Libro de Ingenieria Ambiental.pdf

Ingeniería ambiental: fundamentos, sustentabilidad, diseño Autores y Editores James R. Mihelcic Universidad del Sur de Florida Julie Beth Zimmerman Universidad de Yale Autores Colaboradores Martin T. Auer Universidad Tecnológica de Michigan David W. Hand Universidad Tecnológica de Michigan Richard E. Honrath, Jr. Universidad Tecnológica de Michigan Alex S. Mayer Universidad Tecnológica de Michigan Mark W. Milke Universidad de Canterbury Kurtis G. Paterson Universidad Tecnológica de Michigan Judith A. Perlinger Universidad Tecnológica de Michigan Michael E. Penn Universidad de Wisconsin-Platteville Noel R. Urban Universidad Tecnológica de Michigan Brian E. Whitman Universidad de Wilke Qiong Zhang Universidad del Sur de Florida ffirs.indd i 8/30/11 2:09:58 PM Traducción y formación: Editec Al cuidado de la edición: Luz Ángeles Lomelí Díaz [email protected] Gerente editorial: Marcelo Grillo Giannetto [email protected] Datos catalográficos Mihelcic, James y Zimmerman, Julie Ingeniería ambiental: fundamentos, sustentabilidad, diseño Primera Edición Alfaomega Grupo Editor, S.A. de C.V., México ISBN: 978-607-707-317-8 Formato: 20.5 x 25 cm Páginas: 720 Ingeniería ambiental: fundamentos, sustentabilidad, diseño James R. Mihelcic y Julie Beth Zimmerman ISBN: 978-0-470-16505-8 edición original en inglés “Environmental Engineering: Fundamentals, Sustainability, Design”, First Edition, publicada por John Wiley & Sons, Inc. New Jersey, USA. Derechos reservados © John Wiley & Sons, Inc. Primera edición: Alfaomega Grupo Editor, México, octubre 2011 © 2012 Alfaomega Grupo Editor, S.A. de C.V. Pitágoras 1139, Col. Del Valle, 03100, México D.F. Miembro de la Cámara Nacional de la Industria Editorial Mexicana Registro No. 2317 Pág. Web: http://www.alfaomega.com.mx E-mail: [email protected] ISBN: 978-607-707-317-8 Derechos reservados: Esta obra es propiedad intelectual de su autor y los derechos de publicación en lengua española han sido legalmente transferidos al editor. Prohibida su reproducción parcial o total por cualquier medio sin permiso por escrito del propietario de los derechos del copyright. Nota importante: La información contenida en esta obra tiene un fin exclusivamente didáctico y, por lo tanto, no está previsto su aprovechamiento a nivel profesional o industrial. Las indicaciones técnicas y programas incluidos, han sido elaborados con gran cuidado por el autor y reproducidos bajo estrictas normas de control. ALFAOMEGA GRUPO EDITOR, S.A. de C.V. no será jurídicamente responsable por: errores u omisiones; daños y perjuicios que se pudieran atribuir al uso de la información comprendida en este libro, ni por la utilización indebida que pudiera dársele. Impreso en México. Printed in Mexico. Empresas del grupo: México: Alfaomega Grupo Editor, S.A. de C.V. – Pitágoras 1139, Col. Del Valle, México, D.F. – C.P. 03100. Tel.: (52-55) 5575-5022 – Fax: (52-55) 5575-2420 / 2490. Sin costo: 01-800-020-4396 E-mail: [email protected] Colombia: Alfaomega Colombiana S.A. – Carrera 15 No. 64 A 29, Bogotá, Colombia, Tel.: (57-1) 2100122 – Fax: (57-1) 6068648 – E-mail: [email protected] Chile: Alfaomega Grupo Editor, S.A. – Dr. La Sierra 1437, Providencia, Santiago, Chile Tel.: (56-2) 235-4248 – Fax: (56-2) 235-5786 – E-mail: [email protected] Argentina: Alfaomega Grupo Editor Argentino, S.A. – Paraguay 1307 P.B. Of. 11, C.P. 1057, Buenos Aires, Argentina, – Tel./Fax: (54-11) 4811-0887 y 4811 7183 – E-mail: [email protected] ffirs.indd ii 10/13/11 4:02:48 PM Prefacio Para cuando termine de leer esta oración, diez personas se habrán sumado a la población del planeta, mil toneladas de dióxido de carbono se habrán añadido a la atmósfera y diez acres de tierra habrán sido deforestados. A menos que algo cambie dramáticamente en la manera en que los seres humanos interactúan con el mundo y los productos, procesos y sistemas que se diseñan, la humanidad terminará exactamente hacia un futuro insostenible. La sustentabilidad, como concepto, significa hacer aquellos cambios transformativos necesarios para asegurar que la generación actual y las generaciones futuras tengan la capacidad de cumplir con sus necesidades. La manera en como se logra este tremendo reto es el propósito central de este libro. Los problemas ambientales duros y graves dieron lugar al campo de la ingeniería ambiental hace más de cinco décadas. El aire insalubre de Los Ángeles y Pittsburgh, los ríos ardientes de Ohio y comunidades enteras evacuadas debido a los tóxicos de Nueva York y Missouri fueron algunos de los problemas que los ingenieros ambientales tuvieron que direccionar como un campo emergente. La creatividad y la diligencia del campo resultaron en beneficios tremendos para el medio ambiente y mejoraron la calidad de vida. El conocimiento acerca de cómo lidiar con dichos problemas graves es fundamental y crítico para el campo de la ingeniería ambiental a medida que continúa evolucionando. Tristemente, hoy en día están surgiendo nuevos retos que son más imperceptibles, más complejos, más globales y potencialmente más devastadores para las personas y el planeta. Debido a éstas y otras razones, la Ingeniería Ambiental emerge ahora como una disciplina distinta. Es una especialidad reconocida en los exámenes profesionales de licenciatura de Ingeniería, y el número de ingenieros ambientales empleados sólo en Estados Unidos se calcula que van de 54 000 a 100 000. Como profesión, esto ubica a la Ingeniería Ambiental en Estados Unidos como una profesión significativamente más grande que las ingenierías Biomédica, de Materiales y Química. Esta disciplina es también una de sólo dos disciplinas de ingeniería que el Buró de Estadísticas Laborales de Estados Unidos predice que tendrá “crecimiento más rápido del promedio” durante los siguientes diez años. Sin embargo, la disciplina de Ingeniería Ambiental está en constante movimiento. Los problemas que se han creado como resultado de la manera en que la sociedad y economía humanas han interactuado con el medio ambiente natural desde que la Revolución Industrial ha cambiado durante las décadas pasadas. Algunas caracterizaciones de los tipos de problemas con los que están lidiando los ingenieros ambientales se muestran en la siguiente tabla: Cuestiones ambientales del siglo xx Locales Globales Agudas Crónicas Obvias Imperceptibles Inmediatas Multigeneracionales Discretas Complejas INGENIERÍA AMBIENTAL. MIHELCIC fpref.indd iii Cuestiones ambientales del siglo xxi ALFAOMEGA 9/13/11 6:13:17 PM iv Prefacio La evolución de los problemas por sí solos y el nivel de entendimiento que se tiene sobre dichos problemas requerirán que los ingenieros tengan nuevos conocimientos, capacidades y perspectivas sobro cómo enfocar el trabajo. No es que los conocimientos previamente adquiridos sean anticuados y se necesiten reemplazar. Es que los conocimientos tradicionales se necesitan aumentar, complementar y reforzar con nuevos conocimientos, nuevas perspectivas y nuevas conciencias. La fusión de viejos y nuevos fundamentos y habilidades de diseño es el propósito de este texto. Los autores esperan que este texto proporcione a los ingenieros el conocimiento y confianza para lidiar con los retos del siglo xxi así como lidiaron con los retos de enormes proporciones del siglo xx. Características distintivas UN ENFOQUE EN EL DISEÑO SUSTENTABLE Tal vez uno de los más importantes aspectos de este libro de texto es que enfocará al estudiante en los elementos de diseño. El diseño de productos, procesos y sistemas será esencial no sólo para responder a las cuestiones ambientales en las vías que nuestra profesión lo ha hecho históricamente, sino también para informar el diseño de nuevos productos, procesos y sistemas para reducir o eliminar los problemas que sucedan en primer lugar. Para utilizar las herramientas de diseño de ingeniería verde para en verdad diseñar sustentabilidad, los estudiantes necesitan ordenar un marco para este diseño. El marco probablemente se puede resumir en las cuatro Íes: 1) Inherencia, 2) Integración, 3) Interdisciplinario e 4) Internacional. Inherencia A medida que el lector avance en el texto, será obvio que no se está mirando meramente hacia cómo cambiar las condiciones o circunstancias que hacen de un producto, proceso o sistema un problema. Los lectores entenderán la naturaleza inherente del material y las entradas y salidas de energía para que sean capaces de entender la base fundamental del peligro y las causas de raíz de la consecuencia adversa que pretenden direccionar. Sólo mediante este enfoque de inherencia se puede comenzar a diseñar sustentabilidad en lugar de generar vendajes tecnológicos elegantes para concepciones defectuosas. Integración Los enfoques históricos hacia muchas cuestiones ambientales han sido fragmentados, con frecuencia por los medios, el ciclo de vida, la cultura o la región geográfica. El entendimiento de que la energía está vinculada inextricablemente con el agua, el agua con el cambio climático, el cambio climático con la producción de alimentos, la producción de alimentos con el cuidado de la salud, el cuidado de la saludo con el desarrollo social, y así en adelante, será esencial en el nuevo paradigma de diseño sustentable. Es igualmente necesario el entendimiento de que no se puede pensar en enfocar ningún problema ambiental sin mirar el problema a través de los elementos de su ciclo de vida. Han habido un sinnúmero de