Ingeniería del agua y del terreno SubEl agua. — Abundancia. — Acuíferos. — Agua del mar. Características físico-químicas de las aguas. Parámetros de control. — Parámetros físicos. — Parámetros químicos. Control de calidad. — Muestreo. — Conservación de muestras. — Selección de los parámetros de control. — Elección de métodos analíticos. — Valoración de resultados.
El agua Sub El agua es un líquido anómalo porque
es una mezcla de 18 compuestos posibles derivados de los tres isótopos que presenta cada uno de los átomos que componen su molécula, H2O.
su calor específico es elevado.
tiene mayor densidad en estado líquido que en estado sólido.
desde el punto de vista químico debería ser un gas a temperatura ambiente.
Además, tiene elevada conductividad térmica fuerte poder ionizante elevada constante dieléctrica (aislante) gran poder disolvente la propiedad de producir la disociación electrolítica y la hidrólisis.
Es la única sustancia que se encuentra sobre la Tierra en los tres estados. Es el componente mayoritario de los seres vivos en los que juega un papel fundamental.
3 Las propiedades anteriores, unidas a su abundancia y distribución, hacen del agua el compuesto más importante de la superficie terrestre.
Otros datos de interés del agua
Es un compuesto esencial para la vida. Se utiliza en la alimentación de los seres vivos, en la agricultura, en la industria, etc.
Es el medio en el que se producen la mayoría de las reacciones físicas, químicas y bioquímicas que son fundamentales para la vida.
El volumen de agua presente en los seres humanos depende de la edad y del tipo de tejido. El contenido promedio está en torno al 65%.
El principal factor de riesgo para numerosas intoxicaciones e infecciones es el intercambio fisiológico del agua, siempre que ésta se encuentre alterada en sus parámetros físicos, químicos o biológicos mediante contaminación.
Dependiendo del uso que se vaya a hacer, es de máximo interés controlar analíticamente la calidad del agua.
4 Abundancia El volumen total de agua del planeta equivale a 1400 millones de km3. El 90% no es utilizable por los seres vivos por estar combinada en la litosfera. El 10% restante se distribuye así:
97.6% en los océanos 1.9% en los casquetes polares y glaciares 0.5% como agua dulce, la mayor parte (94% en los acuíferos). Por tanto, sólo el 0.03% son aguas superficiales libres en la corteza terrestre.
Cerca de 12000 km3 de agua, la mayor parte en forma de vapor, se encuentra en cualquier momento en la atmósfera.
Cada día se evaporan o transpiran 1120 km3 de agua dentro de la atmósfera.
Las aguas subterráneas representan el 0,47 % de los recursos totales. Los acuíferos aportan el 30% del caudal de los ríos, mientras que los embalses sólo regulan el 15% de los caudales.
5 Acuíferos Existen dos tipos de acuíferos subterráneos: acuíferos libres: cubiertos por terrenos permeables en los que existen fisuras y los niveles que contienen pueden variar en función de la capacidad de recarga, principalmente a través de la superficie. Son mejores reguladores de las variaciones en las precipitaciones.
acuíferos cautivos: cubiertos por terrenos casi impermeables en los que el agua se encuentra cautiva o presurizada, en cantidades poco variables. Son considerados como minas de agua y su regeneración requiere cientos de años.
6 El agua del mar El agua de mar constituye el 97.6 % de los recursos de agua pero su uso está muy restringido para la actividad humana dada su elevada concentración en sales: 3.5%. Los porcentajes de los compuestos más abundantes son 2.7% de cloruro sódico 0.3% de cloruro magnésico 0.2% de sulfato magnésico 0.1% de sulfato cálcico 0.2% de otras sales.
ausencia de sales de potasio
7 Características físico-químicas de las aguas Las aguas naturales, al estar en contacto con diferentes agentes (aire, suelo, vegetación, subsuelo, etc.), incorporan parte de los mismos por disolución o arrastre. Esto hace que las aguas dulces presenten un elevado número de sustancias en su composición química natural. Entre los compuestos más comunes que se pueden encontrar en las aguas dulces están: como constituyentes mayoritarios: los carbonatos, bicarbonatos, sulfatos, cloruros y nitratos. como constituyentes minoritarios: los fosfatos y silicatos, metales como elementos traza y gases disueltos como oxígeno, nitrógeno y dióxido de carbono. El agua de lluvia presenta los cationes: Na+, K+, Ca2+, Mg2+ los aniones: HCO3-, Cl-, Br-, I-, SO42-, NO3-, PO43- y dióxido de carbono, oxígeno, ozono, nitrógeno, argón, etc.
8 Alteración de la composición química La composición química natural de las aguas puede verse alterada por actividades humanas: agrícolas, ganaderas e industriales, etc., incorporando sustancias de diferente naturaleza a través de vertidos de aguas residuales o debido al paso de las aguas por terrenos tratados con productos agroquímicos o contaminados.
Estas incorporaciones ocasionan la degradación de la calidad del agua provocando diferentes efectos negativos como la modificación de los ecosistemas acuáticos la destrucción de los recursos hidráulicos riesgos para la salud incremento del coste del tratamiento del agua para su uso daño en instalaciones (incrustaciones, corrosiones, etc.) destrucción de zonas de recreo.
Las aguas contaminadas presentan diversos compuestos en función de su procedencia: pesticidas, tensoactivos, fenoles, aceites y grasas, metales pesados, etc.
