Lección 20. Contaminación de aguas subterráneas

Procesos contaminantes. Agentes contaminantes. Migración de contaminantes.

Transporte: advección, disfusión y dispersión. Transferencia de masas:

Procesos modificadores: precipitación – disolución, oxidación – reducción,

adsorción e intercambio iónico. Otros procesos.

PRINCIPALES AGENTES CONTAMINANTES

Se pueden establecer los siguientes grupos: Contaminantes químicos, contaminantes
biológicos y contaminantes radioactivos
Los contaminantes químicos son muy variados y se pueden clasificar en iones normales,
iones nitrogenados, materia orgánica, metales pesados y compuestos tóxicos.
El grupo genérico de iones normales comprende los iones cloruro, sulfato, bicarbonato, sodio,calcio, magnesio y los parámetros derivados: residuo seco y dureza.

El principal efecto de la dureza en las aguas de uso doméstico es el incremento en
el gasto de jabón, detergentes o productos de ablandamiento de las aguas para evitar
incrustaciones, aparte de las dificultades en la cocción de verduras y otros alimentos.
En cuanto a los iones nitrogenados, sobre todo se trata de los nitratos derivados de la
utilización de fertilizantes. La presencia de nitritos y amonio puede indicar que proceden de la
descomposición de la materia orgánica de algún vertido de residuos y que puede venir
acompañada de organismos patógenos.
Los principales inconvenientes que puede causar la materia orgánica en aguas destinadas al consumo humano son los de color, olor y sabor, la posibilidad de existencia de microorganismos patógenos que se nutren de ella y la presencia de ciertas sustancias orgánicas no biodegradables que permanecen en el agua y cuyos efectos sobre la salud humana aún no son suficientemente conocidos.

MECANISMOS DE INTRODUCCION Y PROPAGACION DE LA CONTAMINACION EN EL ACUIFERO

Los principales mecanismos de llegada de contaminantes son los de propagación a partir de la superficie, que incluyen los casos de arrastre de contaminantes desde la superficie del terreno por las aguas de infiltración (vertidos sobre el terreno, uso de fertilizantes, etc..) y los de infiltración de aguas superficiales contaminadas desde ríos, acequias, etc.., provocados por la acción humana; los de propagación desde la zona no saturada cuyos ejemplos más típicos son los derivados de los sistemas de tratamiento de aguas residuales domésticas y de embalsamiento superficial de residuos líquidos de diversa procedencia y, finalmente, los de propagación originados en la zona saturada cuyos casos más típicos son los pozos de inyección y la progresión de la intrusión salina por alteración del régimen de flujo.

CAUSAS DE CONTAMINACIÓN
- por actividades urbanas
- por actividades agrícolas
- por actividades industriales
- por aguas salinas
- por actividades mineras
- por vertidos de origen urbano
- otros
MIGRACIÓN DE CONTAMINANTES
Es el conjunto de procesos de transporte, almacenamiento, intercambio y transformación (transferencia), que por causas físicas, químicas y biológicas afectan a los solutos en el suelo y las aguas subterráneas



El transporte de solutos o de contaminantes en medios porosos, saturados, homogéneos e
isótropos está regido por una ecuación de conservación de masa, que tiene en consideración
que el flujo está afectado por los siguientes mecanismos:
a) movimiento convectivo (desplazamiento medio)
b) dispersión aparente (difusión molecular y dispersión mecánica)
c) reacciones geoquímicas (cambio iónico, adsorción
d) procesos bioquímicos, radiológicos (degradación biológica, decrecimiento radioactivo



TRANSPORTE DE SOLUTOS EN EL ACUÍFERO

Las sustancias disueltas, contaminantes o no, una vez incorporadas al sistema de flujo del acuífero, pueden ser transportadas bien por el propio movimiento del agua bien por difusión molecular, o por ambos medios simultáneamente.

Cuando son transportadas por el agua en movimiento, tienden a moverse en la dirección general del flujo y, si no existen interacciones con el terreno, a una velocidad que es igual a la velocidad media del agua subterránea. Sin embargo, a causa de las tortuosidades del terreno, los solutos tienden a separarse de la trayectoria ideal del agua y a moverse con diferente velocidad.

En la difusión no se produce movimiento de solutos a través del movimiento del agua. El movimiento es debido sólo a la existencia de un gradiente de concentración, no hidráulico. Su efecto es la tendencia a la igualación de concentración en cualquier parte del sistema.
Los procesos combinados de dispersión y difusión, además de la dilución de las sustancias disueltas, provocan la formación de un penacho de contaminación cuya forma, extensión y velocidad de propagación dependen tanto de las características del medio como de la sustancia que se propaga y de las características del foco emisor.



Advección
El transporte advectivo o flujo másico advectivo se refiere al movimiento pasivo de solutos disueltos en el agua. La ecuación unidimensional de este flujo es:

F q C A = ×

donde
q es el flujo de Darcy y C es la concentración en disolución



Difusión

El transporte difusivo es debido al movimiento de iones disueltos y moléculas debido a la existencia de gradientes de concentración y a la agitación térmica de las moléculas.Este proceso puede ser descrito mediante la Ley de Fick:

F Dm Cx D = -q ¶

donde q es el contenido volumétrico de agua, Dm es el coeficiente de difusión del medio poroso y x es la distancia Dm es siempre más pequeño que el correspondiente a la difusión molecular en agua pura Da, debido a la tortuosidad del medio:

Dm = Da

         t

La tortuosidad (t) entre dos puntos se define como el recíproco de la relación existente entre la trayectoria real entre los puntos y la trayectoria rectilínea.