intentos para mejorar las circunstancias ambientales que han resultado en problemas que no se pretendían y que con frecuencia han sido peores que el problema que intentaban mejorar. Los intentos para mejorar la provisión de agua potable en Bangladesh resultaron en envenenamiento extendido por arsénico. Los intentos para incrementar los rendimientos de los cultivos mediante la producción de pesticidas en Bhopal, India, resultaron en una de las tragedias químicas más grandes de nuestros tiempos. El entendimiento de las complejas interconexiones y el asegurar la integración de múltiples factores en el desarrollo de soluciones es algo que los ingenieros ambientales del siglo xxi requieren. ALFAOMEGA fpref.indd iv INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC 8/30/11 2:14:23 PM Prefacio v Interdisciplinario Para lograr las metas del diseño sustentable, los ingenieros ambientales trabajarán crecientemente con una amplia matriz de otras disciplinas. Las disciplinas técnicas de la Química y la Biología y otras disciplinas de ingeniería serán esenciales pero también lo serán las disciplinas de Economía, Análisis de sistemas, Salud, Sociología y Antropología. Este texto pretende introducir las dimensiones interdisciplinarias que serán importantes para el ingeniero ambiental en este siglo. Internacional Muchas soluciones de ingeniería bien intencionadas del siglo xx fallarían al no considerar los diferentes contextos encontrados en la diversidad de las naciones alrededor del mundo. Aunque la purificación del agua o el desperdicio municipal puede parecer que es algo con lo que puedan lidiar mediante procesos idénticos en cualquier parte del mundo, se ha demostrado repetidamen te que los factores locales (geográficos, climáticos, culturales, socioeconómicos, políticos, étnicos e históricos) pueden jugar un papel en el éxito o en el fracaso de una solución de ingeniería ambiental. La perspectiva internacional es una perspectiva importante que este libro enfatiza e incorpora con los fundamentos del entrenamiento de los ingenieros ambientales. BALANCES DE MATERIALES Y ENERGÍA Y PENSAMIENTO DEL CICLO DE VIDA El libro proporciona un desarrollo riguroso de conceptos de masa y energía y balance másico con numerosos ejemplos de problemas fáciles de seguir. Después aplica los conceptos de balance másico y de energía a un amplio rango de sistemas naturales y de ingeniería y diferentes medios ambientales. Este libro tiene una cobertura apropiada de la evaluación del ciclo de vida con un problema de ejemplo a fondo y proporciona un enfoque de pensamiento del ciclo de vida en discusión a través de otros capítulos. PEDAGOGÍA Y EVALUACIÓN Más allá de incluir los elementos mencionados previamente para preparar a los ingenieros para el siglo xxi, este libro también incorpora los cambios en la pedagogía y la evaluación que proporcionan la estructura para administrar esta nueva información en una experiencia educacional significativa. ua ttp : / /v i r t fpref.indd v ega.c .mx/h INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC om om Apoyos en la web Los iconos en el margen indican cuando el material de apoyo está disponible en el sitio web del libro para reforzar y expandir los conceptos presentados en el libro. Esta plataforma proporciona a los estudiantes un ambiente de aprendizaje visual e interactivo en el que pueden explorar los fundamentos, el diseño y la sustentabilidad al apreciar visualmente cómo los cambios en los ingresos numéricos afectan la salida del diseño y la operación. l.alfa La taxonomía de Fink del aprendizaje significativo Un elemento es el uso de la taxonomía de Fink del aprendizaje significativo al guiar el desarrollo de los objetivos de aprendizaje para cada capítulo así como en problemas de ejemplo y de tarea. La taxonomía de Fink reconoce seis dominios incluyendo el tradicionalmente considerado conocimientos fundamentales, aplicación del conocimiento, integración del conocimiento, dimensiones humanas de aprendizaje y preocupación e interés, y aprendiendo a aprender. Sin mucho arraigo en la taxonomía, es claro que con sólo estos conocimientos de cargas de dominio, estas áreas reconocidas por Fink son críticas para un ingeniero con la tarea de diseñar soluciones para muchos de los retos sustentables de hoy en día. ALFAOMEGA 8/30/11 2:14:23 PM vi Prefacio Ecuaciones importantes Los recuadros alrededor de las ecuaciones le indican a los estudiantes cuáles son más críticas. Ejercicios de aprendizaje Los ejercicios de aprendizaje en los problemas de final de capítulo no sólo le piden a los estudiantes que resuelvan problemas numéricos tradicionales de evaluación y diseño, sino que también retan a los estudiantes para investigar problemas e innovar soluciones en diferentes niveles: campus, departamentos, hogares, ciudades, regiones, estados o el mundo. Temas de discusión Para enfatizar más en la importancia de los dominios de conocimiento comentados en el párrafo anterior, el libro anima a las discusiones en clase y la interacción entre estudiantes así como entre los estudiantes y el instructor. Estos temas de discusión son denotados por un símbolo en el margen. Recursos para aprendizaje adicional Los recursos en línea para aprendizaje adicional y exploración se enlistan en el margen en donde sea apropiado. Estos recursos dan a los estudiantes la oportunidad de explorar temas en mucho mayor detalle y aprender de las cosas comunes y únicas de la geografía para cuestiones específicas de ingeniería ambiental. Más importante, el uso de estos recursos en línea prepara mejor a los estudiantes para la práctica profesional al expandir su conocimiento de información disponible en los sitios web del gobierno y no gubernamentales. SITIO WEB DEL LIBRO .mx/h ua ega.c ttp om om l.alfa Los siguientes recursos para los estudiantes e instructores están disponibles en el sitio web ubicado en http://virtual.alfaomega.com.mx/ Materiales en la web Martín Auer tuvo la visión y el liderazgo para supervisar el desarrollo de 60 módulos web interactivos que se integran a lo largo del texto. La meta de los módulos web es la de reforzar y expandir los conceptos presentados en el libro. Los módulos también le dan a los estudiantes la oportunidad de alcanzar la práctica con el gobierno, las comunidades y el mundo a medida que exploran los conceptos a mayor detalle. Debido a que los módulos web son un producto en evolución constante, se añadirán módulos web con el tiempo. Estos módulos web están marcados en el texto por un icono que alerta al estudiante sobre la disponibilidad de apoyo web para un tema en particular. Los instructores son animados a utilizar los módulos durante la clase como una herramienta adicional para la motivación, educación y compromiso del estudiante. : / /v i r t Materiales de clases para los instructores A través de un curso de NSF, del premio Curriculum and Laboratory Improvement que otorgaron a tres de los autores de este libro (Qiong Zhang, Julie Zimmerman y James Mihelcic) y a Linda Vanasupa (California Polytechnic State University) se desarrollaron materiales educacionales a fondo para los siguientes seis temas: 1. Pensamiento sistémico 2. (Introducción a la) Sustentabilidad 3. Pensamiento sistémico: población 4. Pensamiento sistémico: energía 5. Pensamiento sistémico: material 6. Pensamiento sistémico: agua ALFAOMEGA fpref.indd vi INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC 8/30/11 2:14:23 PM Prefacio vii Cada conjunto proporciona una matriz de materiales de clase cuyo diseño se alinea con la investigación educacional sobre cómo fomentar un aprendizaje más significativo. Cada conjunto incluye: • Objetivos de aprendizaje dentro de cada una de las cinco áreas críticas de aprendizaje (conocimientos fundamentales, aplicación del conocimiento, integración del conocimiento, dimensiones humanas de aprendizaje, preocupación e interés y aprendiendo a aprender). • Un conjunto de diapositivas para presentar material de lectura. • Ejercicios de aprendizaje activo que implican utilizar de dos minutos a tres horas; guías simbolizadas para usar los ejercicios. • Un conjunto de actividades de evaluación que incluye los objetivos de aprendizaje, criterios para evaluación y estándares para evaluar los criterios. RECURSOS ADICIONALES PARA PROFESORES Los recursos adicionales para este texto incluyen: • Manual de soluciones para todos los problemas de final de capítulo en el texto. • Galería de imágenes con ilustraciones del texto apropiadas para su uso en las diapositivas de clase. Estos recursos están disponibles sólo para los profesores que adopten el texto. Por favor visite el sitio web en http://virtual.alfaomega.com.mx/ para registrarse con una contraseña. Génesis del libro En 1999 se publicó el libro Fundamentos de Ingeniería Ambiental. Este libro fue el fruto de un esfuerzo de enseñanza en equipo requerido en ese momento para estudiantes universitarios de Ingeniería Ambiental y Civil en la Universidad Tecnológica de Michigan. Una fortaleza de Fundamentos de Ingeniería Ambiental es que proporciona cobertura a fondo de los fundamentos básicos de la ingeniería ambiental requeridos para el diseño, operación, análisis y modelaje de los sistemas naturales y de ingeniería. Este nuevo libro que ahora está leyendo, Ingeniería ambiental: fundamentos, sustentabilidad, diseño, no sólo incluye capítulos actualizados sobre los mismos fundamentos con un continuo énfasis sobre