La composición específica de un agua determinada influye en propiedades físicas tales como densidad, tensión de vapor, viscosidad, conductividad, etc.
9 Parámetros de control Las aguas naturales presentan unas características que han sido compatibles con la vida vegetal y animal a lo largo de los siglos. La progresiva contaminación ha cambiado sustancialmente sus propiedades.
Las filtraciones, los vertidos y la contaminación atmosférica han dado lugar a que, a veces, el agua natural no sea agua potable. Esto ha originado la necesidad de utilizar parámetros de control.
Estos parámetros dependen de la procedencia del agua y de su uso (consumo humano, uso industrial, vertidos, etc.) y se pueden agrupar de la siguiente manera: físicos, químicos, biológicos y gases disueltos.
10 Físicos Color Olor Turbidez Sólidos en suspensión Temperatura Densidad Sólidos Conductividad Radioactividad
11 Químicos pH Materia Orgánica (Carbono orgánico total ,COT) DBO DQO Nutrientes Nitrógeno y compuestos derivados (amoníaco, nitratos, nitritos, etc.) Fósforo y compuestos derivados (fosfatos) Aceites y grasas Hidrocarburos Detergentes Cloro y cloruros Fluoruros Sulfatos y sulfuros Fenoles Cianuros Haloformos Metales Pesticidas
12 Biológicos Coliformes totales y fecales Estreptococos fecales Salmonellas Enterovirus
13 Gases disueltos Oxígeno Nitrógeno Dióxido de carbono Metano Ácido sulfhídrico
14 Parámetros físicos (I) Color Es el resultado de la presencia de materiales de origen vegetal tales como ácidos húmicos, turba, plancton, y de ciertos metales como hierro, manganeso, cobre y cromo, disueltos o en suspensión. Constituye un aspecto importante en términos de consideraciones estéticas. Los efectos del color en la vida acuática se centran en la disminución de la transparencia, que provoca un efecto barrera a la luz solar, traducido en la reducción de los procesos fotosintéticos.
Olor Es debido a cloro, fenoles, ácido sulfhídrico, etc. La percepción del olor no constituye una medida, sino una apreciación y tiene, por tanto, un carácter subjetivo. El olor raramente es indicativo de la presencia de sustancias peligrosas en el agua, pero sí puede indicar la existencia de una elevada actividad biológica. Por ello, en el caso de aguas potable, no debería apreciarse olor alguno, no sólo en el momento de tomar la muestra sino a posteriori (10 días en recipiente cerrado y a 20ºC).
15 Parámetros físicos (II) Turbidez Es una medida de la dispersión de la luz por el agua por la presencia de materiales suspendidos coloidales y/o particulados. La materia suspendida puede indicar un cambio en la calidad del agua y/o la presencia de sustancias inorgánicas finamente divididas o de materiales orgánicos. La turbidez es un factor ambiental importante ya que la actividad fotosintética depende en gran medida de la penetración de la luz. La turbidez interfiere con los usos recreativos y el aspecto estético del agua. La turbidez constituye un obstáculo para la eficacia de los tratamientos de desinfección. La transparencia del agua es muy importante en las de aguas potables y en el caso de industrias que producen materiales destinados al consumo humano.
Sólidos en suspensión Comprenden a todas aquellas sustancias que están suspendidas en el seno del agua y no decantan de forma natural.
16 Parámetros físicos (III) Temperatura La temperatura de las aguas residuales es importante a causa de sus efectos sobre la solubilidad del oxígeno y, en consecuencia, sobre la velocidad en el metabolismo, difusión y reacciones químicas y bioquímicas. El empleo de agua para refrigeración (por ejemplo en las centrales nucleares) conlleva un efecto de calentamiento sobre el medio receptor que se denomina contaminación térmica. Temperaturas elevadas implican la aceleración de la putrefacción, con lo que aumenta la DBO y disminuye el oxígeno disuelto.
Densidad Las medidas de densidad son necesarias en aguas de alta salinidad para convertir medidas de volumen en peso. Es práctica común medir volumétricamente la cantidad de muestra usada para un análisis y expresar los resultados como peso/volumen (por ejemplo, mg/L). Aunque ppm y mg/L sólo son medidas idénticas cuando la densidad de la muestra es 1, para muchas muestras se acepta el pequeño error que se introduce al considerar que 1 ppm es 1 mg/L.
17 Parámetros físicos (IV) Sólidos Se denominan así a todos aquellos elementos o compuestos presentes en el agua que no son agua ni gases. Atendiendo a esta definición se pueden clasificar en disueltos y en suspensión. En cada uno de ellos, a su vez, se pueden diferenciar los sólidos volátiles y los no volátiles. La medida de sólidos totales disueltos (TDS) es un índice de la cantidad de sustancias disueltas en el agua que proporciona una indicación de la calidad química. Analíticamente se define como residuo filtrable total (en mg/L). El término sólidos en suspensión describe a la materia orgánica e inorgánica particulada existente en el agua. Su presencia participa en el desarrollo de la turbidez y el color del agua, mientras que la de sólidos disueltos determina la salinidad del medio, y en consecuencia la conductividad del mismo.
Conductividad Es la medida de la capacidad del agua para transportar la corriente eléctrica y permite conocer la concentración de especies iónicas presentes en ella. La contribución de cada especie iónica a la conductividad es diferente por lo que su medida da un valor que no está relacionado con el número total de iones en solución. Depende también de la temperatura. Está relacionada con el residuo fijo por la expresión conductividad (?S/cm) x f = residuo fijo (mg/L) El valor de f varía entre 0.55 y 0.9.
