAMINACIÓN Y DEPURACIÓN. PROCEDIMIENTOS PARA DETERMI-NAR LA CONTAMINACIÓN DEL AGUA Y DEL AIRE.

Esquema

1. El agua y el aire en la Tierra.2. Procesos químicos en el agua.

2.1. Composición química del agua continental.2.2. Procesos químicos en el agua continental.

2.2.1. Reacciones de ácido-base.2.2.2. Reacciones de oxidación-reducción.2.2.3. Reacciones de complejación.

2.3. Composición química del agua marina.3. Procesos químicos en el aire.

3.1. Estructura y composición química de la atmósfera.3.2. Procesos químicos en la troposfera.3.3. Procesos químicos en la estratosfera.

4. El agua: recurso limitado.4.1. Contaminación del agua.

4.1.1. Contaminantes inorgánicos.4.1.2. Exceso de nutrientes.4.1.3. Contaminantes que alteran el pH y la salinidad del agua.4.1.4. Contaminantes en aguas residuales urbanas.

4.2. Depuración del agua.4.2.1. Potabilización de aguas de captación subterránea.4.2.2. Depuración de aguas de origen industrial y urbano.

5. Determinación de la contaminación del agua.6. Determinación de la contaminación del aire.

6.1. Medidas de inmisiones.6.2. Medidas de emisiones.6.3. Indicadores biológicos.


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TEMA 58

PRINCIPALES PROCESOS QUÍMICOS EN EL AGUA Y EN EL AIRE. IN-FLUENCIA EN EL MEDIO AMBIENTE. EL AGUA: RECURSO LIMITADO;CONTAMINACIÓN Y DEPURACIÓN. PROCEDIMIENTOS PARA DETERMI-NAR LA CONTAMINACIÓN DEL AGUA Y DEL AIRE.

1. EL AGUA Y EL AIRE EN LA TIERRA

El agua es un compuesto esencial para el desarrollo de la vida en nuestro planeta.A pesar de ello, el agua de consumo es un bien que empieza a ser escaso, debido al au-mento de la población y su poca disponibilidad. En este sentido, el agua dulce está con-centrada en ríos, lagos y lagunas, en una proporción que no llega al 0'5% del agua de labiosfera.

El agua en la biosfera existe en cantidades regulares, formando depósitos de re-serva, en la atmósfera, en los océanos, en los continentes, en los casquetes polares, enlos estratos profundos y en los animales y plantas. Hay que considerar al agua en circu-lación, transfiriéndose desde las capas superficiales de los océanos a las zonas profun-das, evaporándose de los océanos, lagos y suelos a la atmósfera, precipitando en formade lluvia, nieve o hielo desde la atmósfera al mar o los continentes, efluyendo por géise-res y volcanes al exterior de la tierra, por transpiración de las especies vegetales, etc.

La mayor reserva de agua se encuentra en los océanos (97% del agua presente enla biosfera), seguida de los glaciares (3%), aguas subterráneas, aguas superficiales yfinalmente la atmósfera.

Respecto a la circulación de las aguas, el mayor flujo corresponde a la transferen-cia desde las capas superficiales a las más profundas de los océanos, en cantidades 20veces superior ala cantidad de agua que reciben los océanos procedentes de los ríos. Enconsecuencia, los cambios de composición de los océanos debidos a cambios químicosen los ríos, a causa del vertido de residuos, son, globalmente, despreciables.

El siguiente flujo del agua en importancia es la evaporación de las aguas de losocéanos, de la que el 90% regresa a los océanos por precipitación y el resto pasa a loscontinentes. Esta precipitación sobre los continentes no es homogénea y depende de lazona del planeta (desierto, selva húmeda, bosque, etc.).

El agua de consumo proviene de las aguas superficiales y las subterráneas. Estasúltimas tienen características diferentes a las superficiales, pues durante la percolaciónel agua va arrastrando y disolviendo compuestos minerales y algunos orgánicos, mien-tras que muchos microorganismos presentes en el agua quedan filtrados en las partículasdel suelo. Por el contrario, las aguas superficiales, además de disolver compuestos inor-gánicos y orgánicos, mantienen en suspensión partículas sólidas de distinta naturaleza.

Si el agua resulta esencial para la vida en el planeta, no menos esencial es el airede la atmósfera. El aire es una mezcla de gases retenida por gravedad alrededor del pla-neta y es una consecuencia de la actividad vital. El aire contiene Nitrógeno (78'08 %),Oxígeno (20'93%), Argón (0'93%), Dióxido de carbono (0'035%), otros gases nobles y


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un gran número de componentes aún más minoritarios. Los tres principales N2, O2 yCO2 se mantienen, en parte, debido a los procesos biológicos y sus concentraciones ac-tuales son fruto de la acción de la vida a lo largo de la historia de la Tierra.

La característica más destacable es la abundancia de O2. Es la consecuencia de losprocesos que anularon el carácter reductor de la corteza y atmósfera primitivas. Al prin-cipio jugó importante papel la disociación del agua en H2 y O2 por las radiaciones sola-res. Después, desde la aparición de los seres vivos, la fotosíntesis ha sido el procesoregulador del contenido de oxígeno.

El N2, químicamente inerte, es fruto de los seres vivos. La pérdida de N2 por fija-ción biológica e industrial es compensada por la acción de bacterias nitratorreductoras,que producen nitrógeno. El gas menos controlado biológicamente, aunque parezca ex-traño, es el CO2. Su baja concentración en la atmósfera se mantiene por la disolución enel océano, que actúa como enorme tampón produciendo deposición de rocas carbonata-das en los mares poco profundos, aunque en un proceso muy lento.

De entre las misiones vitales que el aire cumple en el mantenimiento de los seresvivo, están, además de ser la fuente de oxígeno para mantener la respiración, la de pro-tegerle de los efectos nocivos de las radiaciones solares ultravioletas, producir un efectode presión sobre los seres vivos que permite la realización de múltiples procesos quími-cos en medio acuoso, producir un efecto termorregulador del calor que procede del Sol,evitando las altísimas variaciones de temperatura entre el día y la noche que se dan enlos planetas que no tienen atmósfera.

2. PROCESOS QUÍMICOS EN EL AGUA

2.1. Composición química del agua continental.

Los procesos químicos naturales que ocurren en las aguas del planeta dependen bá-sicamente de su composición, y la composición de las aguas depende de cuatro factores:

1. Presencia de materia orgánica (disuelta o suspendida).2. Concentración de oxígeno disuelto.3. Concentración de di óxido de carbono disuelto.4. Procesos químicos que ocurren durante la circulación del agua.

La presencia de materia orgánica disuelta (aminoácidos, ácidos grasos, alcoholes,ésteres, hidrocarburos, pigmentos naturales, etc.) y en suspensión (productos de altopeso molecular de procedencias húmicas) supone un consumo elevado de oxígeno parallevar a cabo la degradación de dicha materia orgánica y un consiguiente empobreci-miento de los niveles de oxígeno lo que implica una dificultad para el desarrollo de losorganismos vivos que habitan en el medio.

El oxígeno disuelto en las aguas permite la vida en el medio hídrico. El oxígeno esproducido por las algas verdes gracias a la fotosíntesis, no obstante, la oxigenación máseficiente es la solubilización del oxígeno atmosférico, que se favorece con el movi-miento turbulento de las aguas y se disminuye con la temperatura.


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Otro gas habitualmente disuelto en el agua es el CO2 En este caso la solubilidad esmayor que la de otros gases, con el O2 o el N2, ya que el CO2 en el agua reacciona conésta, mediante una interacción ácido-base, dando ion bicarbonato:

CO2(g) ←→ CO2(aq)CO2(aq) + H2O ←→ H+ + HCO3

−

Debe señalarse que la concentración de CO2 en el agua es baja debido a que losniveles de CO2 atmosférico son también bajos (0'5 mg/l).