los balances de materiales y energía y la inclusión de cuestiones de energía y clima, también incluye la aplicación de dichos conocimientos fundamentales para el diseño y la operación de sistemas de tratamiento y prevención. Muy importante, este nuevo libro proporciona capítulos sobre el tratamiento y manejo de problemas ambientales (por ejemplo, tratamiento y distribución de agua potable, tratamiento y recolección de aguas residuales, manejo de desperdicios sólidos e ingeniería de recursos del aire) al mismo tiempo que proporciona capítulos sobre sustentabilidad, riesgo ambiental, ingeniería verde y el entorno urbanístico. Las cuestiones importantes de energía y clima son incorporadas en cada capítulo y no son consideradas como cuestiones aisladas. Los conceptos críticos de ética y justicia son incluidos y a los lectores se les proporciona una perspectiva global. Las aplicaciones de ingeniería también están actualizadas; por ejemplo, el capítulo de calidad del agua no sólo incluye el manejo de lagos y ríos sino que también el diseño de infraestructura de bajo impacto para el manejo de aguas pluviales. El capítulo de aguas residuales incluye cuestiones de reutilización y reclamación, y el capítulo de recursos del aire contiene material sobre la calidad del aire interior. Por último, el capítulo del entorno INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC fpref.indd vii ALFAOMEGA 9/13/11 6:14:42 PM viii Prefacio urbanístico incluye temas como el diseño sensible al contexto, la certificación LEED de edificios y las cuestiones relacionadas con las comunidades habitables por ingeniería y sistemas de transportación más sustentables. Agradecimientos Así como nos maravillamos y apreciamos a todos aquellos que se han dedicado a dejar el mundo como un lugar mejor del que encontraron –los ingenieros ambientales y otros– agradecemos a toda la gente talentosa que ayudó a hacer este libro posible y están listos para cambiar la naturaleza del campo de la ingeniería ambiental. Además de todas las personas que contribuyeron con el contenido del libro, los siguientes académicos proporcionaron revisiones profundas y de alta calidad a través de diversas etapas del desarrollo del libro: Zuhdi Aljobeh, Universidad de Valparaíso Robert W. Fuessle, Universidad de Bradley Keri Hornbuckle, Universidad de Iowa Benjamin S. Magbanua Jr., Universidad Estatal de Mississippi Taha F. Marhaba, Instituto de Tecnología de Nueva Jersey William F. McTernan, Universidad Estatal de Oklahoma Gbekeloluwa B. Oguntimein, Universidad Estatal de Morgan Joseph Reichenberger, Universidad de Loyola Marymount Sukalyan Sengupta, Universidad de Massachusetts Thomas Soerens, Universidad de Arkansas Linda Vanasupa (Universidad Politécnica Estatal de California) revisó los capítulos y ayudó en el desarrollo de objetivos de aprendizaje en el contexto de la taxonomía de Fink de aprendizaje significativo. Linda Phillips (Universidad del Sur de Florida) proporcionó su perspectiva internacional, especialmente con respecto a la integración del aprendizaje de servicio. El equipo editorial de Jennifer Welter, Mark Owens y Heather Johnson que nos ayudaron en este proyecto también ha sido una clave para el éxito. Su visión temprana del propósito del libro y la atención a las contribuciones en detalles, estilo y pedagogía han hecho de esto una sociedad completa y equitativa. Los siguientes estudiantes en la Universidad del Sur de Florida revisaron cada capítulo del libro y proporcionaron comentarios valiosos durante el proceso editorial: Jonathan Blanchard, Justin Meeks, Colleen Naughton, Kevin Orner, Duncan Peabody y Steven Worrell. Ezequiel Fugate y Jennifer Ace (Universidad de Yale) y Helen E. Muga (Universidad del Sur de Florida) nos ayudaron a obtener permisos y buscar materiales. Estamos especialmente agradecidos con Ziad Katirji (Universidad Tecnológica de Michigan) y Heather E. Wright Wendel (Universidad del Sur de Florida), quienes ayudaron con esfuerzos para crear, ensamblar y probar el Manual de soluciones. Finalmente, gracias a Karen, Paul, Raven y Kennedy por comprender la visión de este proyecto durante los varios años pasados. James R. Mihelcic Julie Beth Zimmerman ALFAOMEGA fpref.indd viii INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC 8/30/11 2:14:23 PM Acerca de los autores James R. Mihelcic es profesor de Ingeniería Civil y Ambiental y becario de Clase Mundial del Siglo XXI del estado de Florida en la Universidad del Sur de Florida. Es fundador del Programa de maestros del cuerpo de paz en Ingeniería Civil y Ambiental. Su enseñanza e intereses de investigación son sobre sustentabilidad, ingeniería del agua y el agua residual, el diseño y operación de la tecnología apropiada y la ingeniería verde. El Doctor Mihelcic fue presidente de la Asociación de Ingeniería Ambiental y Profesores de la Ciencia y miembro certificado por la mesa de la Academia Americana de Ingenieros Ambientales. Ha viajado extensivamente en el mundo en desarrollo para servir y llevar a cabo investigaciones sobre cuestiones de desarrollo relacionadas con el tratamiento y la provisión del agua, el saneamiento, resguardo y salud global. Julie Beth Zimmerman es profesora asistente designada conjuntamente en la Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas en el programa de Ingeniería Ambiental y la Escuela de Estudios de Sivicultura y Ambientales en la Universidad de Yale. También funge como Directora Asociada de Investigación para el Centro de Química Verde e Ingeniería Verde en Yale. Sus intereses de investigación incluyen la química e ingeniería verdes, sistemas de modelaje dinámico de sistemas de agua naturales y de ingeniería, diseño benigno ambientalmente y manufactura, el destino e impactos de compuestos antropogénicos en el medio ambiente y tecnologías apropiadas de tratamiento de aguas para el mundo en desarrollo. También lleva a cabo investigaciones sobre comportamiento ambiental corporativo y las intervenciones del gobierno para reforzar la integración de la sustentabilidad en la industria y academia. Martin T. Auer es profesor de Ingeniería Civil y Ambiental en la Universidad Tecnológica de Michigan. Imparte cursos introductorios en Ingeniería Ambiental y curso práctico avanzado en Ingeniería de agua superficial de calidad y modelaje matemático de lagos, reservas y ríos. Los intereses de investigación del doctor Auer involucran estudios de campo y laboratorio y el modelaje matemático de la calidad del agua en lagos y ríos. David W. Hand es profesor de Ingeniería Civil y Ambiental en la Universidad Tecnológica de Michigan. Imparte cursos de niveles superiores y de licenciatura sobre el tratamiento de agua potable, el tratamiento de aguas residuales y procesos físicoquímicos en ingeniería ambiental. Los intereses de investigación del Doctor Hand incluyen procesos de tratamiento físico-químicos, transferencia másica, adsorción, extracción de aire, procesos de oxidación avanzados homogéneos y heterogéneos, modelaje de proceso de procesos de tratamiento de aguas y tratamiento de aguas residuales y desarrollo software de ingeniería para diseño de herramientas para las prácticas de prevención de contaminación. Richard E. Honrath fue profesor de Ingeniería y Ciencias Geológicas y de Minería y de Ingeniería Civil y Ambiental en la Universidad Tecnológica de Michigan, en donde también dirigió el programa de licenciatura de Ciencias Atmosféricas. Impartió cursos en Ingeniería Ambiental introductoria, Ingeniería y Ciencias avanzadas de la calidad del aire y química atmosférica. Sus actividades de investigación involucraron estudios de impactos de gran escala de emisiones contaminantes del aire de fuentes hidropogénicas y de incendios forestales, con un enfoque en la interacción entre procesos de transportación y procesamiento químico. También estudió la fotoquímica en el hielo y la nieve, incluyendo estudios de campo de las interacciones con la nieve, el aire y la luz del sol. INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC flast.indd ix ALFAOMEGA 8/30/11 2:11:11 PM x Acerca de los autores Alex S. Mayer es profesor de Ingeniería Ambiental y Geológica y Director del Centro para el Agua y la Sociedad en la Universidad Tecnológica de Michigan. Sus enseñanzas e intereses de investigación se enfocan en las interacciones humanas-biofísicas en los sistemas de agua, el manejo y modelaje de los humedales y el flujo, transportación y remediación del agua subterránea. El Doctor Mayer ha fungido en posiciones editoriales para diversas revistas profesionales: Water Resources Research, Journal of Contaminant Hydrology y Advances in Water Resources. Ha sido consultor de compañías de ingeniería, firmas legales y grupos no gubernamentales y es Ingeniero profesional registrado. Mark W. Milke es profesor asociado/profesor adjunto en el Departamento de Ingeniería de Recursos Civiles y Naturales de la Universidad de Canterbury, Nueva Zelanda, en donde ha trabajado desde 1991. Sus intereses de investigación y enseñanzas son en el manejo de desperdicio sólido, agua subterránea y análisis incierto. Es ingeniero profesional colegiado en Nueva Zelanda y funge como director asociado para la revista Waste Management. Kurtis G. Paterson es profesor asistente de Ingeniería Civil y Ambiental en la Universidad Tecnológica de Michigan. Sus intereses de investigación y enseñanza están en el diseño apropiado de tecnología, aprendizaje de servicio