18 Parámetros físicos (V) Radiactividad La contaminación radiactiva se origina por los radioelementos naturales (uranio, torio y actinio) y sus productos de descomposición, procedentes tanto de fuentes naturales, como por las actividades humanas: pruebas de armamento nuclear, operaciones relacionadas con la obtención de energía atómica, extracción de minerales, generación de energía, usos industriales o en medicina, etc.
La mayoría de los compuestos radioactivos tienen muy baja solubilidad en agua y son adsorbidos en las superficies de las partículas, por lo que los niveles de radiactividad en aguas naturales son normalmente bajos.
Las aguas superficiales presentan unas concentraciones más bajas que las aguas subterráneas.
19 Parámetros químicos (I) pH Se define como pH = log 1/[H+] = -log [H+]
Su medida tiene amplia aplicación en el campo de las aguas naturales y residuales. Es una propiedad que afecta a muchas reacciones químicas y biológicas. El valor del pH compatible con la vida piscícola está comprendido entre 5 y 9. Para la mayoría de las especies acuáticas, la zona de pH favorable se sitúa entre 6.0 y 7.2. Fuera de este rango no es posible la vida como consecuencia de la desnaturalización de las proteínas. La alcalinidad es la suma total de los componentes en el agua que tienden a elevar el pH (bases fuertes y sales de bases fuertes y ácidos débiles). La acidez es la suma de componentes que implican un descenso de pH (dióxido de carbono, ácidos minerales, ácidos poco disociados, sales de ácidos fuertes y bases débiles). Ambas, controlan la capacidad de tamponamiento del agua (para neutralizar variaciones de pH provocadas por la adición de ácidos o bases). El principal sistema regulador del pH en aguas naturales es el sistema carbonato (dióxido de carbono, ion bicarbonato y ácido carbónico).
20 Parámetros químicos (II) Materia orgánica La materia orgánica existente en el agua, tanto la disuelta como la particulada, se valora mediante el parámetro carbono orgánico total (TOC, total organic carbon). Los compuestos orgánicos existentes en el medio acuático se pueden clasificar atendiendo a su biodegradabilidad (posibilidad de ser utilizados por microorganismos como fuente de alimentación) y para su medida se utilizan los parámetros DQO y DBO. Demanda química de oxígeno DQO Es la cantidad de oxígeno consumido por los cuerpos reductores presentes en el agua sin la intervención de los organismos vivos. Efectúa la determinación del contenido total de materia orgánica oxidable, sea biodegradable o no. Demanda bioquímica de oxígeno DBO Permite determinar la materia orgánica biodegradable. Es la cantidad de oxígeno necesaria para descomponer la materia orgánica por la acción bioquímica aerobia. Esta transformación biológica precisa un tiempo superior a los 20 días, por lo que se ha aceptado, como norma, realizar una incubación durante 5 días, a 20ºC, en la oscuridad y fuera del contacto del aire, a un pH de 7-7.5 y en presencia de nutrientes y oligoelementos que permitan el crecimiento de los microorganismos. A este parámetro se le denomina DBO5.
21 Parámetros químicos (III) Nutrientes Los nutrientes promueven respuestas biológicas como el florecimiento del plancton y un excesivo desarrollo de ciertas algas que pueden impedir el empleo del agua con algunos fines. Los más importantes son los compuestos de nitrógeno y fósforo, contaminantes comunes en residuos industriales y municipales y en las aguas de lavado de campos.
Nitrógeno y derivados Las formas inorgánicas del nitrógeno incluyen nitratos (NO3-) y nitritos (NO2-), amoníaco (NH3) y nitrógeno molecular (N2). El amoníaco es un gas incoloro a presión y temperatura ambiente altamente soluble en agua. Cuando se disuelve en agua se forman iones amonio (NH4+), estableciéndose un equilibrio químico entre ambas formas. La presencia de nitratos proviene de la disolución de rocas y minerales, de la descomposición de materias vegetales y animales y de efluentes industriales. También hay contaminación proveniente de su uso como abonos y fertilizante. En aguas residuales, su presencia es mínima debido al estado reductor de este medio. En depuradoras de aguas residuales la producción de NO3- debe tenerse en cuenta pues se convierte en factor limitante del crecimiento en sistemas hídricos en presencia de fósforo: eutrofización. El nitrógeno Kjeldahl (NTK) mide la cantidad de nitrógeno amoniacal y de nitrógeno orgánico. Indica el contenido proteínico del agua.
Fósforo y derivados El fósforo elemental no se encuentra habitualmente en el medio natural, pero los ortofosfatos, pirofosfatos, metafosfatos, polifosfatos y fosfatos orgánicamente unidos sí se detectan en aguas naturales y residuales. Se le considera un macronutriente esencial, siendo acumulado por una gran variedad de organismos vivos.
22 Parámetros químicos (IV) Aceites y grasas En este grupo se incluyen los aceites y las grasas que se encuentren en estado libre, ya sean de origen animal, vegetal o mineral (fundamentalmente, los derivados del petróleo). La mayoría de estos productos son insolubles en el agua, pero pueden existir en forma emulsionada o saponificada.
Hidrocarburos Bajo esta denominación se encuentran agrupados una serie de compuestos cuya característica común es presentar en su estructura átomos de carbono y de hidrógeno. Se pueden diferenciar dos grupos: los hidrocarburos derivados del petróleo y los hidrocarburos aromáticos policíclicos (PAHs). Estos últimos son cancerígenos.