Debe tenerse en cuenta, por un lado, la generación de CO2 debida a la biodegrada-ción de la materia orgánica y por otro lado, la pérdida de CO2 a causa de la percolacióndel agua a través de las zonas rocosas de calcita (CaCO3) que se disuelve dando bicar-bonato: CaCO3(S) + CO2 ←→ Ca+2 + 2HCO3

−

Esta reacción se da en las aguas superficiales y es la responsable de la presenciade iones calcio en el agua. Además de la calcita, también contribuye a la liberación decalcio otros minerales como son el yeso CaSO4.2H2O, la anhidrita CaSO4 o la dolomitaCaMg(CO3)2. Este último mineral, es también una fuente de magnesio, presente en lasaguas. La presencia de calcio, magnesio y a veces de hierro (Fe+2) en las aguas es lo queda lugar a la dureza, propiedad que provoca la formación de precipitados al añadir de-tergente al agua.

La liberación de iones Mg+2 y Ca+2, así como de iones alcalinos, como el Na+ yK+, puede venir de la disolución de determinados silicatos, por la presencia del CO2 enel agua, por una reacción del tipo:

Silicato-Al-M + H2CO3 + H2O → HCO3− + H4SiO4 + Silicato-Al + M+n

En medios ácidos, los aluminosilicatos liberan iones Al+3 que se encuentran fuer-temente hidratados.

El ion ferroso Fe+2 se encuentra en el agua en condiciones reductoras, como lasque pueden existir en las aguas subterráneas. No obstante, en presencia de oxígeno elion Fe+2 se oxida a férrico Fe+3 y este ion se hidroliza dando lugar a aguas ácidas y adepósitos de hidróxido: Fe+3 + 3H2O → Fe(OH)3 + 3H+

El Manganeso se encuentra también en aguas subterráneas, en forma de ion Mn+2,pero en presencia de oxígeno y a pH no inferior a 7, puede oxidarse dando lugar a unprecipitado negro de MnO2.

El nitrógeno puede estar presente en las aguas bajo formas químicas distintas. Lasespecies principales son los iones nitrato NO3

−, pero en ambientes reductores, se en-cuentra bajo la forma de ion amonio NH4

+ y en determinadas condiciones como ionnitrito NO2

−.

El fósforo puede estar presente como fosfato ácido (HPO2-2) gracias a la disolu-

ción de la apatita, Ca5(PO4)3(OH), por la presencia de agua carbonatada:Ca5(PO4)3(OH) + 4H2CO3 → 5Ca+2 + 3HPO4

−2 + 4HCO3− + H2O

El azufre se encuentra en forma de sulfato SO4−2 y, en condiciones reductoras co-

mo sulfuro de hidrógeno H2S. La concentración de elementos no metálicos como el car-


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bono, nitrógeno, azufre y fósforo, puesto que forman parte de los nutrientes que susten-tan la vida en el medio acuático, pueden variar significativamente.

Los organismos autótrofos utilizan la energía solar o energía química, para trans-formar compuestos inorgánicos en complejas moléculas orgánicas. En concreto utilizanCO2 y los iones NO3

−- y HPO4−2 como fuente de los elementos C, N y P que incorporan

a las moléculas orgánicas. Un exceso de estos elementos, especialmente de N y P pro-duce el crecimiento explosivo de especies autótrofas como algas verdes dando lugar aproblemas de eutrofización. En consecuencia, la presencia de estos organismos puedemodificar significativamente los niveles de estos elementos en las aguas.

2.2. Procesos químicos en el agua continental.

Las reacciones químicas que ocurren en el medio acuático son, fundamentalmen-te, de tres tipos:

- Reacciones de ácido-base,- Reacciones de oxidación-reducción y- Reacciones de complejación.

2.2.1. Reacciones de ácido-base.

Ya se han mencionado procesos de ácido-base al hablar de los procesos de disolu-ción de rocas y partículas edáficas. En este sentido se distinguen básicamente dos tiposdiferentes de reacciones ácido-base: las reacciones de disolución congruentes y las in-congruentes.

Las reacciones congruentes se refieren a aquellos procesos de disolución total delmineral para dar lugar a compuestos solubles. Este es el caso, por ejemplo de la disolu-ción de la calcita CaCO3:

CaCO3(s) + H2CO3 → Ca+2 + 2HCO3−

o del cuarzo SiO 2 : SiO2(s) + 2 H2O → H2SiO4

o de la gibsita Al2O3.3H2O: Al2O3.3H2O(s) + 2H2O → 2Al(OH)4− + 2H+

Las reacciones incongruentes son aquellas en las que el mineral se transforma enotro mineral secundario, amorfo, también insoluble, liberando al mismo tiempo otrasespecies químicas que permanecen disueltas. Por ejemplo, la albita, que es un alumino-silicato, se transforma en montmorillonita según el proceso:

NaAlSi3O8(s) (Albita) + 6H2CO3 + 20H2O → 6Na+ + 6HCO3− + 10H4SiO4 +

+ 3Na0’33Al2’33Si3’87O10(OH)2 (s) Montmorillonitay la Dolomita que se transforma en Calcita:

CaMg(CO3)2 (s) (Dolomita) + Ca+2 → Mg+2 + 2CaCO3 (s) Calcita

De hecho, estos procesos de disolución tienen lugar debido a que muchos de losconstituyentes de la corteza terrestre son termodinámicamente inestables en presenciade agua. No obstante, en muchos casos estos procesos ocurren muy lentamente y sóloson relativamente acelerados gracias a los procesos físicos de erosión que dejan al mine-ral triturado, aumentando de esta forma su superficie específica.


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2.2.2. Reacciones de oxidación-reducción.

Con relación a los procesos redox, sólo unos pocos elementos están realmente im-plicados en este tipo de reacciones, principalmente, C, N, O, S, Fe y Mn. La mayoría deestos procesos son, en principio, lentos acelerándose por intervención de ciertos micro-organismos. La naturaleza de estos procesos depende de la presencia o no de oxígenodisuelto que es el principal agente oxidante en las aguas naturales. En un medio reduc-tor, es decir, en ausencia de oxígeno, que puede ser el caso de cuando exista un excesode materia orgánica, cabe señalar la ocurrencia de los siguientes procesos (se representala materia orgánica como H-CHO que es la mínima unidad):

Respiración aerobia: H-CHO + O2 → CO2 + H2ODesnitrificación: 5H-CHO + 4NO3

− + 4H+ → 5CO2 + 2N2 + 7H2OFermentación: 3H-CHO + H2O → CO2 + 2H-CH2OHFormación de metano: 2H-CHO → CO2 + CH4

En estos medios anóxicos, pueden actuar otros agentes oxidantes, como son losóxidos de hierro y manganeso:

H-CHO + 4FeOOH) (s) + 8H+ → CO2 + 4Fe+2 + 7H2O H-CHO + 4MnO2 (S) + 4H+ → CO2 + 2Mn+2 + 3H2O

En estos casos, la materia orgánica se absorbe, primero sobre las partículas deóxido, las cuales permanecen en suspensión, reaccionando después según un procesoheterogéneo.

Si las aguas llevan oxígeno disuelto, entonces tiene lugar procesos típicos de oxi-dación, como por ejemplo:

a) la degradación oxidativa de la materia orgánicaH-CHO + O2 → CO2 + H2O

b) la formación de sulfatos o de nitratos:O2 + HS− → SO4

−2 + H+

O2 + NH4+ + H2O → NO3

− + 6H+

c) la formación de óxidos:4Fe+2 + O2 + 6H2O → 4FeO(OH) + 8H+

2Mn+2 + O2 + 2H2O → 2MnO2 + 4H+

Todos estos procesos pueden tener lugar en un mismo sistema acuático, como porejemplo, un lago o un estanque profundo. En estos ecosistemas pueden distinguirse doszonas químicamente diferenciadas: una región anaerobia situada en la zona profunda delestanque y en la que los niveles de oxígeno disuelto son bajos y otra zona superficial, lacual intercambia oxígeno y CO2 con la atmósfera, formando un medio oxidante. En lacapa superficial tienen lugar reacciones de oxidación como las descritas anteriormente,al mismo tiempo que ocurren procesos fotosintéticos que liberan oxígeno:

CO2 + H2O + hν (luz) → H-CHO + O2

Por el contrario, en la zona profunda, los procesos que ocurren son los de reduc-ción, a causa de las condiciones anaerobias que prevalecen. En esta zona se produce unintercambio de material con los sedimentos. Las aguas profundas de los lagos contienenmateriales reductores como amoníaco (NH3), sulfuro de hidrógeno (SH2), iones ferrosos(Fe+2) e iones manganosos (Mn+2). En cambio, en la zona superficial se encuentran es-pecies oxidadas disueltas, como iones nitrato (NO3

−), sulfato (SO4−), CO2 así como óxi-

dos en suspensión.