internacional con base en el proyecto y la reforma educacional de ingeniería. El doctor Paterson actualmente funge como Director del Michigan Tech’s D80 Center, un consorcio de investigaciones, educación y programas de servicio dedicados a crear soluciones de desarrollo sustentables para el 80% más pobre de la humanidad. Actualmente está involucrado en diversas iniciativas internacionales en la Sociedad Americana para la Educación en Ingeniería y numerosas actividades educacionales en Ingenieros sin Fronteras de Estados Unidos. Michael R. Penn es profesor de Ingeniería Civil y Ambiental en la Universidad de Wisconsin-Platteville. Imparte cursos a estudiantes universitarios en ingeniería ambiental introductoria, mecánica de fluidos, hidrología, agua subterránea, tratamiento de aguas residuales y potables, y manejo de desperdicios sólidos y peligrosos. Los intereses en investigación del Doctor Penn se enfocan en involucrar a los estudiantes universitarios en estudios de escorrentía de agricultura, ciclo de nutrientes en los lagos y manejo de infraestructura urbana. El doctor Penn actualmente escribe un nuevo libro, Introduction to Infrastructure: Civil Engineering, Environmental Engineering, and the Built Environment, que está dirigido a estudiantes universitarios de primer y segundo años. Judith Perlinger es profesora asociada de Ingeniería Civil y Ambiental en la Universidad Tecnológica de Michigan. Sus intereses están en la calidad del aire y el agua, y su pericia está en la transportación y transformación ambiental de químicos orgánicos y los efectos de los mismos en la salud humana, la salud del ecosistema y el clima. La Doctora Perlinger imparte cursos en los programas de Ciencias atmosféricas e Ingeniería ambiental, incluyendo los fundamentos de Ingeniería Ambiental, aplicaciones de principios de sustentabilidad y reglamentos ambientales para la práctica de Ingeniería, transportación y transformación de contaminantes orgánicos, y meteorología de capas fronterizas. Su investigación está orientada hacia el desarrollo y la verificación de modelos predictivos para evaluar el riesgo. Noel R. Urban es profesor de Ingeniería Civil y Ambiental en la Universidad Tecnológica de Michigan. Sus intereses de enseñanza se enfocan en la química ambiental y el modelaje de la calidad del agua superficial. Sus intereses de investigación ALFAOMEGA flast.indd x INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC 8/30/11 2:11:11 PM Acerca de los autores xi incluyen ciclos ambientales de elementos principales y trazas, diagénesis y estratigrafía de sedimentos, química de materia orgánica natural, biogeoquímica de humedales, impacto ambiental y destino de contaminantes, influencia de organismos sobre el ambiente químico y el papel del ambiente químico en las poblaciones controladoras. Brian E. Whitman es profesor asociado de Ingeniería Ambiental en la Universidad de Wilkes. Imparte cursos sobre el diseño de sistemas de distribución del agua y de recolección de aguas residuales, hidrología, ingeniería de recursos del agua y diseño de procesos de tratamiento del agua y aguas residuales. Los intereses de investigación del Doctor Whitman incluyen el modelaje hidraúlico de sistemas de distribución de agua y de recolección de aguas residuales, microbiología ambiental y el desarrollo de sistemas de lubricación para los motores a combustión. Ha recibido dos premios como académico destacado de la Universidad de Wilkes y es coautor de tres libros en las áreas de diseño y modelaje de sistemas de distribución de aguas y recolección de aguas residuales. Qiong Zhang es profesora asistente de Ingeniería Civil y Ambiental en la Universidad del Sur de Florida. Fue Gerente de Operaciones del Instituto de Futuros Sustentables en la Universidad Tecnológica de Michigan. Sus intereses de enseñanza son sobre ingeniería verde, tratamiento de aguas y evaluación ambiental para la sustentabilidad. Los intereses de la Doctora Zhang incluyen el desarrollo de modelos de energía incluida para los sistemas de agua, modelaje de costos de tratamiento de aguas y las herramientas de software asociadas para optimizar el diseño de sistemas de tratamiento de agua-aire, incorporando los principios de ingeniería verde en el diseño de ingeniería y el currículo de ingeniería, y la integración de evaluación ambiental y destino de químicos con la evaluación de ciclo de vida. INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC flast.indd xi ALFAOMEGA 8/30/11 2:11:11 PM flast.indd xii 8/30/11 2:11:11 PM Detailed Table of Contents xiii Contenido breve Capítulo Uno Ingeniería y desarrollo sustentable 1 Capítulo Diez Tratamiento de aguas 396 Capítulo Dos Mediciones ambientales 26 Capítulo Once Tratamiento de aguas residuales 460 Capítulo Tres Química 52 Capítulo Cuatro Procesos físicos 105 Capítulo Cinco Biología Capítulo Trece Manejo de desperdicios sólidos 576 158 Capítulo Seis Riesgo ambiental 215 Capítulo Siete Ingeniería Verde 259 Capítulo Ocho Calidad del agua Capítulo Doce Ingeniería de recursos del aire 518 Capítulo Catorce Entorno urbanístico 626 309 Capítulo Nueve Abastecimiento de agua, distribución y recolección de aguas residuales 354 INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC ftoc.indd xiii ALFAOMEGA xiii 8/30/11 2:15:11 PM ftoc.indd xiv 8/30/11 2:15:13 PM Detailed Table of Contents xv Contenido Capítulo Uno Ingeniería y desarrollo sustentable 1 Unidades de presión parcial 33 2.4 Unidades de mol/volumen 37 2.5 Otro tipo de unidades 38 1.1 Antecedentes 2 1.2 Definición de sustentabilidad 4 2.5.1 Normalidad 38 1.3 Problemas que afectarán la práctica de la ingeniería en el futuro 9 2.5.2 Concentración como un constituyente común 41 2.5.3 Reportar concentraciones de partículas en aire y agua 44 2.5.4 Representación por efecto 46 1.3.1 Población y urbanización 9 1.3.2 Salud 11 1.3.3 Escasez de agua, conflicto y resolución 13 Términos clave 48 1.3.4 Energía y clima 14 Capítulo Dos Problemas 49 1.3.5 Químicos tóxicos y recursos finitos 18 Referencias 51 1.3.6 Flujo de materiales y la construcción del medio ambiente 18 Capítulo Tres Química Aproximaciones a la química medioambiental 53 Términos clave 22 3.2 Actividad y concentración 53 Capítulo Uno Problemas 23 3.3 Reacción estequiométrica 56 Referencias 25 3.4 Leyes de la termodinámica 57 3.5 Volatilización 60 3.6 Equilibrio aire-agua 65 Capítulo Dos Mediciones ambientales 26 3.6.1 Constante de la Ley de Henry con unidades para un gas que se disuelve en un líquido 65 3.6.2 Constante de la Ley de Henry adimensional para especies que transfieren de la fase líquida a la fase gaseosa 66 Unidades de concentración de masa 27 2.1 2.1.1 Unidades de masa/masa 27 2.1.2 Unidades de masa/volumen: mg/L y ␮g/m3 29 Unidades de volumen/volumen y de mol/mol 30 2.2 2.2.1 52 3.1 La revolución sustentable 21 1.4 Uso de la ley de los gases ideales para convertir ppmv a ␮g/m3 30 INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC ftoc.indd xv 2.3 Química ácido-base 68 3.7 3.7.1 pH 68 3.7.2 Definición de ácidos y bases y sus constantes de equilibrio 69 ALFAOMEGA xv 8/30/11 2:15:13 PM Contenido xvi Sistema de carbono, alcalinidad y capacidad amortiguadora 71 3.7.3 3.8 Óxido-reducción 73 3.9 Precipitación-disolución 75 3.10 Adsorción, absorción y sorción 76 3.11 Química cinética 89 Balances de energía 129 4.2 4.2.1 Formas de energía 130 4.2.2 Conducción de un balance de energía 132 Procesos de transporte de masa 138 4.3 3.11.1 Velocidad de reacción 90 4.3.1 Advección y dispersión 139 3.11.2 Reacciones de orden cero y de primer orden 91 4.3.2 Movimiento de una partícula en un fluido: la Ley de Stokes 148 3.11.3 Reacciones de seudoprimer orden 93 4.3.3 Flujo de aguas subterráneas 150 3.11.4 Vida media y su relación con la constante de velocidad 95 3.11.5 Efecto de la temperatura en las constantes de velocidad de reacción 97 3.11.6 Cinética de reacción fotoquímica 98 Términos clave 153 Capítulo Cuatro Problemas 154 Referencias 157 Capítulo Cinco Biología Estructura y función del ecosistema 159 5.1 Términos clave 100 5.1.1 Capítulo Tres Problemas 102 Referencias 104 Balances de masa 106 4.1.1 Control de volumen 107 4.1.2 Términos de la ecuación de balance de masa para un CMFR 108 4.1.3 Análisis de reactores: El CMFR 113 4.1.4 Reactor batch 120 4.1.5 Reactor tubular 121 4.1.6 Tiempo de retención y otras expresiones para V/Q 127 5.2.1 Unidades de expresión del tamaño de una población 164 5.2.2 Modelos de crecimiento de población 164 ALFAOMEGA ftoc.indd xvi Flujo de energía en los ecosistemas 182 5.3 5.4 Grupos principales de organismos 161 Dinámica de población 164 5.2 Capítulo Cuatro Procesos físicos 105 4.1 158 5.3.1 Capturar y usar energía: fotosíntesis y respiración 182 5.3.2 Estructura trófica de los ecosistemas 186 5.3.3 Termodinámica y transferencia de energía 187 Demanda de oxígeno: bioquímica, química y teórica 190 INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC 8/30/11 2:15:14 PM Contenido 5.4.1 Definición de BOD, CBOD y NBOD 191 5.4.2 Fuentes de BOD 191 5.4.3 Demanda teórica de oxígeno 192 5.4.4 Cinética DBO 194 5.4.5 Coeficiente CBOD 196 5.4.6 5.4.7 6.3.2 Toxicidad 221 6.4 Ética y riesgo de la ingeniería 227 6.5 Evaluación de riesgo 229 Evaluación del peligro 230 6.5.2 Evaluación de la dosisrespuesta 231 BOD: Mediciones, aplicación y limitantes 197 6.5.3 Evaluación de la exposición 236 Prueba BOD: Limitantes y alternativas 200 6.5.4 Caracterización del riesgo 240 5.5.1 Ciclos de oxígeno y de carbono 201 5.5.2 Ciclo del nitrógeno 201 5.5.3 Ciclo del fósforo 203 5.5.4 Ciclo del azufre 203 Problemas más complicados con por lo menos dos rutas de exposición 248 6.6 6.6.1 Establecer estándares de calidad de agua con base en la exposición al tomar agua y comer pescado 249 6.6.2 Cómo determinar los estándares de limpieza de tierra admisibles que protegen las aguas subterráneas 250 Salud del ecosistema y bienestar público 204 5.6 5.6.1 5.6.2 Sustancias tóxicas y ecosistemas y salud humana 204 Términos clave 255 Capítulo Seis Problemas 256 Referencias 258 Biodiversidad y salud del ecosistema 208 Términos clave 211 Capítulo Cinco Problemas 212 Referencias 214 Capítulo Seis Riesgo ambiental 215 6.1 Riesgo y la ingeniería 216 6.2 Percepción de riesgo 219 6.3 Residuos peligrosos y químicos tóxicos 220 INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC ftoc.indd xvii Residuos peligrosos 221 6.5.1 Flujo de material en los ecosistemas 201 5.5 6.3.1 xvii Capítulo Siete Ingeniería Verde 259 7.1 ¿Qué es la “Ingeniería Verde”? 