TEMA:

CONTAMINACIÓN DE AGUA, AIRE Y SUELO

1/ Tema : Contaminación del Agua, Aire y Tierra

Dr. Omar Romero Hernández

Parte 1 de 3

CONTAMINACIÓN DE AGUA, SUELO Y AIRE (Agua)

2/ Tema : Contaminación del Agua, Aire y Tierra

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CONTAMINACIÓN DEL AGUA: AGUA Introducción PAÍSES EN VÍAS DESARROLLO

⇒Estimación año 2000 • 2.2 X 109 personas sin acceso al agua potable. • 2.7X109 personas sin acceso a servicio saneamiento.

Agua Potable 3 2

Rural Urbano 1980

Servicios sanitarios

3 2000 2

1980

1990

1

1

0

0

1990

2000

3/ Tema : Contaminación del Agua, Aire y Tierra

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CONTAMINACIÓN DEL AGUA: AGUA 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) 4/ Tema : Contaminación del Agua, Aire y Tierra

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CONTAMINACIÓN DEL AGUA: AGUA Reservas en Tierra

Océanos Glaciares y nieve permanente Manto Freático Hielo en superficie / permafrost Lagos de agua dulce Lagos de agua salada Pantanos Atmósfera Promedio en canales Biomasa viviente TOTAL

Cantidad (106 km3) 1,338.00

Porcentaje de Oferta Mundial 96.5366

24.10 23.40

1.7388 1.6883

0.30 0.09

0.0216 0.0066

0.09 0.01 0.01 0.00 0.00 1,386.00

0.0061 0.0008 0.0009 0.0001 0.0001

5/ Tema : Contaminación del Agua, Aire y Tierra

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CONTAMINACIÓN DEL AGUA: AGUA 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 (miles m 3/año)

Disponibilidad de Agua per cápita (aum. Población) 40

América del Norte

30 20 10

Asia

Africa

0 1940 1950 1960 1970 1980 2000 2010

6/ Tema : Contaminación del Agua, Aire y Tierra

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CONTAMINACIÓN DEL AGUA: AGUA Usos del agua

Enger, Enger,Smith, Smith, 1998 1998

a op r Eu

As ia

. o ica ér ica ca r i d é r n Am . Am rl . mé ur Mu Nte Ct A del S

Oc ea nía

Doméstico Af ric a

100% 90% 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0%

Industria Agricultura

7/ Tema : Contaminación del Agua, Aire y Tierra

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CONTAMINACIÓN DEL AGUA: AGUA Ciclo Hidrológico en MÉXICO • Precipitación Pluvial (promedio): 1,528 km3/año 71% → evaporan en atmósfera 26% → escurre por superficie 3% →recarga de acuíferos (subsuelo) • Evapotranspiración Media: • Escurrimiento Superficial Medio: • Recarga Media de Acuíferos: • Disponibilidad media/hab (99):

1,095 km3/año 417 km3/año 66 km3/año 4,964 km3/año

Datos Datosde de1999 1999(www.cna.gob.mx) (www.cna.gob.mx) Escurrimiento Escurrimientoconsidera: considera:48 48km3 km3prov. prov.de deGuatemala, Guatemala,1.8 1.8km3 km3del delRío RíoColorado Coloradoyyse sele le 8/ deducen 0.44 km3 que se entregan a EUA (Río Bravo) deducen 0.44 km3 que se entregan a EUA (Río Bravo) Tema : Contaminación del Agua, Aire y Tierra

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USOS DEL AGUA: MÉXICO Público 12.6% 6.8 km3

Industrial 4.7% 3.7 km3

Agrícola 82.7% 64.8 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. 9/ Tema : Contaminación del Agua, Aire y Tierra

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CONTAMINACIÓN DEL AGUA: AGUA Situación en MÉXICO • Agua NO está uniformemente distribuida geográficamente Sur del Golfo: 24,000 m3/año/hab Centro y Norte: 2,500 m3/año/hab • La mayor parte de la demanda se encuentra en el Norte y Centro ↑’s costos de distribución • 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. 10/ Tema : Contaminación del Agua, Aire y Tierra

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CONTAMINACIÓN DEL AGUA: AGUA Situación en MÉXICO • 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. 11/ Tema : Contaminación del Agua, Aire y Tierra

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CONTAMINACIÓN DEL AGUA: AGUA Situación en MÉXICO • 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.

12/ Tema : Contaminación del Agua, Aire y Tierra

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CONTAMINACIÓN DEL AGUA: AGUA Contaminantes H 2O

Agricultura: pesticidas, fertilizantes y sales. Municipal: desechos humanos. Industria: susts. químicas, desechos orgánicos.

• Contaminantes: • Patógenos •Desechos que demandan oxígeno •Nutrientes: N, P, C, S, etc.