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Durante la mayor parte del año el agua en estas zonas, superior e inferior del lagoo estanque no se mezcla, puesto que la densidad de estas capas es distinta a causa de lasdiferencias de exposición solar. Este fenómeno se denomina estratificación térmica y lacapa que separa los dos estratos, se llama termoclino y actúa de barrera física ocasio-nando que la composición de los dos estratos sea diferente.

2.2.3. Reacciones de complejación.

En estas reacciones suelen estar implicados iones metálicos Mg+2, Ca+2, Mn+2,Fe+2, Fe+3, Cu+2, Zn+2, etc., los cuales forman enlaces químicos por aceptación de elec-trones cedidos por otras especies químicas llamadas ligandos. Los ligandos más comu-nes en las aguas naturales continentales son los siguientes:

-R-COO− Anión carboxilato-Ph-O− Anión fenolato-R-NH2 Aminas alifáticas y aromáticas-R-O-PO3

−; Aniones fosfato

Uno de los agentes complejantes naturales presentes en las aguas son los ácidoshúmicos, los cuales contienen varios grupos ligantes en sus moléculas. También losiones cloruro (Cl−) participan en procesos de complejación con iones de metales detransición.

Además de los ligandos naturales, en el sistema acuático pueden estar presentesotros de origen antropogénico. Es el caso de ciertos agentes complejantes sintéticos,como el EDTA (ácido etilendiaminotetraacético):

H2C CH2 NCH2

CH2

COO

COON

H2C

H2C

OOC

OOC

el NTA (ácido nitrilotriacético):

CH2 COONH2C

H2C

OOC

OOC

Estas sustancias complejantes se vierten en los cursos de agua, incorporados enbaños electrolíticos, en efluentes utilizados en procesos de tratamiento industrial de re-siduos, en detergentes, en aditivos alimentarios, etc. La presencia de agentes comple-jantes en las aguas puede ser negativo, puesto que éstos pueden llegar a disolver preci-pitados que contengan elementos metálicos tóxicos en los sedimentos o lechos de losríos. Además estas sustancias interfieren en los procesos de depuración de las aguasresiduales, al dificultar la eliminación de los metales pesados.

2.3. Composición química del agua marina.

El medio acuoso marino posee unas propiedades físico-químicas que la diferen-cian mucho del medio hídrico continental, debido a la elevada concentración de salesque contiene. Por ejemplo, la viscosidad y la densidad del agua de mar son mayores quelas de la continental, aumentando ligeramente ambas propiedades al aumentar la salini-dad. Por otro lado la presión osmótica, el punto de ebullición y la presión de vapor au-mentan con la presencia de sales.


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Otra característica que distingue al medio marino del continental es la constanciadel pH del primer medio, el cual se mantiene en un estrecho margen comprendido entre7'5 y 8'3 si bien la mayoría de las veces oscila entre 7'8 y 8'3. Esta relativa estabilidaddel pH del medio marino es lo que hace que este sistema pueda soportar el desarrollo dela vida aun nivel muy elevado.

La constancia observada en el pH marino es una consecuencia del efecto tampo-nante del sistema carbonato-bicarbonato que se establece gracias a la elevada solubili-dad del CO2 en el agua del mar:

CO2 (g) ←→ CO2 (aq) →← OH 2 H+ + HCO3− ←→ 2H+ + CO3

−2

a este múltiple equilibrio, hay que añadir el correspondiente a la formación de CaCO3:CO3

−2 + Ca+2 → CaCO3

proceso importante en el medio marino.

Otro proceso que contribuye a tamponar el pH del medio marino es el sistemaformado por el ácido bórico y el borato:

H3BO3 + H2O → B(OH)4− + H+

El grado de salinidad de un mar o del océano depende de la evaporación y de lasprecipitaciones. La salinidad tiene, además, una variabilidad estacional con máximos enprimavera-verano coincidiendo con la elevada evaporación y lluvias escasas de estaépoca, y mínimos en otoño, cuando se dan las mayores tasas de precipitación. Tambiéncabe señalar las variaciones con la longitud y la latitud, dependiendo de la climatologíade cada lugar y de las corrientes marinas que se establecen. Depende también de la pro-fundidad; las capas superficiales poseen salinidad menor que las profundas, por la in-fluencia del contacto con aguas dulces, sobre todo en zonas costeras, sin embargo enalta mar se observa el fenómeno contrario, es decir la salinidad disminuye con la pro-fundidad.

La concentración promedio de sales es de 35 ‰ en peso, aproximadamente. Lassales presentes en mayor concentración son: el NaCl (27 g/lt), MgSO4 (2 g/lt), CaSO4 (1g/lt). Otros elementos presentes son S, K, Br, C, N, Li, Sr, B, F, Rb, O, Si, Ar, P, Al, I,Ba, Sb, etc.

El mar contiene materia orgánica disuelta y formando partículas en suspensiónque tienen origen biológico. Los compuesto que la constituyen son en su mayor parte deestructura compleja, habitualmente polimérica, aunque también se encuentran en bajasconcentraciones, estructuras sencillas (monómeros) como azúcares o aminoácidos. Lamayor parte de la materia orgánica la constituye los llamados ácidos húmicos, de cons-titución química parecida a los ácidos húmicos del suelo.

El mar contiene en su seno gases disueltos, como O2, CO2, CH4, CO, N2O, cloro-metano (ClCH3), sulfuro de carbonilo (SCO), sulfuro de carbono (S2C), etc. Todos, sal-vo el O2 y CH4 están a muy baja concentración. En las capas superficiales se estableceun equilibrio entre el oxígeno atmosférico y el oxígeno disuelto, mientras que por de-bajo, la concentración de oxígeno viene dominada por la actividad biológica así los or-ganismos vivos consumen oxígeno durante la respiración pero las plantas verdes lo ge-neran a través de la fotosíntesis. Dependiendo de cuál de estos dos procesos prevalezca,habrá déficit o exceso de oxígeno. En principio el oxígeno disminuye con la profund i-dad puesto que se reduce la fotosíntesis, sin embargo, a suficiente profundidad, los ni-


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veles de este gas vuelven a aumentar, debido a su difusión de las capas profundas, ricasen oxígeno, y que tiempo atrás formaron parte de las aguas superficiales.

En general la concentración de compuestos químicos en el mar se mantiene en ni-veles muy constantes, salvo en los compuestos que actúan de nutrientes de los seresvivos como NO3

−, NO2−, NH4

+ y HPO4−2, cuya concentración depende del consumo que

realice el fitoplancton marino de las aguas superficiales y por su regeneración bacterianaen las profundidades del mar. La existencia de corrientes marinas profundas, que elevanlos nutrientes hacia aguas superficiales, es de indudable importancia para la regenera-ción de los bancos de peces y para el mantenimiento de la vida en la zona superior.

3. PROCESOS QUÍMICOS EN EL AIRE.

3.1. Estructura y composición química de la atmósfera.

En la atmósfera pueden distinguirse cuatro zonas diferentes, dependiendo del gra-diente de temperatura de cada una de ellas. La capa más baja, troposfera (desde superfi-cie a 12 km de altura), la temperatura desciende desde 15°C a −56°C (gradiente negati-vo), se produce una mezcla constante de masas de aire y en ella se produce la actividadmeteorológica.

La siguiente capa, la estratosfera, (hasta 50 Km) se produce una variación detemperatura desde −56°C hasta −2°C (gradiente positivo), lo que impide la ascensión demasas frías de aire por encima de las más calientes. En esta zona sólo se produce movi-miento horizontal de masas de aire.