260 7.2 Diseño 261 7.3 Prevención de la contaminación, diseño para el ambiente, ecología industrial, sustentabilidad 264 7.4 Conceptos fundamentales 269 7.4.1 Inherencia 269 7.4.2 Ciclo de vida 270 ALFAOMEGA 8/30/11 2:15:14 PM xviii Contenido 7.4.3 Pensamiento sistémico 290 7.4.4 Resiliencia 292 7.4.5 Criterios de diseño 294 7.4.6 Productos contra servicios 294 7.4.7 Materiales y energía inherentemente benignos mediante la química verde 295 7.4.8 Eficiencia 297 7.4.9 Integración de flujos de energía y materiales locales 299 7.4.10 Diseño para el manejo del término de vida 299 7.5 Medición de la sustentabilidad 300 7.6 Políticas que regulan la ingeniería verde y la sustentabilidad 301 7.6.1 Reglamentos 301 7.6.2 Programas voluntarios 303 8.3.1 Estratificación térmica de lagos y reservas 319 8.3.2 Materia orgánica, estratificación térmica y agotamiento del oxígeno 321 8.3.3 Limitación de nutrientes y estado trófico 322 8.3.4 Gestión de ingeniería de lagos 324 Humedales 326 8.4 8.4.1 Tipos de humedales 327 8.4.2 Funciones de los humedales 328 8.4.3 Construcción de humedales 330 8.4.4 Humedales creados: una opción para la mitigación 331 Diseño de un futuro sustentable 305 7.7 Capítulo Siete Problemas 306 8.5.1 Azoteas verdes 333 Referencias 308 8.5.2 Pavimentos permeables (o porosos) 337 8.5.3 Celdas de bioretención 338 8.5.4 Bioswales (riachuelos urbanos) y otras técnicas de uso de suelo 342 8.5.5 Selección de vegetación 342 Capítulo Ocho Calidad del agua 8.1 Introducción 310 8.2 Calidad del agua de río 311 309 8.2.1 Oxígeno disuelto y BOD 311 8.2.2 Saturación de oxígeno 314 8.2.3 Déficit de oxígeno 315 8.2.4 Balance de masa del oxígeno 316 8.2.5 Curva de hundimiento y distancia crítica del oxígeno disuelto 317 ALFAOMEGA Desarrollo de bajo impacto 332 8.5 Términos clave 305 ftoc.indd xviii Calidad del agua de lagos y reservas 319 8.3 Calidad de las aguas subterráneas 343 8.6 8.6.1 Fuentes y características de los contaminantes de las aguas subterráneas 343 8.6.2 Destino y transporte de los contaminantes en el agua subterránea 344 INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC 8/30/11 2:15:14 PM Contenido 8.6.3 Estrategias de remediación de aguas subterráneas 348 9.5.1 Disposición del sistema 386 9.5.2 Velocidades de flujo de diseño y tamaño de las tuberías 387 9.5.3 Estaciones de bombeo y almacenamiento 389 Términos clave 348 Capítulo Ocho Problemas 350 xix Referencias 353 Términos clave 391 Capítulo Nueve Abastecimiento de agua, distribución y recolección de aguas residuales 354 9.1 Introducción 355 9.2 Disponibilidad del agua 358 9.3 Utilización del agua 358 9.3.1 Uso de agua en Estados Unidos de América 361 9.3.2 Suministro de agua pública 364 9.3.3 Reclamación y reutilización del agua 365 9.3.4 Escasez de agua 367 Demanda municipal de agua 368 9.4 9.5 9.4.1 Creación de modelos para estimar la demanda 368 9.4.2 Estimación del flujo de agua y de las aguas residuales 370 9.4.3 Flujos de tiempo variable y ciclos estacionales 372 9.4.4 Demanda de flujo de incendios y no contabilizada para el agua 377 Referencias 395 Capítulo Diez Tratamiento de aguas 396 10.1 Introducción 397 10.2 Características del agua no tratada 397 10.2.1 Características físicas 398 10.2.2 Constituyentes inorgánicos principales y menores 401 10.2.3 Principales constituyentes orgánicos 404 10.2.4 Constituyentes microbianos 405 10.3 Estándares de calidad del agua 407 10.4 Visión general de los procesos de tratamiento de aguas 408 10.5 Coagulación y floculación 408 10.5.1 Eliminación y estabilidad de partículas 410 10.5.2 Coagulantes químicos 410 10.5.3 Otras consideraciones 414 9.4.5 Flujos de clima húmedo para aguas residuales 379 10.6 Eliminación de la dureza del agua 418 9.4.6 Previsión de demanda 380 10.7 Sedimentación 422 Distribución de agua y sistemas de recolección de aguas residuales 385 INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC ftoc.indd xix Capítulo Nueve Problemas 392 10.7.1 Asentamiento discreto de partículas 422 ALFAOMEGA 8/30/11 2:15:14 PM Contenido xx 10.7.2 Eliminación de partículas durante la sedimentación 426 11.2 Características de las aguas residuales domésticas 463 10.7.3 Otros tipos de asentamientos 428 11.3 Visión general de los procesos de tratamientos 464 11.4 Tratamiento preliminar 466 10.8 Filtración 429 10.8.1 Tipos de filtración granular 429 11.4.1 Filtración 466 10.8.2 Características del material 431 11.4.2 Tanques desarenadores 467 11.4.3 Flotación 469 11.4.4 Ecualización 469 10.9 Desinfección 434 10.9.1 Métodos actuales de desinfección 434 10.9.2 Cinética de la desinfección 10.10 434 Procesos de membrana 443 10.10.1 Clasificación de los procesos de membrana 443 10.10.2 Materiales de membrana 444 10.10.3 Tipos y configuraciones de procesos de membrana 445 10.10.4 Selección y operación de membranas 446 10.10.5 Desempeño de la membrana 448 10.11 Adsorción 450 10.11.1 Tipos de procesos de adsorción 450 10.11.2 Tipos de adsorbentes 451 10.12 11.5 Tratamiento primario 473 11.6 Tratamiento secundario 475 11.6.1 11.7 ftoc.indd xx Biorreactores de membrana (MBR’S) 489 11.8 Reactores de crecimiento adjunto 492 11.9 Eliminación de nutrientes: nitrógeno y fósforo 493 11.9.1 Nitrógeno 494 11.9.2 Fósforo 497 11.10 Desinfección y aireación 498 11.11 Tratamiento y desecho del lodo 500 Uso de energía 453 11.11.1 Estabilización del lodo 501 Términos clave 454 11.11.2 Digestores 502 Capítulo Diez Problemas 456 11.11.3 Deshidratación 503 Referencias 459 11.11.4 Desecho 503 Capítulo Once Tratamiento de aguas residuales 460 ALFAOMEGA Modificaciones al proceso de lodo activado 489 11.7.1 11.12 11.1 Reactores de crecimiento suspendido: lodo activado 475 Introducción 461 Sistemas naturales de tratamiento 506 11.12.1 Estanques de estabilización 506 11.12.2 Humedales 508 INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC 8/30/11 2:15:14 PM Contenido 11.13 Uso de energía durante el tratamiento de aguas residuales 511 12.8 12.8.1 Ciclón 563 Capítulo Once Problemas 515 12.8.2 Lavadores 564 Referencias 517 12.8.3 Colector de bolsa filtrante 565 12.8.4 Precipitador electroestático 568 12.1 Introducción 519 12.2 Impactos y defensas en la salud humana 519 12.3 Transporte del aire 521 Términos clave 572 Capítulo Doce Problemas 573 Referencias 575 Capítulo Trece Manejo de desperdicios sólidos 576 12.3.1 Transporte global 521 12.3.2 Transporte regional 522 13.1 Introducción 577 12.3.3 Transporte local 522 13.2 12.3.4 Estabilidad del aire 524 Caracterización del desperdicio sólido 578 12.3.5 Aire de interiores 526 Contaminantes del aire 530 13.2.1 Fuentes de desperdicio sólido 579 13.2.2 12.4.1 Indicadores de contaminación 530 Cantidades de desperdicio sólido municipal 580 13.2.3 12.4.2 Contaminantes peligrosos del aire 537 Materiales en el desperdicio sólido municipal 581 13.2.4 12.4.3 Contaminantes del aire interior 539 Recolección de datos de caracterización de desperdicios sólidos 582 13.2.5 Caracterización física/química del desperdicio 585 13.2.6 Caracterización de residuos peligrosos 588 12.5 Emisiones 541 12.5.1 Clasificación de emisiones 541 12.5.2 Cálculo de emisiones 545 12.6 Control de emisiones del aire 550 12.7 Tecnologías de control de emisiones gaseosas 556 12.7.1 Oxidantes térmicos 556 12.7.2 Absorción 558 12.7.3 Biofiltros 559 INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC ftoc.indd xxi Tecnologías de control de emisiones de partículas 562 Términos clave 513 Capítulo Doce Ingeniería de recursos del aire 518 12.4 xxi 13.3 Componentes de los sistemas de desperdicios sólidos 592 13.3.1 Almacenamiento, recolección y transportación 592 13.3.2 Reciclaje y recuperación de materiales 594 ALFAOMEGA 8/30/11 2:15:15 PM Contenido xxii 13.3.3 Compostaje 597 13.3.4 Incineración 601 13.3.5 Relleno sanitario 604 14.5 13.3.6 Tecnologías de energía de desperdicios sólidos 617 Término de vida: deconstrucción, demolición, disposición 644 14.6 Dar el tamaño correcto a las construcciones 647 13.4 14.4.3 Conceptos del manejo 618 13.4.1 Consulta 619 13.4.2 Opciones de políticas 620 13.4.3 Estimación de costos 620 Términos clave 622 14.6.1 Uso de materiales en una casa 647 14.6.2 Eficiencia de energía y dar el tamaño correcto 647 14.7 Capítulo Trece Problemas 623 Referencias 625 Capítulo Catorce Entorno urbanístico 626 Materiales de construcción tradicionales 643 Eficiencia de energía: aislamiento, infiltración y paredes