Detergentes Son las sustancias que poseen unas importantes propiedades limpiadoras. Son productos complejos constituidos por uno o varios agentes surfactantes y compuestos minerales asociados a materias orgánicas mejorantes, a enzimas y a secuestrantes. Los más característicos son los surfactantes, productos químicos orgánicos que reducen la tensión superficial del agua.
23 Parámetros químicos (V) Cloro y cloruros El cloro elemental es un gas amarillo-verdoso altamente soluble en agua que dismuta hidrolizándose a ácido hipocloroso (HOCl) y ácido clorhídrico (HCl). A su vez, el ácido clorhídrico se disocia a iones hidrógeno y cloruro, mientras que el ácido hipocloroso, que es un ácido débil, se disocia parcialmente en iones hidrógeno e iones hipoclorito (OCl-). Las proporciones relativas de Cl2, HOCl y OCl- en equilibrio (cloro libre disponible) se encuentran controladas por el pH, la temperatura y la fuerza iónica. El cloro en agua reacciona fácilmente con las sustancias nitrogenadas para producir compuestos clorados (cloro disponible combinado). El cloro que permanece en agua después de un tratamiento se denomina cloro residual. El conjunto de cloro libre y cloro combinado se nombra como cloro residual total (TRC, total residual chlorine). La medida de TRC se considera suficiente para definir las toxicidad sobre los organismos acuáticos de agua dulce. El ión cloruro se encuentra ampliamente distribuido en forma de cloruro sódico, potásico o cálcico. El gran inconveniente es el sabor desagradable que comunica al agua. Es también susceptible de ocasionar corrosión en las canalizaciones y en los depósitos.
Fluoruros La mayoría de los fluoruros asociados con cationes monovalentes son solubles en agua y los formados con cationes divalentes son insolubles normalmente.
24 Parámetros químicos (VI) Sulfatos El ión sulfato (SO42-), muy soluble en agua, es la forma oxidada estable del azufre. Los sulfatos de plomo, bario y estroncio son insolubles. El sulfato disuelto puede: a) ser reducido a sulfito y volatilizado a la atmósfera como H2S b) precipitado como sales insolubles c) incorporado a organismos vivos. Los sulfatos, en condiciones anaeróbicas, son fuente de oxígeno para las bacterias, convirtiéndose en H2S. Se pueden producir por oxidación bacteriana de los compuestos azufrados reducidos.
Cianuros Como cianuros se incluyen una serie de diversos compuestos orgánicos caracterizados por el grupo -C=N. Los gérmenes aerobios responsables de la depuración y los peces son sensibles a un contenido de 0.1 mg/L de HCN.
25 Parámetros químicos (VII) Fenoles Los compuestos fenólicos afectan a las especies piscícolas de diversas formas: por toxicidad directa tanto a los peces como a los organismos que les sirven como alimento y por disminución de la cantidad de oxígeno disponible por la elevada demanda de oxígeno de estos compuestos.
Haloformos Son derivados orgánicos de los halógenos (F, C1, Br, I). Los más abundantes en el agua son los trihalometanos, el tetracloruro de carbono y el dicloroetano.
26 Parámetros químicos (VIII) Metales Compuestos constituidos por los diferentes elementos metálicos. Sus características dependen, entre otros factores, del metal que esté incorporado. Desde la perspectiva de los potenciales efectos perjudiciales que puedan generar los metales más importantes son mercurio y cadmio. El mercurio puede formar numerosas especies, unas bastante solubles y otras muy insolubles. La concentración de mercurio en medios acuosos es relativamente pequeña pero de una elevada toxicidad potencial como consecuencia de los procesos de bioacumulación. El cadmio se encuentra en las aguas como ion divalente, formando compuestos orgánicos e inorgánicos, principalmente cloruros y carbonatos. Los carbonatos, sulfuros, e hidróxidos presentan una baja solubilidad en agua. La solubilidad del ion cadmio disminuye con el incremento de pH (se favorece la formación del hidróxido). El cadmio presenta una toxicidad elevada con efecto acumulativo.
27 Parámetros químicos (IX) Pesticidas Según sus usos, se clasifican en insecticidas, fungicidas, herbicidas, acaricidas, nematocidas, rodenticidas, etc. También pueden clasificarse atendiendo a sus características químicas: se usan sustancias minerales como azufre, sulfato de cobre, arseniato de plomo y, sobre todo, compuestos orgánicos clorados como son los insecticidas (DDT, lindano, aldrín, dieldrín, etc.) y los herbicidas derivados de fenoxiácidos. Hay también ésteres fosforados (insecticidas: paratión, malatión, etc) y compuestos orgánicos u organometálicos, cuyas moléculas llevan incorporadas grupos funcionales muy variados: derivados de la urea, de las triacinas, carbamatos y ditiocarbamatos, etc. En el medio acuático, la toxicidad de los pesticidas varía en función de su naturaleza y según las especies y su estado de desarrollo (huevo, alevín, adulto). Para los peces, los insecticidas clorados son 100 veces más tóxicos que los derivados organofosforados. Los herbicidas son mucho menos tóxicos que los insecticidas (2000 a 3000 veces menos). Los pesticidas fosforados son mucho más tóxicos para el hombre y los mamíferos que los pesticidas clorados.