La siguiente capa, la mesosfera (hasta 85 km), la temperatura varía desde –2ºChasta –92ºC (gradiente negativo), la densidad de la zona es muy baja y los movimientosconvectivos son casi inexistentes.

Finalmente, la termosfera (desde 85 km hasta 500 km), la temperatura reinante esde 1200°C que implica un gradiente positivo.

Debido a que la densidad de la atmósfera disminuye mucho con la altitud, casi to-da su masa se concentra en la zona baja (alrededor del 99% de la masa total se encuen-tra en los primeros 30 Km). La composición del aire en estos primeros 30 Km se puedeconsiderar constante.

Los componentes mayoritarios son Nitrógeno, Oxígeno y Argón. Los componenteminoritarios, son CO2, Ne, He, Kr, Xe, CH4, N2O, CO, O3 y compuestos a niveles detrazas. Las concentraciones de estos gases minoritarios son variables debido a las con-tribuciones antropogénicas, no sólo en el tiempo sino también en el espacio. En la tro-posfera existe una cierta concentración de vapor de agua (humedad atmosférica) tam-bién variable con el tiempo, altitud y latitud.

Forman parte de la composición de la atmósfera, aquellas sustancias que se vie r-ten a ella por procesos naturales (contaminantes naturales), existiendo una cierta polu-ción natural originada por una variedad de fenómenos biológicos y geoquímicos. Asípor ejemplo, la vegetación emite una gran variedad de compuestos orgánicos (parafinas,


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terpenos, etc.). El suelo emite N2O por procesos de desnitrificación, o NH3 a través deprocesos aerobios, también se emiten gases reductores como CH4, NO y H2S, debido aprocesos de fermentación anaerobia en zonas húmedas, como pantanos, arrozales, bos-ques y selvas húmedas.

Una fuente natural importante de emisión de componentes a la atmósfera son losocéanos. Estos emiten gran cantidad de gases como: CO2, CO, CH4, N2O, S2C, SCO,ClCH3, etc. Los volcanes son otra fuente de contaminantes atmosféricos y cuando estánen erupción vierten grandes cantidades de gases y partículas sólidas a elevadas altitudes,como óxidos de nitrógeno, óxidos de azufre, H2S, SCO, HCl, HF, así como cenizas ypartículas sólidas procedentes de procesos de combustión.

Otras fuentes naturales de contaminantes son los incendios forestales, mediantelos cuales se vierten grandes cantidades de CO2, CO, óxidos de nitrógeno, SO2, ClCH3,HCN, etc. y las descargas eléctricas en tormentas responsables de la generación de óxi-dos de nitrógeno.

Salvo casos puntuales, la contaminación producida por estos fenómenos naturaleses perfectamente asimilada por la naturaleza, la cual posee mecanismos físicos y quími-cos suficientes para degradar los contaminantes emitidos.

3.2. Procesos químicos en la troposfera.

La troposfera tiene un gradiente negativo de temperatura, lo que da lugar a que seestablezcan movimientos convectivos de masas de aire tanto en vertical como en hori-zontal, lo que favorece la dilución de los contaminantes emitidos desde la superficie dela tierra. El movimiento de estas masas, favorece su mezcla y activa buen número deprocesos químicos de autodepuración. Se destaca la presencia de radicales OH que sonpoderosos agentes oxidantes que llevan acabo un proceso semejante a la combustión,pero a temperaturas mucho más bajas.

El precursor del radical OH es el ozono estratosférico, componente que se generaen la atmósfera ecuatorial y se desplaza hacia los polos. Al mismo tiempo que se des-plaza, el ozono aminora su altitud y parte de él penetra en la troposfera. En la troposfe-ra, el ozono se fotodisocia según: O3 + hν (luz) → O + O2

El átomo de oxígeno, que es altamente reactivo, reacciona con el agua, que es re-lativamente abundante en las zonas bajas de la atmósfera, produciéndose radicales hi-droxilo: O + H2O → 2OHlos cuales inician toda una serie de procesos químicos; así por ejemplo llevan a cabo ladegradación química de compuestos orgánicos oxigenados:

(CH4 , CO , CxHyOz , CxHy) + OH → CO2 + H2O

Otros procesos en los que intervienen los radicales OH son, la oxidación de losóxidos de azufre y nitrógeno, transformándolos a sus respectivos ácidos sulfúrico y ní-trico y la oxidación de gases reductores como H2S o NH3:

SO2 + OH → H2SO4

NO2 + OH → HNO3

SH2 + OH → SO2

NH3 + OH → NO


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El proceso de oxidación de los óxidos de azufre y nitrógeno es el origen de la aci-dificación del agua de lluvia. Esta reacción puede tener lugar tanto en fase gaseosa co-mo en medio acuoso. En fase gaseosa, el SO2 se asocia a los radicales OH, dando elradical HOSO2: OH + SO2 → HOSO2

y este último se transforma en H2SO4 a través de un proceso aún desconocido.

Otro agente oxidante que lleva a cabo la transformación de SO2 a H2SO4 es elozono, que actúa en dos etapas:

- oxidación del SO2 a SO3: SO2 + O3 → SO3 + O2

- reacción del SO3 con agua: SO3 + H2O → H2SO4 De hecho, la cantidad de SO2 oxidado por reacciones en fase gas es poca con rela-

ción al SO2 oxidado en medio acuoso, dada la elevada solubilidad de este gas. En estecaso el SO2 se transforma en ácido sulfuroso que es oxidado posteriormente, por reac-ción con el agua oxigenada o bien con radicales OH también presentes en el medioacuoso atmosférico:

SO2 + H2O → H2SO3

H2SO3 + 2OH → H2SO4 + H2O

La oxidación de los óxidos de nitrógeno tiene lugar, fundamentalmente en fasegaseosa, y los principales agentes oxidantes son los radicales OH:

NO2 + OH → HNO3

y el ozono, el cual, mediante un mecanismo en etapas oxida al óxido nítrico a ácido ní-trico: NO + O3 → NO2 + O2

NO2 + O3 → NO3 + O2

NO3 + NO2 → N2O5

N2O5 + H2O → 2HNO3

En el caso de que los ácidos H2SO4 y HNO3 se hayan formado en fase gaseosa,pueden disolverse en el medio acuoso de nubes o nieblas y retornar a la superficie enforma de lluvia ácida. En realidad el agua de lluvia es de por sí ácida debido a la disolu-ción del CO2 atmosférico: CO2 + H2O → H+ + HCO3

−

Considerando la constante de este equilibrio, la concentración de CO2 y su solu-bilidad en agua, el pH del agua de lluvia natural es 5'6. Cuando los ácidos HNO3 yH2SO4 se incorporan al medio acuoso de la nube, el pH del agua de lluvia puede llegar atomar valores inferiores a 4'5, que en determinados medios es muy perjudicial.

3.3. Procesos químicos en la estratosfera.

En las capas bajas de la atmósfera existen barreras físicas y químicas que dificul-tan el paso de los contaminantes procedentes de la superficie hacia la estratosfera. Sobretodo la inversión térmica que existe en el límite entre la troposfera y la estratosfera, latropopausa, es la que pone más resistencia al paso de compuestos químicos entre una yotra zona. Además, la presencia en la troposfera de especies reactivas como los radica-les OH, hace que muchos de los contaminantes vertidos, se degraden en esta zona. Enconsecuencia, son muy pocas las sustancias que llegan a penetrar en la estratosfera, tansolo aquéllas que son muy estables y resistentes al ataque químico de los radicales OH,con elevados tiempos de residencia en la atmósfera, tienen alguna posibilidad de intro-ducirse en la estratosfera.


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La estratosfera es donde la concentración de ozono alcanza valores máximos. Elozono se genera por fotodisociación de una molécula de oxígeno, seguida de una com-binación átomo-molécula de oxígeno:

O2 + luz → O + O O + O2 → O3

Para llevar a cabo este proceso se requiere luz muy energética. Por ello, los mayo-res rendimientos de formación de ozono ocurren a altitudes intermedias, consecuenciade un equilibrio entre la mayor intensidad de luz a altitudes mayores y la mayor con-centración de oxígeno molecular cuanto menor es la altitud. En este sentido, los mayo-res rendimientos se obtienen en la zona ecuatorial, a altitud de unos 20 km.

