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Tema : Contaminación del Agua, Aire y Tierra Dr. Omar Romero Hernández

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TEMA:

CONTAMINACIÓN DE AGUA, AIRE Y SUELO


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Parte 1 de 3

CONTAMINACIÓN DE AGUA, SUELO Y AIRE

(Agua)


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CONTAMINACIÓN DEL AGUAAGUA: Introducción

⇒Estimación año 2000• 2.2 X 109 personas sin

acceso al agua potable.

• 2.7X109 personas sin acceso a servicio saneamiento.

PAÍSESEN VÍAS

DESARROLLO

1980 1990

2000

1980 19902000

RuralUrbano

3

2

1

0

Agua PotableServicios sanitarios

3

2

1

0


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CONTAMINACIÓN DEL AGUAAGUA: Ciclo Hidrológico

La mayoría del agua se encuentra en los océanos:

– Sin embargo, la alta concentración de sales impide su utilización en agricultura, industria y municipios. Desalinización: Técnicas $$$

Efecto del SOL: Casi la ½ de la energía del sol absorbida por la superficie terrestre se convierte en

calor ⇒ remoción de agua por evaporación y transpiración: EVAPOTRANSPIRACIÓN

Remoción de una capa 1m espesor / año(88% evap. océanos y 12 % evapotr. tierra)


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CONTAMINACIÓN DEL AGUAAGUA: Reservas en Tierra

Cantidad (106 km3)

Porcentaje de Oferta Mundial

Océanos 1,338.00 96.5366 Glaciares y nieve permanente 24.10 1.7388 Manto Freático 23.40 1.6883 Hielo en superficie / permafrost 0.30 0.0216 Lagos de agua dulce 0.09 0.0066

Lagos de agua salada 0.09 0.0061 Pantanos 0.01 0.0008 Atmósfera 0.01 0.0009 Promedio en canales 0.00 0.0001 Biomasa viviente 0.00 0.0001 TOTAL 1,386.00


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CONTAMINACIÓN DEL AGUAAGUA:Usos del agua

• 10 % del escurrimiento anual ⇒ ex. uso humano

Distribución geográfica desigual del agua en el mundo (inundaciones y sequía)

Distribución geográfica del agua NO corresponde a la distribución de personas en el planeta!

Disponibilidad de Agua per cápita (aum. Población)

0

10

20

30

40

1940 1950 1960 1970 1980 2000 2010

Dis

poni

bilid

ad

(mile

s m

3 /año

)

América del Norte

AfricaAsia


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CONTAMINACIÓN DEL AGUAAGUA: Usos del agua

0%10%20%30%40%50%60%70%80%90%

100%

MundoAmérica .

Nte . Amér ica

Ctrl . América

del Sur

Africa

Ocean

íaEu

ropa

Asia

Doméstico

Industria

Agricultura

Enger, Smith, 1998

Enger, Smith, 1998


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CONTAMINACIÓN DEL AGUAAGUA: Ciclo Hidrológico en MÉXICO

• Precipitación Pluvial (promedio): 1,528 km3/año71% → evaporan en atmósfera 26% → escurre por superficie

3% →recarga de acuíferos (subsuelo)

• Evapotranspiración Media: 1,095 km3/año

• Escurrimiento Superficial Medio: 417 km3/año

• Recarga Media de Acuíferos: 66 km3/año

• Disponibilidad media/hab (99): 4,964 km3/año

Datos de 1999 (www.cna.gob.mx)

Escurrimiento considera: 48 km3 prov. de Guatemala, 1.8 km3 del Río Colorado y se le deducen 0.44 km3 que se entregan a EUA (Río Bravo)

Datos de 1999 (www.cna.gob.mx)

Escurrimiento considera: 48 km3 prov. de Guatemala, 1.8 km3 del Río Colorado y se le deducen 0.44 km3 que se entregan a EUA (Río Bravo)


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USOS DEL AGUA: MÉXICO

Agrícola 82.7%64.8 km3

Público 12.6%6.8 km3

Industrial 4.7%3.7 km3

Industrial: Empresas que no se abastecen a través de redes municipales (incluyen Termoeléctricas)

Público: Centros de población o asentamientos humanos. Industrias , comercios y servicios conectados a

redes municipales.


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CONTAMINACIÓN DEL AGUAAGUA: Situación en MÉXICO

• Agua NO está uniformemente distribuida geográficamente

Sur del Golfo: 24,000 m3/año/habCentro y Norte: 2,500 m3/año/hab

• La mayor parte de la demanda se encuentra en el Norte y Centro

↑↑’’ss costos de distribucicostos de distribucióónn• La Disponibilidad per cápita ha disminuido y

seguirá disminuyendo: de 11,500 m3/año/hab en 1955 a 4,900 en 1999 y 3,500 para 2025.