Dispersión
Los diferentes tipos, tamaños y orientación de los poros da lugar a velocidades que difieren de unos puntos a otros. Además, también hay variaciones de velocidad en un mismo poro, en donde la velocidad es más pequeña cerca de la pared del poro. Este mecanismo es llamado dispersión mecánica.


TIEMPO DE TRANSITO DE CONTAMINANTES

t = tR + T

tR = H mr / R T = d m / k i

H = espesor no saturado

R = recarga local

mr = humedad volumétrica media del perfil

d = distancia horizontal foco - captación

m = porosidad volumétrica total

k = permeabilidad

i = gradiente hidráulico

TRANSFERENCIA DE MASAS

Durante el transporte de las sustancias disueltas, potencialmente contaminantes, a lo largo del flujo subterráneo, éstas están sometidas a una serie de procesos que tienden a atenuar sus efectos (autodepuración del agua subterránea). Estos procesos de atenuación pueden ser de distinta naturaleza, actuar de manera preferente en una u otra parte del acuífero y ser de eficacia selectiva en relación con determinado tipo de contaminante. Los principales procesos que pueden tener lugar son:

Procesos físicos

Dispersión. Provoca la dilución de contaminantes. La capacidad de dispersión de un medio depende de su grado de heterogeneidad, velocidad del agua subterránea,.. En general, es inversamente proporcional a la porosidad.

Filtración. 
Elimina virtualmente todos los sólidos en suspensión. No es efectiva frente a la mayoría de las especies químicas inorgánicas. Muy efectiva en medios arcillosos.


Circulación de gases. 
Favorece la descomposición de sustancias orgánicas. La limitación de esta circulación puede provocar condiciones anaerobias. Volatilización y fuga en estado de gas pueden afectar a nitratos y sulfatos.

Procesos geoquímicos
Formación de complejos y fuerza iónica. Los complejos y pares iónicos se forman en su
mayoría por combinación de iones polivalentes. La fuerza iónica es una medida del total de iones disueltos. tanto una como otra hacen aumentar la cantidad de especies disueltas que estarían limitadas por oxidación, precipitación o adsorción.
Neutralización - reacciones ácido-base. 
La mayoría de los constituyentes de las aguas
subterráneas son más soluble y, por tanto, más móviles cuando el pH es bajo. En la mayoría de los casos este efecto no es importante si el pH de efluentes etc.. oscila entre 6 y 9, pero es muy importante cuando se trata de residuos muy ácidos o muy básicos.
Oxidación - reducción. 
Muchos elementos pueden presentar varios estados de oxidación estando su movilidad estrechamente ligada a dicho estado. En suelos no saturados y zonas de
recarga de acuíferos suelen predominar condiciones oxidantes o parcialmente reductoras, mientras que en la zona saturada suelen predominar las reductoras, especialmente si existe materia orgánica.
Precipitación - disolución. 
Teóricamente casi cualquier constituyente que se encuentre en solución puede precipitar. El calcio, magnesio, bicarbonatos y sulfatos, especialmente, pueden estar sometidos a estos procesos. Constituyentes traza como arsénico, boro, cadmio, cianuro, hierro, plomo, mercurio,.. presentan una notable capacidad de precipitación en ciertas condiciones.
Adsorción - desorción. 
El proceso de intercambio iónico puede provocar la retención de cationes y aniones en la superficie de las arcillas. La cantidad de cationes metálicos adsorbidos auemta con el pH. Los elementos adsorbidos pueden volver a la solución (desorción) cuando
un agua con menor concentración de estos elementos entra en contacto con el material adsorbente. Este proceso es probablemente uno de los más efectivos en la atenuación de la contaminación. Con excepción de los cloruros y, en menor proporción, nitratos y sulfatos, la mayoría de los contaminantes, en condiciones favorables, pueden ser adsorbidos y a´si, eliminados del agua subterránea.
Procesos bioquímicos
Degradación biológica y asimilación. 
Muchas sustancias orgánicas pueden ser extraídas del agua por actividad biológica : sulfatos, nitratos, arsénico y mercurio pueden ser fijados biológicamente. El molibdeno es fuertemente asimilado y fijado por las plantas.
Síntesis celular. El nitrógeno, carbono, azufre y fósforo, así como otros constituyentes traza son necesarios para el crecimiento de los organismos y pueden, por consiguiente, ser retirados en su movimiento desde los emplazamientos de residuos.



PROCESOS EN LA ZONA NO SATURADA
Las entradas de agua son debidas a las lluvias, al riego, recarga artificial y lixiviados de vertidos, cuyas características físico-químicas es necesario conocer. Los procesos que en mayor medida afectan a esta zona son la evapotranspiración que conlleva la concentración de las sales disueltas y la absorción radicular selectiva, cuya fase líquida forma parte de la evapotranspiración pero que puede jugar un importante papel en la pérdida de algunos iones (nitratos fundamentalmente).



La volatilización puede afectar al amonio y aciertas sustancias orgánicas (plaguicidas). Realmente, en esta zona también tienen lugar la mayoría de los procesos que se indican en la zona intermedia o zona no saturada propiamente dicha, e incluso con mayor intensidad, como puede ser el caso de la adsorción de metales pesados o de nitrificación del amonio

Las reacciones de oxidación en ambiente aerobio, capaz de aportar oxígeno, son
especialmente intensas en los compuestos del nitrógeno (nitrificación del amonio y nitrito) y en los sulfuros, que son transformados a sulfatos. Por el contrario, las reacciones de reducción, en ambiente anaerobio y con presencia de materia orgánica, conducen a la formaciónde amonio (desnitrificación) y sulfuros (reducción de sulfatos).
La biodegradación que afecta a las sustancias orgánicas tiene lugar en los primeros
centímetros del suelo donde tanto la presencia de oxígeno como la actividad biológica.