28 Parámetros químicos (X) Oxígeno disuelto Es necesario para la vida de los peces y otros organismos acuáticos. El oxígeno es moderadamente soluble en agua. Su solubilidad depende de la temperatura, salinidad, turbulencia del agua y presión atmosférica La solubilidad disminuye cuando aumenta la temperatura y la salinidad y cuando disminuye la presión atmosférica. La solubilidad del oxígeno atmosférico en aguas dulces, a saturación y al nivel del mar, oscila aproximadamente entre 15 mg/L a 0ºC y 8 mg/L a 25ºC.
29 Control de calidad El control de la calidad de las aguas incluye la problemática del muestreo (número de muestras, frecuencia, lugares de muestreo) la conservación de las muestras la selección de los parámetros de control la elección de los métodos analíticos el control de calidad de los análisis.
30 Muestreo (I) La toma de muestras es importante pues de nada servirá realizar determinaciones analíticas muy precisas si las muestras que llegan al laboratorio no son representativas. Los aspectos principales objeto de atención en la toma de muestras son: Parámetros de estudio Son objeto de estudio los parámetros fisico-químicos, microbiológicos y toxicológicos. Hay que establecer cuáles de ellos se determinan in situ y cuáles en el laboratorio.
Tipo de muestras a recoger Según los objetivos del estudio se pueden recoger y analizar: — muestras únicas (sencillas) — muestras formadas por diferentes submuestras tomadas en un mismo punto en diferentes momentos (muestras compuestas) — muestras tomadas en diferentes puntos en un mismo momento, (muestras integradas).
Volumen de la muestra Es esencial la definición de la cantidad de muestra de aguas a recoger. Ésta debe ser suficiente para llevar a cabo todos los análisis y ensayos previstos y realización de repeticiones en caso necesario (control de calidad, contraste, etc.).
Número de muestras a determinar Es uno de los aspectos principales para que el muestreo resulte estadísticamente representativo. Hay parámetros que varían con el tiempo por lo que si no pueden evaluarse in situ deben preservarse mediante aditivos. Los aditivos varían según el compuesto específico a determinar por lo que puede ser necesario tomar varias muestras. La temperatura, el pH y los gases deben determinarse inmediatamente en el lugar de muestreo.
31 Muestreo (II) Muestreo en ríos Se efectúa 50 m antes del vertido En el vertido Después del vertido, en la zona de mezcla, 100 m A distancias crecientes del vertido, hasta que la influencia del mismo no se manifieste No en remansos.
Muestreo en lagos Lejos de las orillas A profundidad variable, lejos del fondo para no incluir sedimentos.
Volumen muestra 2-4 litros
Envases Vidrio o polietileno, lavado con HCl 1N y agua destilada, y esterilización en autoclave.
El tiempo transcurrido entre el muestreo y el análisis ha de ser el mínimo posible. Un método general de conservación es mantener la muestra a 4ºC en la oscuridad.
32 Conservación de muestras Los métodos de conservación de muestras de agua son: Refrigeración a 4ºC H2SO4 (pH = 2) H2SO4 (pH < 2) NaOH (pH = 12) Congelación y oscuridad 20 mg/L HgCl2 H3PO4 (pH < 4; 1 g/L CuSO4) Filtrar in situ HNO3 (pH < 2) 2 mL acetato de zinc 2N
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34 Selección de parámetros de control (I) La selección de parámetros a controlar en las aguas viene determinada en función de la procedencia de éstas, su tratamiento y el destino final de las mismas. Para aguas potables, deben determinarse caracteres organolépticos, físico-químicos y microbiológicos. En los caracteres físico-químicos se fijan niveles de referencia para compuestos no deseables y tóxicos. La legislación española establece un tipo de análisis mínimo, uno normal y uno completo, a realizar con una frecuencia que depende del número de habitantes de la población abastecida. Para aguas que garanticen la vida piscícola, los parámetros que se determinan son: temperatura, pH, materia en suspensión, DBO5, fósforo total, nitritos, fenoles, hidrocarburos, amoníaco, ión amonio total, cloro residual, zinc y cobre.
35 Parámetros de control (II) En aguas destinadas a cría de moluscos se determinan temperatura, pH, coloración, materias en suspensión, salinidad, oxígeno disuelto, hidrocarburos, sustancias organohalogenadas, metales (plata, arsénico, cadmio, cromo, cobre, mercurio, níquel, plomo, zinc), coliformes fecales y sustancias que influyen en el sabor de los moluscos.
Para aguas dulces superficiales aptas para el baño se determinan pH, color, aceites minerales, sustancias tensoactivas, fenoles, transparencia, oxígeno disuelto, residuos de alquitrán y flotantes así como parámetros microbiológicos (coliformes totales y fecales, estreptococos fecales, salmonellas y enterovirus).
En aguas residuales están fijados niveles máximos para diversas sustancias y en particular para mercurio, cadmio, hexaclorociclohexano HCH, tetracloruro de carbono, diclorodifeniltricloroetano DDT y pentaclorofenol.
Igualmente existe una lista de sustancias a controlar en los vertidos al mar desde tierra. Uno de los parámetros de medida in situ más importantes, sobre todo cuando se trata de aguas residuales, es el caudal, ya que de él van a depender el diseño y cálculo del plan de tratamiento de las mismas. Se entiende por caudal el volumen de agua por unidad de tiempo, siendo muy importante conocer, así mismo, su variación a lo largo del día y estacionalmente, sus máximos y mínimos y los valores punta que puedan producirse.