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• Ejemplo en Valle de México: El agua que se consume (a razón de 62 m3/seg) se obtiene:

– 22% de la recarga natural del acuífero– 2% escurrideros superficiales locales– 10% reuso– Déficit del 66% → de otras cuencas (Lerma y Cutzamala)

• Contaminación: La mayoría de las cuencas están contaminadas en mayor o menor grado.

• Los ríos: Tula-Moctezuma, San Juan y Balsas reciben el 59% de las descargas de aguas residuales del país.


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• Contaminación por industria: metales pesados y sustancias tóxicas.

• Contaminación pública: materia orgánica, contaminación bacteriológica y tóxica.

• Contaminación agrícola: plaguicidas y fertilizantes.

• Existen 18 acuíferos subterráneos con intrusión salina.


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CONTAMINACIÓN DEL AGUAAGUA: Contaminantes

Agricultura: pesticidas, fertilizantes y sales.

Municipal: desechos humanos.

Industria: susts. químicas, desechos orgánicos.

• Contaminantes:

H2O

• Patógenos•Desechos que demandanoxígeno

•Nutrientes: N, P, C, S, etc.

• Sales•Contaminación Térmica•Metales Pesados•Pesticidas•VOCs


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CONTAMINACIÓN DEL AGUAAGUA: Contaminación Térmica, Metales y Pesticidas

Tipos de Contaminación: • Térmica: -↑ en T en lagos y ríos afecta vida

acuática.- ↑ metabolismo: mayor demanda O

• Metales: - Hg, Cd, Pb, As: TÓXICOS- NO degradables

• Pesticidas: - Insecticidas, herbicidas, fungicidas, - Ej. DDT: cáscaras de huevo frágiles


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CONTAMINACIÓN DEL AGUAAGUA: VOCs

• VOCs: - se encuentran en agua freática- usados como solventes en industria- VC, TCE(4), TCE(3), CCl4: CÁNCER...


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CONTAMINACIÓN Y CALIDAD DEL AGUAAGUA:Desechos que Demandan Oxígeno (DDO)

• Uno de los indicadores más empleados para evaluar la contaminación del agua en riós, lagos y recipientes es:

La DEMANDA DE OXÍGENO• Existen 2 variaciones:

– Demanda Biológica de Oxígeno (BOD)– Demanda Quimica de Oxígeno (COD)


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• La importancia de estos indicadores es que permiten monitorear las condiciones de un lago/rio, etc. tomando en cuenta una mezcla de compuestos (la cual puede variar entre muestras y también a lo largo del tiempo) y agregarlos en un indicador en común.

• Las sustancias presentes en el lago/río/etc. se degradan por bacterias que toman parte del Oxígeno Demandado (OD).

Nota: Una OD menor a 4 o 5 mg/L indica que las formas de vida que pueden sobrevivir en el ecosistema se están reduciendo. En el caso extremo de condiciones anaeróbicas, la mayoría de las formas de vida habrán muerto. Además, un bajo DO representa malos olores, sabor y color turbio



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• La degradación de los residuos orgánicos puede llevarse a cabo de dos maneras:– Descomposición Aeróbica (Mecanismo de reacción deseable ya

que descompone la materia en CO2, H2O y otros compuestos estables: NO3, PO4, SO4...)

– Descomposición Anaeróbica (Mecanismo de reacción poco deseable ya que descompone la materia en CO2, H2O y otros compuestos no estables: H2S, NH3, CH4, ...)

La cantidad de oxígeno requerida por los micro-organismos para oxidar los residuos orgánicos en un ambiente aeróbico se llama Demanda Biológica de Oxígeno (BOD, Biological Oxygen Demand).

Sus unidades más comunes son (mg/L); es decir, mg de oxígeno requerido por litro de agua residual.



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Debido a que se podrían requerir de varios días (o semanas) para degradar completamente los residuos orgánicos de una muestra, se ha decidido internacionalmente estandarizar la prueba BOD y ajustarla a un periodo de cinco días: BOD5).

Asi pues, la prueba BOD5 representa la cantidad total de oxígeno consumida por los microorganismos durante los primeros cinco días de biodegradación.

CONTAMINACIÓN Y CALIDAD DEL AGUAAGUA:Prueba BOD de cinco días


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La prueba se lleva a cabo a 20 °C y en la oscuridad (para evitar la formación de oxígeno debida a la fotosíntesis).

BOD5 = (DOi – DOf) / PDonde:

DOi = Oxígeno inicial disuelto en la muestraDOf = Oxígeno final disuelto en la muestra

después de cinco díasP = Factor de DiluciónP = (Vol. de wastewater)/(Vol. de wastewater +

agua de dilución). Nota: una botella estándar para prueba BOD normalmente

tiene capacidad para 300ml, así que P es equivalente al volumen de “wastewater” dividido entre 300 ml.