térmicas 649 14.7.1 Pérdida de calor en un edificio 650 14.8 Movilidad 656 14.9 Isla de calor urbano 663 14.10 14.1 Introducción 627 14.2 Diseño sensible al contexto 629 Planificación urbana, crecimiento inteligente y comunidades planificadas 667 14.3 Edificios 632 Términos clave 671 14.3.1 Diseño 633 Capítulo Catorce Problemas 672 14.3.2 Construcción 636 Referencias 674 14.3.3 Operación y mantenimiento 637 14.4 14.4.1 Agregados, liberaciones tóxicas, cemento, acero y vidriado 639 14.4.2 Análisis del flujo de materiales 641 ALFAOMEGA ftoc.indd xxii Materiales 639 Respuestas a los problemas seleccionados 675 Créditos fotográficos de inicio de capítulo 681 Índice 683 INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC 8/30/11 2:15:15 PM ca hp ap í ttuelro/ /One Uno Chapter Ingeniería Title y desarrollo sustentable turned line for chapter line James R. Mihelcic y Julie Beth Zimmerman James R. Mihelcic En este capítulo se define desarrollo & Juliey B. sustentable seZimmerman revisa la historia This chapter definitions of mundial de lapresents sustentabilidad de los sustainable development and a decenios pasados. Se revisan algureview of the global history of the nos temas emergentes que constitupast retos few decades on sustainability. yen y oportunidades para futuSeveral emerging related to ros ingenieros comoissues los relacionados population, urbanization, con población, urbanización,water, agua, energy, health, the built envienergía, salud y and la construcción del ronmentambiente. are reviewed that will pose medio challenges and opportunities for engineers in the future. Secciones principales 1.1 Antecedentes Major Sections 1.2 Definición de sustentabilidad 1.1 introduction and background 1.3 Temas que afectarán 1.2 ladefining prácticasustainability, de la ingeniería el futuro 1.3 enissues that will affect 1.4 1.4 in the Laengineering revolución practice sustentable upcoming decades, the sustainability revolution Objetivos de aprendizaje 1. Identificar diez temas ambientales emergentes que tengan relevancia Learning Objectives local y mundial. Identify ten emerging environmental issue that haveen a palabras del 2.1.Definir desarrollo sustentable e ingeniería sustentable localyand global significance. lector en palabras de otros. 3.2.Redefinir los problemas ingenieriles en un contexto equilibrado desde el Define sustainable development (and sustainable punto de vista social, y ambiental. engineering) in youreconómico own words and the words of others. 4.3.Relacionar Los límitesengineering del crecimiento, “La tragedia de los bienes Begin to re-define problems in a balanced comunes” y la definición de la capacidad de persistencia con el social, economic, and environmental context. sustentable. 4.desarrollo Relate the Limits to Growth, Tragedy of the Commons, and 5. Identificar las preocupaciones que enfrentan los ciudadanos de países the definition of carrying capacity to sustainable endevelopment. vías de desarrollo. 6.5.Resumir ocho “talk” Objetivos (MDG) ycountry, los If youlos could tode anDesarrollo engineerdel inMilenio a developed grupos de metas establecidas por la comunidad mundial. what would you say to them, presuming you were born into 7. Identificar los MDG que le interesan lector y analizar cómo and usted, en a developing country and youralcommunity’s health pros superity papel de puede esas metas. caused by areingeniero, threatened by contribuir the globala lograr climate changes 8. Relacionar cada unoCO2 de los ocho MDGgenerated con la práctica de la ingeniería. anthropogenic emissions primarily by devel 9. Identificar qué tipo deand riesgos ambientales existen las personas que oped countries a large number of para children in your viven en el die mundo en vías y cuál es su magnitud. country before the de agedesarrollo of 5. 10. 10.Analizar los problemas provocados por los motores mundiales de cambio (como población, urbanización, uso de suelo y clima) y las maneras en que la ingeniería puede ofrecer soluciones. 11. Definir desarrollo sustentable y explicar cómo se relaciona con temas como crecimiento de la población, urbanización, salud, saneamiento, escasez de agua, conflictos de agua, consumo de energía, clima, químicos tóxicos, uso de materiales y la construcción del medio ambiente. 12. Identificar recursos en Internet relacionados con temas mundiales de sustentabilidad, medio ambiente y salud. 13. Describir el contexto histórico de la revolución sustentable y de los cambios relacionados con el uso del vocabulario común. 1 c01.indd 1 8/30/11 3:28:54 PM 1.1 Antecedentes Los ingenieros juegan un papel crucial en el mejoramiento de los estándares de vida en el mundo entero. En consecuencia, los ingenieros tienen un impacto significativo en el progreso hacia un desarrollo sustentable. Federación Mundial de Organizaciones de Ingeniería (2002) El movimiento ambiental en Estados Unidos empezó a ganar terreno hacia finales de los años 1960 y principios de lo años 1970 con la creación de la Agencia de Protección Ambiental (EPA). En ella se consolidaron una gran variedad de investigaciones, monitoreos, establecimiento de parámetros y reforzamiento de actividades federales. Durante esos mismos decenios, el Congreso aprobó regulaciones ambientales clave como la ley nacional para la protección del ambiente (NEPA), la ley por un aire limpio, la ley para el control de la contaminación del agua y la ley para las especies en peligro de extinción. Estas leyes fueron diseñadas para atender flagrantes desafíos ambientales, como el del río Cuyahoga, que se incendió en 1969, y de vecindarios como el de Love Canal en las cataratas del Niágara en Nueva York, receptores de desechos tóxicos y sus subsecuentes problemas sanitarios. Aunque se han logrado enormes progresos al atender los insultos ambientales más significativos y manteniendo el crecimiento de la economía, los desafíos ambientales actuales son más sutiles y complicados. Implican claras conexiones entre las emisiones al aire, tierra y agua y provienen de fuentes muy distribuidas. Además, se comprenden más profundamente los nexos que existen entre la sociedad, la economía y el medio ambiente. En estos casos, hay que reconocer que las innovaciones científicas, tecnológicas y políticas son poderosas herramientas para avanzar en dichas áreas para beneficio mutuo. Recuadro / 1.1 Rachel Carson y el movimiento moderno ambientalista Rachel Carson en la montaña Hawk, Pennsylvania (foto tomada hacia 1945 por Shirley Briggs, cortesía de la colección Lear/Carson, Connecticut College). ALFAOMEGA c01.indd 2 Rachel Carson es considerada una de las líderes del movimiento moderno ambientalista. Nació 15 millas al noreste de Pittsburgh en 1907. Hizo estudios de grado y posgrado en ciencia y zoología, en un principio trabajó para la agencia gubernamental, que se convertiría en el Servicio de pesca y vida silvestre de Estados Unidos. Se destacó en su labor como mujer de ciencia al comunicar complejos con- ceptos científicos al público en general mediante un estilo de escritura claro y preciso. Escribió varios libros, entre ellos The Sea Around Us (El mar que nos rodea, publicado en 1951) y Silent Spring (Primavera silenciosa, publicado en 1962). Primavera silenciosa fue un éxito comercial poco después de su publicación. Capturó de manera dramática el hecho de que las aves canoras enfrentaban problemas de reproducción y muerte prematura que se asociaban con la manufactura y uso generalizado de químicos como el DDT, que se habían bioacumulado en sus cuerpecillos. Algunos historiadores creen que Primavera silenciosa fue el catalizador inicial que condujo a la creación del moderno movimiento ambientalista en Estados Unidos, incluyendo el establecimiento de la Agencia de Protección Ambiental de ese país. INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC 8/30/11 3:28:55 PM 1.1 Antecedentes Es a través de modernas innovaciones científicas, tecnológicas y de política que se puede mantener la prosperidad económica y, al mismo tiempo, mejorar la calidad de vida de los ciudadanos. Este objetivo de crear y mantener una sociedad próspera se debe lograr sin los impactos negativos que históricamente han dañado los recursos naturales, el medio ambiente y las comunidades. Ello requiere una nueva perspectiva y un renovado entendimiento de los daños ambientales que tradicionalmente se han asociado con el desarrollo. Como Albert Einstein decía, “no podemos resolver problemas usando el mismo tipo de pensamiento que empleamos cuando los creamos”. Mediante la conciencia de la sustentabilidad, que se define en la siguiente sección, se puede avanzar, a largo plazo y simultáneamente, en la sociedad, el medio ambiente y la economía para la prosperidad de futuras generaciones. En particular, los ingenieros tienen un papel único, porque producen un efecto directo en el diseño y desarrollo de productos, procesos y sistemas, así como en los sistemas naturales mediante la selección de los materiales, de los emplazamientos de sus proyectos y el destino de los productos de desecho. La población mundial excede los 6 mil millones y 80 millones de personas nacen cada año. El consumo de recursos per cápita también está a la alza. Por ejemplo, el ser humano se apropia de más de 25% de la energía solar, terrestre y acuática que los productores primarios (plantas y cianobacterias) capturan mediante la fotosíntesis. Con sólo duplicar dos veces más el impacto humano en