Esta generación de ozono viene compensada por una cierta disminución, debidoen parte a su transferencia a la troposfera y a su descomposición a través del siguienteproceso que transcurre en la estratosfera:

O + O3 → 2O2 + calor O3 + luz → O2 + OCon ello se mantiene, en principio, una concentración estacionaria de ozono en la

estratosfera, cuyo valor depende de la altitud. La mayor parte del ozono (80%) se en-cuentra entre los 10 y los 35 km de altitud. Como el ozono absorbe la luz ultravioleta(220 a 330 nm de λ del espectro electromagnético), la zona mencionada, llamada ozo-nosfera, actúa de pantalla a la incidencia de esta luz energética nociva para la vida en elplaneta.

Determinadas especies químicas pueden desencadenar procesos cíclicos de elimi-nación de ozono. Estos procesos consisten en dos reacciones consecutivas, cuyo balancefinal es la destrucción de ozono. El mecanismo es:

X + O3 → XO + O2

XO + O → X+ O2

Como puede observarse, la especie X desencadenante del proceso, se vuelve a re-cuperar al final y el proceso global es la descomposición del ozono:

O3 + O → 2O2

Las especies X pueden ser átomos de H, Br o Cl, así como también moléculas deN2O, radicales OH o CO.

Uno de los compuestos emitidos desde la superficie capaz de llegar a la estratosfe-ra, dada su elevada estabilidad, es el N2O. Proviene de procesos biogénicos del suelo, dequema de biomasa, combustión de carburantes y emisión de los océanos. Al llegar a laestratosfera, el N2O se fotodisocia para dar nitrógeno y oxígeno y éste oxida al N2O aNO: N2O + luz → N2 + O

N2O + O → 2NO

y el proceso global es: 2N2O + luz → N2 + 2NO

El NO es una de las especies que cataliza la eliminación de ozono. No obstante laprincipal amenaza del ozono proviene de los clorofluorocarbonos (CFC's). Estos com-puestos, muy estables, se fotodisocian en la estratosfera para dar átomos de cloro reacti-vos. El radical Cl es el que reacciona con el ozono para dar ClO e iniciar el proceso cí-clico que conduce a la eliminación del ozono.


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Otros precursores importantes generadores de radicales Cl, son determinadoscompuestos clorados como CCl4, CH3Cl, CH3−CCl3, etc. utilizados como disolventes,que dada su volatilidad, su destino final es la atmósfera.

También destacamos el papel del bromo en la degradación del ozono. Este ele-mento se forma por fotodisociación del bromuro de metilo:

BrCH3 + luz → Br + CH3

La erosión de la capa de ozono es especialmente intensa en la Antártida, donde seha observado que, de forma periódica, a finales de septiembre y comienzos de octubre(final del invierno polar) se produce un descenso acusado de los niveles de ozono en laestratosfera antártica. Durante esta época, se establece en la Antártida un régimen devientos (vórtex polar), que aísla una masa de aire encima del polo lo cual recrudece lameteorología invernal. Se producen temperaturas de entre –80º a –90ºC que conducen ala formación de partículas de ácido nítrico trihidratado (HNO3.3H2O) que favorecen eldesarrollo de determinados procesos químicos en su superficie. Principalmente, se pro-duce la reacción entre el HCl y el ClONO2, que son dos especies que en la estratosferalibre son estables y no liberan átomos de cloro. Al reaccionar ambos dan lugar a molé-culas de cloro y más ácido nítrico:

HCl + ClONO2 → Cl2 + HNO3

En la oscuridad del invierno antártico, la molécula de cloro permanece estable.Sólo cuando aparecen los primeros rayos de luz, la molécula se fotodisocia iniciando ladestrucción del ozono: Cl2 + luz → Cl + Cl

Cl + O3 →ClO + O2

Cl + O → Cl + O2

La eliminación del ozono prosigue hasta que la intensidad de la luz incidente essuficiente como para aumentar la temperatura y destruir el vórtex polar. Cuando ocurreesto, se evaporan los cristales de nítrico y se evita la reacción de HCl con el ClONO2.

De hecho, la destrucción masiva del ozono antártico tan solo dura unos cuantosdías, sin embargo, la disminución de los niveles de ozono es muy intensa, de tal maneraque se han detectado disminuciones superiores al 50% del total, en una época del año enque la actividad fotosintética es elevada. Ello conlleva un impacto ambiental negativoprincipalmente para el fitoplancton marino de la Antártida, que constituye el inicio de lacadena trófica de la cual se nutren especies del resto del planeta.

4. EL AGUA: RECURSO LIMITADO

Las reservas totales que la Tierra posee de agua dulce exceden con mucho cua l-quier necesidad imaginable de la población humana. Pero la mayor parte de este recursono es accesible, o sea, el hombre no puede disponer de ella. El resto disponible, muestrauna distribución irregular de un lugar a otro y de una estación a otra.

Para satisfacer la demanda de agua que presenta la agricultura y la industria, y lamás exigua en volumen, pero no menos apremiante del consumo doméstico, hay querecogerla, represarla y distribuirla según prioridades. El método de control de reservasde agua más extendido es la construcción de embalses en las corrientes fluviales. Tam-bién ha desarrollado la explotación de los yacimientos subterráneos y la desviación y


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trasvase de aguas de una cuenca a otra. Toda esta gestión de recursos hídricos exigegrandes inversiones en presas, embalses, canalizaciones y grandes obras públicas desti-nadas a regular el ciclo del agua.

Las reservas mundiales de agua dulce llenarían diez veces el Mediterráneo, perotres cuartos de las mismas se halla retenidas en los glaciares y en el hielo polar, lejostodavía del alcance de nuestras técnicas. Casi todo el resto subyace en acuíferos subte-rráneos que no se explotan de manera intensiva. Las principales fuentes de suministro(ríos, lagos, vapor atmosférico) constituyen menos del 1% de las existencias totales. Enúltima instancia, la fuente de agua dulce es la continua destilación de los océanos porradiación solar. La evaporación anual (incluida transpiración de las plantas) evaluada enmedio millón de kilómetros cúbicos de agua (500.000 km3), vuelve a caer sobre la tierraen forma de lluvia y nieve; parte de esa precipitación cae sobre tierra firme y eliminan-do lo perdido por evaporación, el balance neto del ciclo hidrológico es positivo (40.000km3). Pero no todo este balance positivo queda a disposición del hombre para su apro-vechamiento, pues parte de él se pierde por inundaciones, absorción en el suelo, reten-ción en marismas, etc. La máxima cantidad aprovechable (14.000 km3) es el flujo decirculación estable en los cursos fluviales. De este volumen, parte de él circula por re-giones deshabitadas, por lo que el resto (9.000 km3) son los recursos efectivos mundia-les de agua dulce con los que hemos de hacer frente a nuestras necesidades durante lospróximos años.

La demanda de agua por la humanidad tiene distintos orígenes. En primer lugar,está el consumo doméstico. Para mantener una calidad de vida aceptable, la comunidaddebe proporcionar unos 30 m3 de agua potable por persona y año. La desigual distribu-ción del agua en las zonas pobladas del planeta determina que en ciertas regiones elagua sea cara y escasa y en otras sea abundante y económica. El desarrollo de la huma-nidad tiene como objetivo corregir estos desequilibrios.

La agricultura, que presenta gran demanda de agua dulce, es la más sensible a lasvariaciones de suministro. El 85% de las tierras cultivadas reciben sólo agua de lluvia,que aunque se aprovechan de un gran volumen de agua, obtenido de forma gratuita, lamayor parte de ella se pierde irremisiblemente. Sólo el 12% de las tierras cultivadas seriegan, utilizando 1'6 veces el agua que cae en las tierras de secano por ello, resultarámuy costoso, extender a regadío todas las explotaciones agrícolas, aún cuando fueradeseable.