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Ejemplo 1 : Prueba de BOD5

Una muestra con 10.0 ml de agua residual (sewage) fue mezclada con suficiente agua para llenar una botella de 300 ml y cuya mezcla tiene una DO inicial de 9.0 mg/L. Para asegurarnos de realizar una prueba confiable, se desea tener una caída de almenos 2.0 mg/L de DO durante una prueba de 5 días y también que el valor final de DO sea de al menos 2.0 mg/L. ¿Para qué rango de valores de BOD5 se producirán los resultados deseados para esta dilución?



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CONTAMINACIÓN Y CALIDAD DEL AGUAAGUA:Prueba Sembrada de BOD de cinco días

Hasta el momento, se ha asumido que el agua de dilución agregada a la muestra de agua residual no tiene BOD (lo cual solo ocurre cuando se agrega agua pura).

En algunos casos es necesario “sembrar” el agua de dilución con micro-organismos para asegurarse de que existe una población de bacterias adecuada para llevar a cabo la biodegradación.

En estos casos, será necesario sustraer la cantidad de oxígeno demandada por la población “sembrada” de la demanda total calculada para la mezcla.


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Nutrientes EsencialesBacteriasAgua Destilada

Agua de Disolución Sembrada Muestra de Agua Residual

VwVd

Agua de DisoluciónSembrada

Botella en “blanco”

Botella muestra llenada con Agua Residual de Muestra y Agua de Dilución Sembrada

Botellas para prueba BOD de 300 mL


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CONTAMINACIÓN Y CALIDAD DEL AGUAAGUA:Prueba Sembrada de BOD de cinco díasLa demanda de oxígeno de la muestra residual

(wastewater), BODw se determina por medio de la siguiente expresión:

BODm Vm = BODw Vw + BODd VdDonde:

BODm = BOD de la mezcla de agua residual y la solución “sembrada”

BODw = BOD del agua residual solamenteBODd = BOD del agua “sembrada” que es utilizada

para diluir el agua residual (botella en “blanco”)Vw = volumen de agua residual en la mezclaVd = volumen del agua “sembrada” en la mezclaVm = volumen de la mezcla = Vd + Vw


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CONTAMINACIÓN Y CALIDAD DEL AGUAAGUA:Prueba Sembrada de BOD de cinco díasSea P=la fracción de la mezcla que es agua

residual = Vw/Vm, de forma tal que (1 - P) = a la fracción de la mezcla que es agua “sembrada”para dilución = Vd/Vm. Re-arreglando la ecuación de la slide anterior:

Donde el último término fue multiplicado por (Vm/Vm) y re-arreglando nuevamente:

−

=

m

m

w

dd

w

mmw V

Vx

VV

BODVV

BODBOD

−=

mw

mdd

mw

mw VV

VVBOD

VVBOD

BOD


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CONTAMINACIÓN Y CALIDAD DEL AGUAAGUA:Prueba Sembrada de BOD de cinco díasSustituyendo las definiciones de P y de (1 – P) en

la ecuación anterior, se obtiene:

Debido a que BODm = DOi – DOf y BODd = Bi – Bf,Donde:Bi = DO inicial en la solución “sembrada” de aguaBf = DO final en la solución “sembrada” de agua

Se obtiene la expresión:

( )P

PBODBODBOD dm

w−−

=1

( ) ( )( )P

PBBDODOBOD fifi

w

−−−−=

1


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Ejemplo 2 : Prueba sembrada de BOD5

Una muestra que contiene solamente agua de dilución “sembrada” ha mostrado una caída de 1.0 mg/L en su DO, tras una prueba de BOD5 . En una botella de 300 ml para pruebas de BOD se colocaron 15 mL de agua residual (wastewater) y el resto fue llenado con agua de dilución “sembrada” (es decir, se realizó una dilución de (1 : 20) y se observó una caída de 7.2 mg/L en el mismo periodo de tiempo. ¿Cuál es el BOD5 del agua residual?


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CONTAMINACIÓN Y CALIDAD DEL AGUAAGUA:Modelado de BOD como reacción de 1er orden

Tiempo, días

BOD restante, Lt

BOD utilizado, BODt BOD5

BODt

BODt = Lo(1-e –kt)

Lt

Lt = Lo e –kt

Lo

Lo

NOTA:Lo = cantidad de oxígeno requerido para que los microorganismos oxiden la materia orgánica


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Ejemplo 3 : Estimación de Lo a partir de BOD5

El factor de dilución P para una mezcla no sembrada de residuos y agua es 0.030. La DO de la mezcla es inicialmente de 9.0 mg/L, y después de cinco días ha ciado a 3.0 mg/L. La constante de velocidad de reacción , k, es de 0.22 / día.

a) ¿Cuál es el BOD5 del agua residual?

b) ¿Cuál sería la cantidad de oxígeno requerida para que los micro-organismos oxiden toda la materia orgánica (Lo).

Nota: Lo también es conocida como “Ultimate carbonaceous BOD”

a) ¿Qué cantidad de oxígeno estaría restante después de cinco días?


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