los recursos naturales mundiales, a través de una combinación de aumento en la población y un crecimiento económico basado en el consumo de combustibles, traería como consecuencia que el ser humano utilizara 100% de la producción neta. Esta imposibilidad ecológica dejaría a los ecosistemas sin nada. Las consecuencias también tendrían implicaciones catastróficas para el ser humano debido a su arraigada dependencia de los ecosistemas para la prosperidad económica y la salud (Daly, 1986). Recuadro / 1.2 3 Leyes y regulaciones http://www.epa.gov/lawsRegs © Steve Geer/iStockphoto. La historia de cosas varias http://www.storyofstuff.com Tragedia de los comunes “La tragedia de los comunes” describe la relación en la que los individuos o las organizaciones consumen recursos compartidos (por ejemplo agua dulce, peces del océano) y luego regresan sus desechos a un recurso compartido (aire, tierra). De este modo, el individuo o la organización recibe todo el beneficio del recurso compartido, pero distribuye el costo entre todo aquel que también use dicho recurso. La tragedia se desata cuando cada individuo u organización falla porque, negligentemente, no reconoce que todos los demás están actuando del mismo modo. Es esta lógica la que ha conducido a la actual situación de la pesca oceánica, de la selva del Amazonas y el cambio climático mundial. En todos los casos, el comportamiento consumista de unos cuantos ha llevado a un impacto significativo para muchos y a la destrucción de la integridad de un recurso compartido. A medida que la población mundial y su consumo per cápita se incrementan, también aumenta la urgencia de tener ingenieros que protejan y estimulen el medio ambiente y las comunidades en donde reside la gente. Esto, sin embargo, representa numerosos desafíos para los ingenieros. El Programa de las Naciones Unidas para el Medio Ambiente, que se describe en la siguiente sección, enumera diez problemas ambientales existentes y emergentes (tabla 1.1). Los ingenieros están comprometidos, o pronto lo estarán, con el desarrollo de soluciones sustentables para todos estos problemas. INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC c01.indd 3 ALFAOMEGA 8/30/11 3:28:55 PM 4 Capítulo 1 Ingeniería y desarrollo sustentable Tabla / 1.1 Problemas ambientales existentes y emergentes 1. Globalización, comercio y desarrollo 2. Cómo enfrentar el cambio climático y la variabilidad 3. Crecimiento de megaciudades 4. Vulnerabilidad humana ante el cambio climático 5. Agotamiento y degradación del agua dulce 6. Degradación marina y de las costas 7. Crecimiento de la población 8. Aumento del consumo en los países en vías de desarrollo 9. Agotamiento de la biodiversidad 10. Bioseguridad FUENTE: Programa de las Naciones Unidas para el medio ambiente. 1.2 Definición de sustentabilidad Si usted busca en Google las palabras sustentabilidad, desarrollo sustentable e ingeniería sustentable obtendrá más de 300 definiciones. ¡Inténtelo! La abundancia de definiciones varias provoca que a algunos se les dificulte comprender el concepto de sustentabilidad. La ingeniería sustentable se define como el diseño de sistemas humanos e industriales que aseguren que el uso que hace la humanidad de los recursos y los ciclos naturales no lleven a disminuir la calidad de vida por causa de la pérdida de futuras oportunidades económicas, o bien, por el impacto adverso en las condiciones sociales, la salud humana y el medio ambiente. (Mihelcic et al., 2003) Perspectivas del medio ambiente global (GEO) http://www.unep.org/GEO ALFAOMEGA c01.indd 4 Bajo esta definición, la sustentabilidad requiere integrar los tres elementos de la línea triple principal (medio ambiente, economía, sociedad). La mayoría de las definiciones incorporan esta tripleta principal junto con el deseo de satisfacer las necesidades de generaciones actuales y futuras. La definición dada aquí, a diferencia de muchas publicadas sobre el tema de sustentabilidad, describe explícitamente el papel de los ingenieros al destacar el diseño de sistemas humanos. Durante varios decenios se han llevado a cabo en todo el mundo numerosas discusiones que han aportado contribuciones significativas al concepto de sustentabilidad. Los ingenieros deberían entender el contexto histórico de estas discusiones. Por ejemplo, es significativa la conferencia de las Naciones Unidas sobre el medio ambiente humano realizada en Estocolmo en 1972, porque por vez primera se añadió el medio ambiente a la lista de problemas mundiales. Como prueba, el Principio 1 de la Declaración de la conferencia de Estocolmo afirma que: INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC 8/30/11 3:28:56 PM 1.2 Definición de sustentabilidad 5 El hombre tiene el derecho fundamental a la libertad, a la igualdad, a condiciones de vida adecuadas y a un medio ambiente de calidad que le permita una vida digna y de bienestar, y él tiene la responsabilidad solemne de proteger y mejorar el medio ambiente para generaciones presentes y futuras. El principio 2 establece que: Los recursos naturales de la Tierra, incluidos aire, agua, tierra, flora y fauna y especialmente las muestras representativas de ecosistemas naturales deben salvaguardarse apropiadamente para el beneficio de generaciones presentes y futuras mediante una planeación y una administración cuidadosas. Discusión en clase ¿Cómo se asienta la disciplina de la ingeniería ambiental en estos dos principios? La conferencia de Estocolmo también arrojó como resultado la creación del Programa de las Naciones Unidas para el Medio Ambiente (UNEP). Visite www.unep.org para saber más acerca de esta organización y de los problemas ambientales. La misión de la UNEP es: Proveer liderazgo e impulsar las relaciones que cuiden el medio ambiente al inspirar, informar y permitir a las naciones y a las personas que mejoren su calidad de vida sin comprometer la de generaciones futuras. (www.unep.org) Adicionalmente, el Club de Roma, grupo de 30 individuos de diez países que se organizaron en 1968 para discutir el predicamento presente y futuro de la raza humana, publicó en 1972 un libro de gran influencia. La obra, Los límites del crecimiento (Meadows et al., 1972), advertía sobre las limitaciones de los recursos mundiales, y señalaba que podrían agotarse los recursos restantes para la industrialización del mundo en vías de desarrollo. En Los límites del crecimiento los autores emplearon modelos matemáticos para demostrar que “el modo básico en que se comporta el sistema mundial es un crecimiento exponencial de la población y del capital, seguido de un colapso”. La capacidad de persistencia es una manera de considerar las limitaciones de los recursos. La capacidad de persistencia se refiere al tamaño máximo o límite superior (por ejemplo, la biomasa) que se impone mediante la resistencia ambiental. Por su naturaleza, esta resistencia se relaciona con la disponibilidad de recursos renovables como la comida, y de recursos no renovables como el espacio, en la medida en que la biomasa se ve afectada por la reproducción, el crecimiento y la supervivencia. Una solución a los problemas ambientales del mundo es la utilización de los avances tecnológicos que resuelvan el problema de aquellos recursos que se agotan o que cada vez sean más difíciles de extraer. Sin embargo, como lo demuestra Los límites del crecimiento, en el pasado la sociedad ha “evolucionado en torno al principio de luchar contra los límites en lugar de aprender a vivir con ellos”. Esto se demuestra en la figura 1.1, que se refiere a la industria de las ballenas. Históricamente, el ser humano ha sido capaz de vivir dentro de un sistema de recursos finitos. No sólo tenía acceso a una cantidad relativamente grande de recursos y de tierra disponibles, sino que además tenía una población limitada que generaba un cantidad limitada de contaminantes. No obstante, el aumento en la población y la producción industrial que conllevan al incremento del consumo podrían hacer inviable esta tendencia histórica en la que el mundo puede moderar el impacto ambiental del ser humano en el largo plazo. INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC c01.indd 5 Discusión en clase En materia de crecimiento, ¿es mejor vivir dentro de determinados límites y aceptar ciertas restricciones en el consumo de combustibles? ALFAOMEGA 8/30/11 3:28:56 PM Capítulo 1 Ingeniería y desarrollo sustentable 6 Total de ballenas exterminadas en el mundo (miles) Cachalotes asesinados (miles) 65 45 35 25 1970 1965 1960 1955 15 5 1930 1970 1965 1960 1955 1950 1940 1945 1935 1938 1930 0 55 1950 Desde 1945 se asesinan cada vez más y más ballenas para producir… 1940 1945 ...y ahora se 20 caza al cachalote sin 15 limitaciones en 10 número, la locura más 1 reciente. 1935 1938 25 Producción mundial de aceite de ballena (millones de barriles) Rorcuales boreales asesinados (miles) 20 Cuando la disponibilidad de 15 las ballenas de aleta se colapsó, 10 se volcaron sobre los rorcuales boreales… 5 3 ...menos y menos aceite. 1 Ballenas de aleta o rorcuales asesinadas (miles) 10 1970 1965 1960 1955 1950 1.5 1970 1965 1.0 1960 1970 1965 1960 1955 1950 5 0 1955 10 2.0 1950 15 2.5 ...y más potentes… 1940 1945 20 Al principio, la industria ballenera mataba a las ballenas más grandes, las azules. Después de los años 1940, a medida que los inventarios descendían… 1935 1938 25 1930 35 30 1940 1945 1940 1945 1930 Velocidad promedio en caballos de fuerza de los botes balleneros (miles) Ballenas azules asesinadas (miles) 1935 1938 1935 1938 2 1970 1965 1960 1955 1950 1970 3 5 0 1940 1945 1965 6 Los botes balleneros 5 se han hecho más grandes... 