La demanda de agua por la industria, en los países desarrollados, es de 80 a 100veces la demanda para uso doméstico, en promedio. Pocas industrias acaparan 2/3 de lademanda total (papeleras, alimentarias, siderometalúrgicas, químicas y petroquímicas).Gran parte del agua no se consume, sino que se emplea en refrigeración, principalmentepara obtener energía eléctrica, y regresa posteriormente a los cursos fluviales sin máscambios que un aumento de temperatura. En general el agua utilizada en la industriasuele volver al río con una carga de contaminantes y en este caso, la demanda total debeincluir el volumen adicional de agua suficiente que permita diluir los contaminanteshasta un nivel aceptable.

La navegación fluvial no consume agua pero exige un curso muy caudaloso y unagestión eficaz de los recursos de la cuenca. Otros usos del agua considerados en un pro-


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yecto global de gestión, son: mantenimiento de albuferas, marismas y zonas pantanosaspara proteger la vida y preservar los parques naturales.

Además de los problemas que plantea la adecuada gestión de los recursos irregu-lares de agua para atender las diversas necesidades descritas, hemos de añadir el pro-blema de la creciente contaminación del agua en su ciclo y en las fases de aprovecha-miento por el hombre.

4.1. Contaminación del agua.

El rápido desarrollo industrial que ha tenido lugar en el mundo está originandouna ingente cantidad de residuos, muchos de los cuales son vertidos directamente a losríos, con el fin de diluirlos y dispersarlos. Ello ha traído como consecuencia que en laactualidad, se puedan encontrar una gran variedad de sustancias químicas, así como lapresencia de microorganismos en abundancia, con resultado, también del vertido a losríos de aguas fecales procedentes de centros urbanos. Relacionaremos a continuaciónlos contaminantes habituales en los cursos de aguas continentales.

4.1.1. Contaminantes inorgánicos.

Se incluyen metales procedentes de vertidos de la industria metalúrgica y de acti-vidades mineras (Cd, Cr, Cu, Fe, Pb, Mn, Hg, Ag o Zn) así como cianuro (CN−) utiliza-do en la industria electroquímica.

Otros compuestos inorgánicos que suelen estar presentes en las aguas son el SH2,de industrias papeleras, textiles y químicas, el ion NO2

−, vertido por industrias de ali-mentación, mataderos etc., el ion sulfito SO3

−2, procedente de industria química y el ionamonio NH4

+, por la descomposición de materia orgánica nitrogenada.

4.1.2. Exceso de Nutrientes.

La presencia en exceso de compuestos esenciales para el desarrollo de los orga-nismos vivos que habitan en el medio acuático es también perjudicial, puesto que favo-recen los fenómenos de eutrofización. Por ejemplo, los nitratos, que proceden de losfertilizantes; los fosfatos, que proceden de vertidos de detergentes, de descargas indus-triales y residuos animales, el azufre en forma de sulfato y los iones K+, Ca+2 y Mg+2,producen eutrofización.

4.1.3. Contaminantes que alteran el pH y la salinidad del agua.

Los desequilibrios en el pH del medio acuático afectan seriamente la integridad delos organismos vivos que lo habitan. También actúa negativamente la presencia de unexceso de sales.

La contaminación ácida se produce por la industria química y fundamentalmentepor la minería (H2SO4); también por la lluvia ácida cuya acidez no ha sido contrarresta-da por el medio edáfico.

La contaminación alcalina puede producirse por procesos naturales como la per-colación del agua en terrenos cuyos suelos consumen H+. La salinidad de algunos cursos


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de agua puede deberse a procesos industriales, purificación de salinas, extracción exce-siva de agua dulce en zonas costeras.

4.1.4. Contaminantes en aguas residuales urbanas.

Las aguas residuales urbanas contienen gran cantidad y variedad de compuestosquímicos y microorganismos, que conforman una mezcla de gran complejidad química.En las aguas residuales se encuentra materia orgánica a concentraciones elevadas, queconsumen oxígeno y empobrece las aguas en dicho elemento. Se encuentran tambiéncompuestos orgánicos difícilmente biodegradables, como compuestos aromáticos, orga-noclorados, pesticidas, etc. proveniente de vertidos industriales. Otros contaminantesson metales pesados, álcalis, grasas, aceites, detergentes, etc. de procedencia diversafundamentalmente de vertidos industriales y domésticos.

Los detergentes sintéticos contienen un surfactante, que disminuye la tensión su-perficial del agua y cuya fórmula contiene parte hidrófoba y parte hidrófila, pero ac-tualmente los surfactantes empleados son biodegradables. El mayor problema contami-nante de los detergentes es la presencia de los formadores, cuya función es enlazarsecon los iones responsables de la dureza del agua y aumentar al mismo tiempo, el pH delagua y hacer más efectiva la acción del detergente. Estos formadores son polifosfatos(uniones poliméricas de grupos PO4

−3). El fósforo es un elemento nutriente cuyo excesoproduce eutrofización.

4.2. Depuración del agua.

El método para eliminar residuos en el agua depende de la procedencia de ésta.Existen dos diseños diferenciados:

1. Potabilización de aguas de captación subterránea.2. Depuración de aguas de origen industrial y urbano.

4.2.1. Potabilización de aguas de captación subterránea.

En primer lugar se somete al agua a una aireación, con lo cual, se eliminan porarrastre, los contaminantes más volátiles como SH2, CO2, CH4, etc. A continuación seañade óxido o hidróxido cálcico con el fin de reducir la dureza de las aguas, básicamen-te representada por los iones Ca+2 y Mg+2. El proceso se basa enla formación de precipitados de CaCO3.

Ca+2 + 2HCO3− + Ca(OH)2 → 2CaCO3 (s) ↓ + 2H2O

quedando el efluente libre de iones Ca+2. Si el ion bicarbonatono estuviese presente, se añadirá carbonato sódico. Por otraparte a pH suficientemente alcalino, el ion Mg+2 precipita comohidróxido:

Mg+2 + 2OH− → Mg(OH)2 (s) ↓Las partículas de CaCO3 y de Mg(OH)2 se dejan precip i-

tar en el estanque primario. En este estadio, gran parte del mate-rial sólido permanece aún en suspensión debido a su reducidotamaño y debe añadirse un coagulante como sulfato de hierro ode aluminio, que provocan la aglomeración de partículas(coagulación), y se realiza en el estanque secundario.


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Finalmente el efluente se somete a la acción del cloro (cloración), que es el agenteque más se utiliza como desinfectante, por su eficiencia en la destrucción de las bacte-rias. Suele añadirse hipoclorito de calcio Ca(ClO)2 mucho más manipulable que el clorogaseoso. Las especies ClO − y ClOH son las que llevan a cabo la desinfección de lasaguas. La acción oxidante del cloro destruye la materia desagradable y elimina los ionesFe+2 y Mn+2 que se oxidan a los correspondientes Fe+3 y Mn+3 precipitando como óxidoso hidróxidos.

4.2.2. Depuración de aguas de origen industrial y urbano.

En el caso de depuración de aguas de origen industrial y urbano el esquema esmás complejo. Las depuradoras se diseñan teniendo en cuenta las siguientes etapas:

l. Homogeneización de residuos.2. Neutralización.3. Eliminación de aceites y grasas.4. Eliminación de sólidos en suspensión.5. Eliminación de metales pesados.6. Eliminación de compuestos orgánicos volátiles.7. Eliminación de compuestos orgánicos no volátiles.

1. La homogeneización es un pretratamiento y sirve para evitar sobrecargas o des-cargas puntuales a elevadas concentraciones de residuo que provocaría un efecto nega-tivo en el funcionamiento de la depuradora. La homogeneización se puede conseguiralmacenando el efluente durante las descargas intensas evacuándolo después en dosispequeñas. Si contiene sólidos es conveniente agitarlo mecánicamente y se puede hacermediante una aireación, con lo que además, se reduce la concentración de compuestosvolátiles presentes en el agua residual.