• Sales •Contaminación Térmica •Metales Pesados •Pesticidas •VOCs 13/

Tema : Contaminación del Agua, Aire y Tierra

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CONTAMINACIÓN DEL AGUA: AGUA 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

14/ Tema : Contaminación del Agua, Aire y Tierra

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CONTAMINACIÓN DEL AGUA: AGUA VOCs • VOCs:

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

15/ Tema : Contaminación del Agua, Aire y Tierra

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CONTAMINACIÓN Y CALIDAD DEL AGUA: AGUA

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) 16/ Tema : Contaminación del Agua, Aire y Tierra

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17/ Tema : Contaminación del Agua, Aire y Tierra

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CONTAMINACIÓN Y CALIDAD DEL AGUA: AGUA

Desechos que Demandan Oxígeno (DDO) • 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 Tema : Contaminación del Agua, Aire y Tierra

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CONTAMINACIÓN Y CALIDAD DEL AGUA: AGUA

Desechos que Demandan Oxígeno (DDO) • 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 microorganismos 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. 19/ Tema : Contaminación del Agua, Aire y Tierra

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CONTAMINACIÓN Y CALIDAD DEL AGUA: AGUA

Prueba BOD de cinco días 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. 20/ Tema : Contaminación del Agua, Aire y Tierra

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CONTAMINACIÓN Y CALIDAD DEL AGUA: AGUA

Prueba BOD de cinco días 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) / P Donde: DOi = Oxígeno inicial disuelto en la muestra DOf = Oxígeno final disuelto en la muestra después de cinco días P = Factor de Dilución P = (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. Tema : Contaminación del Agua, Aire y Tierra

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CONTAMINACIÓN Y CALIDAD DEL AGUA: AGUA

Prueba BOD de cinco días 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 al menos 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?

22/ Tema : Contaminación del Agua, Aire y Tierra

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CONTAMINACIÓN Y CALIDAD DEL AGUA: AGUA

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. 23/ Tema : Contaminación del Agua, Aire y Tierra

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CONTAMINACIÓN Y CALIDAD DEL AGUA: AGUA

Prueba Sembrada de BOD de cinco días Nutrientes Esenciales Bacterias Agua Destilada

Agua de Disolución Sembrada

Muestra de Agua Residual

Vw Vd

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

Botella en “blanco” Botellas para prueba BOD de 300 mL

24/ Tema : Contaminación del Agua, Aire y Tierra

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CONTAMINACIÓN Y CALIDAD DEL AGUA: AGUA

Prueba Sembrada de BOD de cinco días La demanda de oxígeno de la muestra residual (wastewater), BODw se determina por medio de la siguiente expresión: BODm Vm = BODw Vw + BODd Vd Donde: BODm = BOD de la mezcla de agua residual y la solución “sembrada” BODw = BOD del agua residual solamente BODd = BOD del agua “sembrada” que es utilizada para diluir el agua residual (botella en “blanco”) Vw = volumen de agua residual en la mezcla Vd = volumen del agua “sembrada” en la mezcla Vm = volumen de la mezcla = Vd + Vw 25/ Tema : Contaminación del Agua, Aire y Tierra

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CONTAMINACIÓN Y CALIDAD DEL AGUA: AGUA

Prueba Sembrada de BOD de cinco días Sea 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:

 Vm   Vd Vm   BODw = BODm   − BODd  x  Vw   Vw Vm  Donde el último término fue multiplicado por (Vm/Vm) y re-arreglando nuevamente:  Vd Vm  BODm  BODw = − BODd  Vw Vm  Vw Vm  26/ Tema : Contaminación del Agua, Aire y Tierra

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CONTAMINACIÓN Y CALIDAD DEL AGUA: AGUA

Prueba Sembrada de BOD de cinco días Sustituyendo las definiciones de P y de (1 – P) en la ecuación anterior, se obtiene: BODm − BODd (1 − P ) BODw = P Debido a que BODm = DOi – DOf y BODd = Bi – Bf, Donde: Bi = DO inicial en la solución “sembrada” de agua Bf = DO final en la solución “sembrada” de agua

Se obtiene la expresión: BODw

( DO − DO ) − (B = i

f

P

Tema : Contaminación del Agua, Aire y Tierra

i

− B f )(1 − P ) 27/ Dr. Omar Romero Hernández

CONTAMINACIÓN Y CALIDAD DEL AGUA: AGUA

Prueba Sembrada de BOD de cinco días 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?

28/ Tema : Contaminación del Agua, Aire y Tierra

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29/ Tema : Contaminación del Agua, Aire y Tierra

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

Lo BODt

BOD restante, Lt

Lt = Lo e

–kt

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

Lo BOD utilizado, BODt

BOD5

Lt

BODt = Lo(1-e

–kt)

Tiempo, días 30/ Tema : Contaminación del Agua, Aire y Tierra

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CONTAMINACIÓN Y CALIDAD DEL AGUA: AGUA

Prueba Sembrada de BOD de cinco días 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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