36 Elección de métodos analíticosParámetros físicos Color* Olor Turbidez Temperatura Densidad Sólidos en suspensión Sólidos. Residuo total Residuo fijo Sólidos sedimentables Conductividad Radiactividad
37 Parámetros físicos (I) Olor Se cuantifica mediante un test de dilución hasta su desaparición.
Turbidez El método más empleado es la nefelometría. También se usa el Turbidímetro de Jackson. Unidades nefelométricas de formacina U.N.F. o unidades Jackson.
Temperatura Existe una serie de métodos para medir la temperatura de forma continua. La termometría de resistencia se basa en el cambio en la resistencia de elementos conductores y semiconductores metálicos como una función de la temperatura. Unidades: ºC.
Densidad Densímetro. Unidades: g/mL.
38 Parámetros físicos (II) Sólidos en suspensión Se filtra la muestra de agua homogeneizada a través de un papel de filtro de 0.45 ?m y se seca a peso constante a 105ºC. El incremento de peso del filtro indica el contenido en materias en suspensión de la muestra problema. Unidades: mg/L.
Sólidos. Residuo total Gravimetría. Evaporación a 105-110ºC y pesada. Unidades: mg/L.
Residuo fijo. Gravimetría. Calcinación a 600ºC y pesada. Unidades: mg/L.
Sólidos sedimentables Sedimentación de la muestra en cono Imhoff, durante un tiempo determinado (2 horas).
39 Parámetros físicos (III) Conductividad La conductividad eléctrica de un agua es la conductancia de una columna de agua comprendida entre dos electrodos metálicos de 1 cm2 de superficie separados entre sí 1 cm. La medida se basa en el puente de Wheatstone, que utiliza como cero un galvanómetro. Unidades: ?S/cm El efecto de la temperatura sobre la conductividad es muy complejo: así, la conductividad del agua del mar a 30ºC es casi el doble que a 0ºC. Para poder realizar comparaciones las medidas se deben corregir para una temperatura de referencia seleccionada, habitualmente 25ºC.
Radiactividad Contadores de radiaciones: de centelleo, Geiger.
40 Parámetros físicos. Color Método espectrofotométrico Se pueden efectuar dos medidas de color en el agua: real y aparente. El color real es el que presenta cuando se ha eliminado la turbidez (filtrando o centrifugando). El color aparente, debido a la existencia de sólidos en suspensión, se determina directamente de la muestra original (sin filtración ni centrifugación). Para la determinación de color en el agua existen dos métodos: Método espectrofotométrico, que se usa principalmente en aguas industriales contaminadas que tienen colores poco usuales, y que no pueden ser igualados por el método colorimétrico. El color se determina mediante un espectrofotómetro, cuyo esquema de funcionamiento se recoge en la figura, a tres longitudes de onda distribuidas por el conjunto del espectro visible: ?1 = 436 nm; ?2 = 525 nm y ?3 = 620 nm.
41 Parámetros físicos. Color Método del platino-cobalto (I) La coloración de un agua puesta en tubos colorimétricos se compara con la de una solución de referencia de platino-cobalto. La unidad para medición es el color que produce 1 mg/L de platino en la forma de cloroplatinato. La proporción Pt-Co que se utiliza en este método es la adecuada para la mayoría de las muestras. El color puede cambiar con el pH de la muestra por lo que es necesario que indique su valor. En caso necesario la muestra se centrifuga para eliminar la turbidez.
42 Parámetros físicos. Color Método del platino-cobalto (II) Material 1 gradilla para tubos Nessler (tubos de colorimetría)14 tubos Nessler forma alta, de 50 mL 1 matraz aforado de 1 litro
Reactivos Preparación de solución patrón de 500 unidades de color Se disuelven 1.246 g de hexacloroplatinato de potasio K2PtCl6 (equivalente a 500 mg de platino metálico) y 1 g de cloruro de cobalto(II) hexahidratado CoCl2.6H2O (equivalente a aproximadamente 250 mg de cobalto metálico) en 100 mL de HCl concentrado, aforando a 1000 mL con agua destilada. La solución tiene un color estándar de 500 unidades Pt-Co (500 mg Pt/L). Estandarización En tubos Nessler se preparan soluciones patrón de color de 5 a 70 unidades de color con ayuda de la siguiente tabla. Hay que proteger las soluciones evitando la evaporación y los vapores de amoníaco, pues su absorción aumenta el color.
43 Parámetros físicos. Color Método del platino-cobalto (III)
44 Parámetros físicos. Color Método del platino-cobalto (IV) Almacenaje de la muestra La muestra debe ser recolectada en envases de plástico y almacenarse en el refrigerador. El análisis debe de llevarse a cabo en un lapso no mayor de 24 horas.
Campo de aplicación Este método es aplicable a la totalidad de las muestras de agua potable. Aguas contaminadas con ciertos desechos industriales, pueden producir colores poco usuales, que no pueden ser igualados por las soluciones de comparación utilizadas en este método. Esta determinación es muy importante en agua de abastecimiento doméstico por razones de higiene y salud. Para aguas industriales, la importancia es por razones económicas. Ya que existen gran cantidad de industrias en cuyos procesos requieren agua perfectamente limpia y clara, por lo que, las aguas con color necesitan un tratamiento especial para su eliminación. Se recomienda que para las aguas de uso doméstico no excedan de 20 unidades de color en la escala platino-cobalto.
Interferencias La causa principal de interferencias en el color del agua es la turbidez, que produce un color aparente más alto que el color verdadero. Para eliminar la turbidez, se recomienda la centrifugación. La filtración no se debe usar, ya que puede eliminar algo del color verdadero además de la turbidez.