2. EI siguiente paso es neutralizar el agua. Es conveniente por dos razones: prime-ra, porque el efluente al final debe tener un pH entre 6 y 9 y segundo, porque el pH óp-timo para el tratamiento biológico posterior es de 6'5 a 7'5. Los efluentes ácidos se tra-tan con lechada de cal o disoluciones de hidróxidos alcalinos, mientras que las aguasalcalinas se neutralizan con sulfúrico, clorhídrico o haciendo burbujear CO2.

3. La eliminación de aceites y grasas es un proceso sencillo, pues las grasas yaceites flotan en el agua. Para bajas concentraciones de aceite, la flotación puede favo-recerse mediante una presurización del efluente en presencia de un exceso de aire. Conello las partículas de aceite se adhieren a las de aire y emergen a la superficie.

4. Los sólidos en suspensión se separan mediante diferentes operaciones, depen-diendo del tamaño medio de las partículas. Las partículas superiores a l µm de diámetrose eliminan por simple sedimentación y las más pequeñas pueden eliminarse por flota-ción, o bien por coagulación.

5. Los iones metálicos se eliminan por precipitación como hidróxidos, para ello seañade cal o disolución alcalina con el fin de aumentar el pH del efluente. En muchoscasos se obtiene una disolución coloidal, formada por partículas de tamaño inferior a lµm que debe coagularse para proceder a la sedimentación. Otra alternativa es eliminarlos iones metálicos como carbonatos o como sulfuros. Otros métodos consisten en eli-


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minar metales por absorción sobre alumbres, carbón activo o floculantes, o utilizar resi-nas de intercambio iónico u ósmosis inversa.

6. La eliminación de compuestos orgánicos volátiles se lleva a cabo mediante unarrastre con aire o vapor, como ya se ha mencionado. El gas de arrastre pasa por filtrosde carbón activo, en el que queda retenido el contaminante. En muchos casos se puedeaplicar directamente el carbón activo a la fase acuosa para absorber los compuestos or-gánicos presentes.

7. Buena parte de la materia orgánica no volátil puede eliminarse por tratamientosbiológicos, en los que determinados microorganismos presentes en las mismas aguasresiduales son los responsables de la degradación de los compuestos orgánicos.

Una forma de depuración es utilizar los estanques aerobios. Poseen una profundi-dad de 1'5 m asegurando una relación área/volumen elevada y en consecuencia se pro-duce una aireación suficiente. En estas condiciones, la materia orgánica se degrada poroxidación catalizada por los microorganismos presentes en las propias aguas residuales.Estos microorganismos son heterótrofos, es decir, que necesitan oxígeno para llevar acabo la completa mineralización de la materia orgánica.

Otra posibilidad es utilizar estanques anaerobios de mayor profundidad. En ellosse produce un déficit de oxígeno desencadenándose procesos anaerobios que generangases reductores como CH4, SH2, NH3 y otros productos orgánicos parcialmente oxida-dos. Estos procesos químicos pueden tener lugar en toda la extensión de las aguas delestanque si se evita en lo posible la entrada de oxígeno atmosférico, lo que se logra cu-briendo la superficie del estanque con aceite o grasa.

Pueden utilizarse estanques en los que se dé una situación intermedia (estanquesmixtos), que presentan una profundidad suficiente como para que tengan lugar procesosanaerobios en el fondo. En la zona superficial se colocan turbinas que oxigenan lasaguas y así se provoca el establecimiento de una zona aerobia en la cual se oxidan losgases reductores formados en el fondo.

Otra posibilidad de depuración biológica más económica consiste en aprovecharla capacidad autodepuradora de las plantas verdes mediante las cuales se pueden trataraguas residuales que, como las urbanas, contengan un exceso de nutrientes, consumien-do un mínimo de energía. Estas plantas sintetizan su propia materia consumiendo ele-mentos minerales y utilizando como fuente de energía el Sol (fotosíntesis). Se utilizanalgas microscópicas como elementos depuradores pues producen oxígeno a través de lafotosíntesis y este oxígeno es el que utilizan determinadas bacterias para degradar lamateria orgánica. Recientemente se han introducido las algas azules, las cuales fijan elnitrógeno y por consiguiente son capaces de absorber también el fósforo.

Una alternativa a las algas es el uso de plantas vasculares acuáticas, que generanuna biomasa que se extrae fácilmente del estanque, cosa que no ocurre así cuando seutilizan microalgas. Además las plantas vasculares se adaptan fácilmente a aguas resi-duales de composición química diferente. Pueden utilizarse como plantas vasculares lasbogas, los jacintos, cañas de bambú, plantas flotantes, etc.


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5. DETERMINACIÓN DE LA CONTAMINACIÓN DEL AGUA

Habitualmente, la concentración de materia orgánica en las aguas continentales esde algunos miligramos por litro, sobrepasando algunas veces los 50 mg/lt. La concen-tración de materia orgánica se suele medir por parámetros globales que no distinguen lanaturaleza de los distintos compuestos orgánicos presentes en las aguas.

Por ejemplo, un parámetro que indica la cantidad de materia orgánica presente esel TOC (Total Organic Carbon). Este parámetro se obtiene analizando el CO2 generadopor combustión de una muestra de agua, a la que se ha eliminado previamente los com-puestos inorgánicos carbonados. Otros parámetros que definen la cantidad de materiaorgánica en el agua, son el COD (Chemical Oxygen Demand) y el BOD (BiologicalOxygen Demand). El primero se refiere al oxígeno consumido por una muestra quecontiene compuestos orgánicos al valorarla con un oxidante fuerte como el permanga-nato potásico o el dicromato potásico, mientras que el segundo parámetro mide el oxí-geno consumido por la degradación biológica de la materia orgánica de la muestra.

Así, unas aguas con altos valores de BOD o de COD significa que tienen en diso-lución mucha materia orgánica, cosa que en el medio natural produce un elevado con-sumo de oxígeno para llevar a cabo la degradación de dicha materia orgánica. El empo-brecimiento de los niveles de oxígeno en el agua implica una mayor dificultad para eldesarrollo de los organismos vivos que habitan en el medio.

Como ya se ha mencionado, estos parámetros miden solo de forma global, la can-tidad de materia orgánica presente en el agua. Para conocer su composición, es necesa-rio llevar acabo un análisis individualizado de cada componente. En realidad, hasta lafecha solo se ha podido llevar a cabo el análisis de una pequeña fracción de la totalidadde compuestos químicos orgánicos existentes en las aguas continentales y se han detec-tado la presencia de ácidos grasos, aminoácidos, alcoholes y sus ésteres derivados, azú-cares, esteroles, pigmentos naturales y vitaminas y multitud de productos de elevadopeso molecular, no muy definidos en su composición, correspondientes a diferentessustancias del humus.

La determinación de los contaminantes inorgánicos y elementos metálicos conte-nidos en las aguas continentales, como HPO4

−2, SO4−2, NO3

−, NO2−, Cl−, Ca+2, Mg+2,

Fe+2, Mn+2, Pb+2, Cd+2, etc., se determinan mediante los respectivos análisis inorgánicosde aniones y cationes respectivos.

6. DETERMINACIÓN DE LA CONTAMINACIÓN DEL AIRE.

La vigilancia de la calidad del aire en los núcleos urbanos y en el entorno de lasgrandes áreas industriales, se realiza mediante programas de control que comprende lassiguientes funciones:

- Análisis de la contaminación y su evolución a largo plazo.- Control del cumplimiento de las normas de calidad del aire.- Evaluación de la eficacia de los planes de saneamiento.- Programa de reducción de emisiones.- Control de episodios de contaminación.- Evaluación de efectos.


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Los métodos y técnicas utilizadas para la vigilancia de la calidad del aire depen-den de los objetivos a cumplir, por lo que en general se recurre a técnicas de análisisfísico-químico mediante redes de estaciones distribuidas por la zona a vigilar.

Las redes de vigilancia suministran información sobre las concentraciones de loscontaminantes atmosféricos en las zonas en que los niveles de contaminación se prevénaltos, zonas pobladas y zonas de vegetación o cultivo, especialmente valiosas o sens i-bles.

La configuración de las redes de vigilancia ha de basarse en estudios de dispersiónde la zona y distribución espacial de receptores. Ofrecerán información sobre: inventa-rio de emisiones, distribución geográfica de las emisiones, datos meteorológicos, índ i-ces de calidad del aire, etc. Medirán por diversos métodos los contaminantes más fre-cuentes de la atmósfera, como: dióxido de azufre, óxidos de nitrógeno, hidrocarburos,ozono, monóxido de carbono, etc., partículas en suspensión y partículas sedimentables.

El instrumental comúnmente usado para el control de la contaminación atmosféri-ca (monitores automáticos, muestreadores manuales, instrumentos analíticos de labora-torio) realiza la medición de los contaminantes con el fin de conocer la calidad del aire(inmisión) o para controlar el volumen de contaminante emitido por un determinadofoco (emisión).

6.1. Medidas de inmisiones.

Los métodos analíticos más comúnmente utilizados para la medida de inmisionesson:

Dióxido de azufre……………. Medida de acidez y espectrofotometría.Óxidos de nitrógeno.………… Espectrofotometría.Partículas en suspensión…….. Reflectometría.Partículas sedimentables…….. Gravimetría.Amoníaco…………………… Espectrofotometría.Plomo……………………….. Espectrometría de absorción atómica.Hidrocarburos……………….. Ionización de llama.Ozono……………………….. Absorción ultravioleta.Monóxido de carbono………. Absorción infrarroja.Acido fluorhídrico………….. Método Radiométrico.Acido sulfúrico……………… Fluorescencia.

6.2. Medidas de emisiones.

Se llama medida de emisiones a la determinación de los contaminantes emitidospor un foco puntual, por ejemplo, una chimenea. En este procedimiento primero se pro-cede a una extracción de la muestra en un punto de la chimenea que tendrá gran impor-tancia, debido a las variaciones de composición del flujo de gases a lo largo del con-ducto. Tras la extracción, la muestra es analizada en el laboratorio.

Los sistemas de medición de emisiones sin extracción suelen ser equipos automá-ticos de medición basada en la integración de la radiación absorbida en una cierta bandadel espectro, de un haz que atraviesa la chimenea. Tal es el sistema de los opacímetros yde los monitores de emisión de SO2 y NOx. Estos métodos no extractivos son menos


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exactos que los extractivos y requieren su calibrado con aquellos para cada aplicaciónconcreta.

6.3. Indicadores biológicos.

Recientemente se está empleando la técnica de los indicadores biológicos comocomplemento de las redes de análisis químicos para la vigilancia de la contaminaciónatmosférica. Esta técnica presenta la ventaja de permitir hacer una evaluación biológicade las situaciones de contaminación atmosférica.

Los indicadores biológicos se basan en la sensibilidad que presentan algunas es-pecies o variedades de plantas a ciertos contaminantes gaseosos de la atmósfera, conefectos más o menos específicos, que permiten identificar la presencia de estos conta-minantes y vigilar su evolución.

Los contaminantes más comúnmente detectados mediante indicadores biológicosson el ácido fluorhídrico (HF), el etano (C2H6), el dióxido de azufre (SO2), el ozono(O3), los metales pesados y los isótopos radiactivos.

Entre las distintas especies animales y vegetales empleadas como indicadoresbiológicos, los líquenes son los más ampliamente empleados en contaminación atmosfé-rica. Los líquenes, entidad morfológica compuesta por la asociación simbiótica de unhongo y un alga, son muy sensibles a la contaminación atmosférica, principalmente alSO2, HF y HCl. Estos contaminantes producen alteraciones morfológicas y fisiológicasen los líquenes. Esto, unido a que su actividad fotosintética es continua, su gran capaci-dad de acumulación de contaminantes (S, Pb, F e isótopos radiactivos), su dependenciadirecta de la atmósfera como única fuente de alimentación y su gran longevidad, loshace especialmente aptos para ser utilizados como indicadores biológicos de la conta-minación atmosférica.

El grado de contaminación de estos métodos se basa en el número de especiesbiológicas presentes, la frecuencia de aparición y la fertilidad. Presentan el inconve-niente de que para obtener datos absolutos del grado de contaminación es necesario dis-poner de una red de medida basada en el análisis químico, con el fin de relacionar losdatos obtenidos.


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BIBLIOGRAFÍA RECOMENDADA

Xavier DOMENECH. Química Ambiental. El impacto ambiental de los residuos.Ediciones Miraguano. 1994. MADRID.

Josep PEÑUELAS. El Aire de la Vida. Editorial Ariel. 1993. MADRID.

José Manuel SANZ SA. La contaminación atmosférica. Unidades Temáticas Am-bientales de la Secretaría de Estado para las Políticas del Agua y el Medio Ambiente.Ministerio de Obras Públicas y Transportes. 1991. MADRID.

Robert P.AMBROGGI. Agua. Investigación y Ciencia. (Scientific American).Noviembre 1980. Núm. 50. Prensa Científica, S.A. BARCELONA.

J.W.MAURITS LA RIVIERE. Los recursos hídricos, amenazados. Investigacióny Ciencia. (Scientific American). Noviembre 1989. Núm. 158. Prensa Científica, S.A.BARCELONA.


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Tratamiento Didáctico----------------------------------------------------------------------------------------------------------OBJETIVOS

Conocimiento de la materia líquida y gaseosa de la naturaleza por el estudio de laspropiedades del agua y el aire.

Conocer la atmósfera, la importancia para la vida y la necesidad de protegerla y pre-servarla de la contaminación.

Conocer todo lo referente al agua en la tierra, su papel básico y tomar conciencia desu protección, depuración, etc.

Explicar a partir de la composición y propiedades del aire y agua, su importancia pa-ra los seres vivos, para los fenómenos atmosféricos y para los cambios de clima.UBICACION

Se puede ubicar en las enseñanzas mínimas del Bachillerato (científico y tecnológi-co) en la asignatura de Física y Química, Unidad Didáctica: "Relaciones de la Ciencia,Tecnología y Sociedad". Igualmente se puede ubicar en la U.D. 2 de la asignatura deQuímica de 2º de Bachillerato: "Química, Tecnología y Sociedad".TEMPORALIZACIONSe dedicarán 6 sesiones de 1 hora a distribuir de esta forma

1'5 horas para el estudio de la atmósfera su papel protector y contaminación.2'5 horas para el estudio del agua, contaminación, depuración etc.1 hora para experimentos para el estudio de propiedades del agua.1 hora para análisis de datos sobre contaminación y debate.

METODOLOGIAExposición sistemática y comprensiva del tema y repercusiones en la vida del plane-

ta. Propiciar un clima de interés para el alumno, que incentive las reflexiones, planteepreguntas y promueva debates.

Realizar actividades sobre el aire y agua en la naturaleza, bien de laboratorio, de bi-bliografía académica o periodística de actualidad.

Visitas a instalaciones relacionadas con el tema: depuradoras, laboratorios, cauces deríos, estaciones meteorológicas, etc.CONTENIDOS MÍNIMOS

Conocimiento de la materia líquida y gaseosa de la naturaleza.La atmósfera. Estructura y composición.Papel protector de la atmósfera. Fenómenos básicos de contaminación.Importancia de la capa de ozono. Problemas por su desaparición.El efecto invernadero. La lluvia ácida.Importancia del agua en la vida y en la regulación del clima.El ciclo del agua. Cambios de estado.Procesos básicos de contaminación del agua de mares y océanos.Aguas potables. Tratamiento de potabilización.

MATERIALES Y RECURSOS DIDACTICOSPublicaciones de actualidad sobre problemas de contaminación del aire y agua, como

las publicadas por el Ministerio de Obras Públicas.Audiovisuales sobre la atmósfera y los mares y océanos relacionados con problemas

de contaminación. Prensa, televisión.EVALUACIÓN

Valorar el conocimiento mediante pruebas escritas, ejercicios, exámenes.La utilización de fuentes de información sobre contaminación, etc. Debates en clase

sobre los problemas actuales planteados en el tema y los trabajos de laboratorio.

TEMAS DE FÍSICA Y QUÍMICA (Oposiciones de Enseñanza … 58.pdf · 2008-08-12 · calcio otros...

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