45 Parámetros físicos. Color Método del platino-cobalto (V) Procedimiento Se centrifuga el agua si es necesario y posteriormente se observa el color de la muestra, llenando un tubo Nessler hasta la marca de 50.0 mL y comparando con la serie de estándares contenidos en tubos Nessler del mismo tamaño. Se deberán ver los tubos, verticalmente hacia abajo. Se ilumina la parte inferior de los tubos, reflejando la luz por medio de una superficie blanca o especular. Si el color de la muestra excede de 70 unidades, hay que diluir la muestra con agua destilada en proporciones conocidas, hasta que su valor se encuentre en el ámbito de las soluciones patrón. Al final hay que multiplicar por el factor de dilución correspondiente.
Cálculos Calcular las unidades de color utilizando la siguiente fórmula: Unidades de color = A x 50 V donde A es igual a las unidades de color de la muestra diluída. V es el volumen en mL de muestra tomados para la dilución. Hay que anotar también el valor del pH del agua.
46 Parámetros físicos. Color Método del platino-cobalto (VI) Anotar los resultados de color en números enteros de acuerdo a la siguiente tabla:
47 Elección de métodos analíticosParámetros químicos pH Alcalinidad* Carbono orgánico total Oxígeno disuelto Demanda Bioquímica de Oxígeno, DBO5 Demanda Química de Oxígeno, DQO* Nitratos Nitritos Amoníaco/amonio Nitrógeno Hjeldahl Compuestos de fósforo Aceites y grasas Hidrocarburos Detergentes Cloruros Fluoruros Sulfatos Fenoles Cianuros Haloformos Metales Dureza* Pesticidas Dióxido de carbono libre Aniones
48 Parámetros químicos (I) pH El método de medida más común es usar una celda electroquímica, consistente en un electrodo indicador sensible a la concentración de protones, [H+], un electrodo de referencia y la muestra (como electrolito de la celda). El potencial de la celda está relacionado con el pH. Determinación in situ. Unidades pH.
Oxígeno disuelto Electrometría o volumetría. El método electroquímico es polarográfico o con electrodos específicos y permite medidas rápidas. El método clásico es el de Alsterberg: se fija el oxígeno en la muestra mediante la adición de álcali-ioduro-nitruro y sulfato de manganeso, se añade ácido sulfúrico que libera iodo y se valora éste con tiosulfato sódico utilizando almidón como indicador. Unidades: mg O2/L.
49 Parámetros químicos (II) Carbono orgánico total El carbono orgánico total, COT, es esencialmente valioso en el control de procesos cuando incluso la determinación de DQO puede ser demasiado lenta. Los métodos de COT son más reproducibles que los de DBO o DQO y permiten el análisis de un gran número de muestras. Se utilizan métodos instrumentales, dando resultados en pocos minutos y requiriendo menos de 1 mL de muestra. El procedimiento más general implica la introducción de una micromuestra en un tubo de combustión catalítica mantenido a 960ºC, que vaporiza el agua. En una corriente de aire la materia orgánica se convierte en CO2 y H2O. El agua se condensa, y la corriente de gas se pasa, a través de una celda de flujo continuo, a un analizador de infrarojos (IR). La cantidad de CO2 registrada es proporcional al contenido de carbono de la muestra.
50 Parámetros químicos (III)Carbono orgánico total Uno de los problemas de estos métodos es que los carbonatos inorgánicos también liberan CO2 (por ejemplo CaCO3 ? CaO + CO2?) Para evitarlo se realizan dos determinaciones: 1ª) De carbono total, en la que la muestra pasa por un reactor que contiene ácido fosfórico que convierte los carbonatos inorgánicos en CO2 y después por el tubo de combustión catalítica en la que se transforma el carbono orgánico. 2ª) La muestra sólo pasa por el reactor de ácido fosfórico por lo que sólo se determina el carbono inorgánico. La diferencia de las dos medidas es el carbono orgánico total. Unidades: mg/L.
51 Parámetros químicos (IV) Demanda bioquímica de oxígeno, DBO5 Se determina el contenido de oxígeno en una muestra y lo que queda después de 5 días de incubación en una muestra semejante. La diferencia es la DBO5. Uno de los métodos más utilizados es el método respirométrico. Consiste en una botella de digestión que se encuentra unida a un manómetro. El volumen de muestra utilizado está en función de la DBO5 prevista. Durante la determinación los microorganismos respiran el oxígeno disuelto en el agua de la muestra y a medida que éste se va consumiendo el oxígeno contenido en el aire de la botella va pasando a la muestra. En el transcurso de la oxidación de la materia orgánica se genera CO2 que pasa al volumen de aire. En el digestor de goma hay NaOH que retiene el CO2 y lo elimina del volumen de aire, creándose una depresión en la botella de digestión que es indicada en el manómetro. Muestras muy polucionadas precisan más oxígeno en los 5 días que el que contiene la muestra, por lo que se usa el método de dilución. Se añade oxígeno disuelto a la muestra, se inocula, si es preciso, con microorganismos apropiados y se incuba durante 5 días, determinándose la diferencia entre el oxígeno inicialmente presente y el que resta a los 5 días. Valores por encima de 30 mg O2/L son indicativos de contaminación en aguas continentales, aunque en aguas residuales pueden alcanzar valores de miles de mg O2/L.
52 Parámetros químicos (V) Nitratos Se pueden determinar mediante una colorimetría. En presencia de salicilato sódico, los nitratos dan el p-nitrosalicilato sódico de color amarillo, susceptible de una determinación colorimétrica a 420 nm. Espectrofotometría o cromatografía iónica. Unidades: mg/L.
Nitritos Su presencia en agua suele indicar la contaminación de carácter fecal frecuente, habida cuenta de su inestabilidad. Su determinación se puede realizar mediante una colorimetría. El nitrito presente se hace reaccionar con 4-aminobencenosulfonamida en presencia de ácido fosfórico, a pH 1.9, para formar una sal de diazonio que produce un compuesto coloreado con dihidrocloruro de N-(1-naftil)-1,2-diaminoetano. El compuesto coloreado se mide a 540 nm. Espectrofotometría o cromatografía iónica. Unidades: mg/L.
53 Parámetros químicos (VI) Amoníaco/amonio En disolución acuosa hay un equilibrio entre el amoníaco y el ión amonio: NH3 + H2O ? NH4+ + OH- En ambas especies el nitrógeno actúa con número de oxidación -3, es decir, se trata del compuesto más reducido para el nitrógeno. El método de análisis más usado es la reacción de Nessler, que se basa en la formación de una dispersión coloidal amarillo-marrón al adicionar a la muestra el reactivo K2[HgI4] 2 K2[HgI4] + NH3 + 3 KOH ? I-Hg-O-Hg-NH4 + 2 H2O + 7 KI
Las muestras deben ser pretratadas con ZnSO4 y un álcali para eliminar algunos iones (Ca2+, Mg2+, Fe3+) que precipitan con el reactivo Nessler. En ocasiones, es conveniente separar el NH3 por destilación y eliminar la turbidez, el color natural y ciertos compuestos orgánicos que interfieren en la reacción. Unidades: mg/L.
Nitrógeno Kjeldahl Sólo valora nitrógeno –3. Mineralización con selenio, destilación y determinación del ion amonio por espectrofotometría o volumetría. Unidades: mg/L.
54 Parámetros químicos (VII) Compuestos de fósforo Hay una fuente mayoritaria de aporte de fósforo al medio hídrico: los detergentes utilizados en la limpieza doméstica (aportan el 50% del fósforo presente en aguas de zonas urbanas). El contenido en fósforo de un agua se reparte en tres tipos de compuestos: inorgánicos, orgánicos (disueltos o en suspensión) y en tejidos vivos. En los inorgánicos, englobados bajo la forma de fosfatos, han de considerarse los equilibrios de disociación que sufre el ácido fosfórico: H3PO4 ? H2PO4- + H+ H2PO4- ? HPO42- + H+ HPO42- ? PO43- + H+ En aguas de pH normal (entre 7-8), el 10% del fósforo inorgánico se encuentra como H2PO4- y el 90% restante como HPO42-, directamente asimilable por la mayoría de los microorganismos acuáticos. Un método de determinación es una colorimetría. Los iones fosfato, con una solución ácida que contiene iones molibdato y antimonio forman un complejo antimonio-fosfomolibdato. La reducción de este complejo con ácido ascórbico forma un complejo azul de molibdeno, intensamente coloreado. La medida de absorbancia a 880 nm permite determinar la concentración de fosfato. Los polifosfatos y ciertos compuestos organofosforados se determinan tras su transformación, por hidrólisis con ácido sulfúrico, en fosfatos que se determinan por el método del molibdato. Unidades: mg/L.
55 Parámetros químicos (VIII) Aceites y grasas Extracción con disolventes y análisis gravimétrico o por espectroscopia infrarroja. Unidades: mg/L.
Hidrocarburos Espectrofotometría de infrarrojos o cromatografía (gases o HPLC) tras extracción con 1,1,2-trifluoro-1,1,2-tricloroetano. Unidades: µg/L.
Detergentes Espectrofotometría. Unidades: ?g lauril sulfato/L.
56 Parámetros químicos (IX) Cloruros Potenciometría con electrodo de ión específico. Unidades: mg/L.
Fluoruros Potenciometría con electrodo de ión específico. Unidades: mg/L.
Sulfatos Turbidimetría, gravimetría o cromatografía iónica. Unidades: mg/L.
57 Parámetros químicos (X) Fenoles Espectrofotometría. Unidades: ?g C6H5OH/L.
Cianuros Potenciometría con electrodo de ión específico tras destilación previa. Unidades: µg/L.
Haloformos Cromatografía de gases con detector de captura de electrones tras extracción previa. Unidades: µg/L.
58 Parámetros químicos (XI) Metales El análisis de los metales puede referirse a varias fracciones que son diferentes y que, por tanto, ofrecerán diferentes resultados analíticos: Metales disueltos: son los existentes en la muestra no acidificada y filtrada a través de un filtro de 0.45 ?m. Metales en suspensión: son los retenidos en el filtro anterior. Metales totales: corresponden a la concentración de metales después de someter la muestra de agua a algún proceso de digestión. Si se quieren determinar metales disueltos o en suspensión, lo más aconsejable es efectuar la filtración lo antes posible desde la toma de muestras. Igual puede decirse respecto a los metales extraíbles: la extracción, cuanto antes, mejor. Complexometría, espectrofotometría de absorción atómica o ICP. Unidades: mg/L.
59 Parámetros químicos (XII) Pesticidas Están presentes en el agua en concentraciones extremadamente bajas, generalmen
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