4 ...prefirieron las 20 ballenas de aleta 15 o rorcuales. 1930 1960 7 25 1935 1938 1955 Tonelaje promedio bruto de los botes balleneros (cientos de toneladas) 30 1930 1950 1940 1945 1930 1935 1938 0 1970 1965 1960 1955 1950 1940 1945 1935 1938 0 1930 2 Producción promedio de un bote ballenero por día de trabajo (barriles de aceite de ballena) 150 130 ...pero su 110 eficiencia 90 se ha desplomado 70 1970 1965 1960 1955 1950 1945 1935 1938 1940 1930 50 30 Figura 1.1 Límites al crecimiento y a la tecnología de la industria ballenera. Mantener el crecimiento de un sistema limitado a través de los avances tecnológicos resultará finalmente en la extinción de las ballenas y de la industria ballenera. A medida que se destruyen las manadas de ballenas salvajes, encontrar supervivientes se ha hecho una tarea cada vez más difícil y que requiere de mayor esfuerzo. Mientras más ballenas grandes se exterminan, más se explotan las especies pequeñas a fin de mantener viva la industria. Sin límites en las especies, siempre se capturarán las ballenas grandes, cada vez que se les encuentre y dondequiera que estén. En consecuencia, las ballenas pequeñas subsidian la exterminación de las grandes. Adaptado de Payne, 1968. ALFAOMEGA c01.indd 6 INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC 8/30/11 3:28:56 PM 1.2 Definición de sustentabilidad Desarrollo sustentable y la doctrina de la custodia de los bienes comunes c01.indd 7 l.alfa ¿Qué relación se puede observar entre este argumento legal y la definición de desarrollo sustentable que propone la Comisión Brundtland? Investigue cómo se aplica la doctrina de la custodia de los bienes comunes al acceso que tiene el público a las aguas navegables y a las playas en algún estado estadounidense. ¿Cuál es el acceso que la ley garantiza a los pescadores, navegantes y usuarios de las playas? om ega.c .mx/h INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC Discusión en clase om En 1987, la Comisión mundial de las Naciones Unidas sobre el medio ambiente y desarrollo publicó Nuestro futuro común. Este libro también se conoce como el reporte de la Comisión Brundtland, en honor de Gro Brundtland, ex primer ministra de Noruega, quien presidió la comisión. Este prominente reporte no sólo adoptó el concepto de desarrollo sustentable sino que brindó el estímulo para la Conferencia de las Naciones Unidas para el medio ambiente y el desarrollo en 1992, conocida como la Cumbre de la Tierra. El reporte de la Comisión Brundtland definió desarrollo sustentable como “desarrollo que satisface las necesidades presentes sin comprometer la habilidad de satisfacer necesidades a futuro”. En 1992 la Cumbre de la Tierra, que se llevó a cabo en Río de Janeiro, Brasil, fue la primera conferencia global que abordó específicamente el medio ambiente. Además, por vez primera asoció los problemas del medio ambiente con los problemas económicos. Uno de los resultados de la cumbre de Río para el siglo xxi que no comprometía a las partes fue la Agenda 21, la cual establecía objetivos y recomendaciones relacionadas con los problemas ambientales, económicos y sociales. Más aún, se creó la Comisión de las Naciones Unidas para el desarrollo sustentable, cuya misión es verificar la implementación de la Agenda 21. El documento completo está disponible en el sitio web de la UNEP (www.unep.org). En la Cumbre mundial para el desarrollo sustentable de 2002 en Johannesburgo, Sudáfrica, los líderes del mundo reafirmaron los principios sobre el desarrollo sustentable adoptados diez años atrás en la Cumbre de la Tierra. También adoptaron los Objetivos de Desarrollo del Milenio (MDG) que se enumeran en la tabla 1.2. Los MDG constituyen una ambiciosa agenda que tiene el fin de reducir la pobreza y mejorarla calidad de vida con base en lo que los líderes del mundo acordaron en la Cumbre del Milenio, en septiembre de 2000. Para cada objetivo se han establecido una o más metas, que se habrán de alcanzar principalmente hacia el ua El Congreso, en reconocimiento del profundo impacto que la actividad humana tiene en la interrelación de todos los componentes del medio ambiente natural, particularmente la profunda influencia del crecimiento de población, de urbanización con altas concentraciones de población, la expansión industrial, la explotación de recursos y los crecientes avances tecnológicos, y en reconocimiento, además, de la importancia crítica de restaurar y mantener la calidad ambiental para el bienestar general y el desarrollo humano, declara que es política permanente del gobierno federal, en cooperación con los gobiernos estatales y locales, y otros grupos y organizaciones privadas implicados, el utilizar todos los medios y medidas viables, incluyendo ayuda financiera y asistencia técnica de manera planeada, para fomentar y promover el bienestar general, para crear y mantener condiciones bajo las cuales el hombre y la naturaleza puedan existir en armonía productiva y cumplir con los requerimientos sociales, económicos y de otro tipo, de generaciones de estadounidenses presentes y futuras. : / /v i r t Durante siglos, los recursos naturales que se encuentran bajo la custodia pública han estado disponibles y abiertos a la comunidades. La doctrina de la custodia de los bienes comunes, que cada estado adapta a su parecer, busca determinar los derechos en áreas en las que se desata un conflicto entre los usos público y privado de la propiedad. Por ejemplo, aplicada a los recursos acuíferos y de ingeniería ambiental, la doctrina de la custodia de los bienes comunes determinaría el equilibrio apropiado entre la utilización que hacen los sectores público y privado de las aguas navegables y de las playas. Los argumentos legales en torno a la doctrina de la custodia de los bienes comunes están relacionados con las definiciones de sustentabilidad. Por ejemplo, la sección 101 de la NEPA (42 U.S.C. § 4331) establece que: ttp Recuadro / 1.3 7 Objetivos de Desarrollo del Milenio Objetivos de Desarrollo del Milenio Puede visitar www.un.org para saber más acerca de los progresos que se han alcanzado en pos de la consecución de los MDG. ALFAOMEGA 8/30/11 3:28:56 PM Capítulo 1 Ingeniería y desarrollo sustentable 8 Tabla / 1.2 Objetivos de Desarrollo del Milenio (MDG) Los MDG constituyen una ambiciosa agenda asumida por la comunidad mundial para reducir la pobreza y mejorar la calidad de vida de las comunidades del mundo. Para saber más visite www.un.org/millenniumgoals/. Objetivo de Desarrollo del Milenio Antecedentes Ejemplos de las metas (de un total de 21 metas) 1. Erradicar la pobreza extrema y el hambre. Más de mil millones de personas aún viven con menos de un dólar diario. 1a) La mitad de la proporción de la gente que vive con menos de un dólar al día y aquella que sufre de hambrunas. 2. Educación primaria universal. La cifra de los niños que no van a la escuela asciende a 113 millones. 2a) Asegurarse de que todos los niños y las niñas completen la escuela primaria para 2015. 3. Igualdad entre los géneros y dar poder a las mujeres. Dos terceras partes de los analfabetos son mujeres y la tasa de empleo entre las mujeres es dos terceras partes que la de los hombres. 3a) Eliminar las disparidades entre sexos en la educación en todos los niveles para 2015. 4. Reducir la mortandad infantil. Cada año, cerca de 11 millones de niños pequeños mueren antes de su cumpleaños número 5, principalmente a causa de enfermedades que se pueden prevenir. 4a) Reducir en dos tercios la tasa de mortalidad en los niños menores de cinco años. 5. Mejorar la salud materna. En el mundo en vías de desarrollo, el riesgo de muerte por parto es una en 48. 5a) Reducir en tres cuartas partes la proporción de las mujeres que mueren durante el parto. 6. Combatir el VIH/sida, la malaria y otras enfermedades. Cuarenta millones de personas viven con VIH/sida, entre ellas 5 millones se infectaron en 2001. 6a y 6c ) Detener la diseminación del VIH/sida y la incidencia de la malaria y otras enfermedades importantes y comenzar a revertirlas. 7. Asegurar la sustentabilidad del medio ambiente. Más de mil millones de personas no tienen acceso a agua potable segura y más de 2 mil millones de personas no cuentan con medidas de saneamiento. 7a) Integrar los principios del desarrollo sustentable a las políticas y los programas de los países y revertir la pérdida de los recursos ambientales. 7b) Reducir a la mitad la proporción de gente que no tiene acceso a una fuente segura de agua potable. 7c ) Lograr una mejoría significativa en la vida de al menos 100 millones de habitantes de los arrabales. 8. Desarrollar una sociedad mundial para el desarrollo. 8a) Reforzar el desarrollo de un sistema financiero y de comercio abierto, predecible, basado en reglas y que no sea discriminatorio. 8b) Atender las necesidades especiales de los países menos desarrollados. 8c) Atender las necesidades especiales de los países sin salida al mar y de las islas que constituyen estados en vías de desarrollo. 8d) Enfrentarse de manera integral a los problemas de deuda de los países en vías de desarrollo mediante medidas nacionales e internaciones que permitan que la deuda sea sostenible a largo plazo. 8e) En conjunto con las compañías farmacéuticas, proveer a los países en vías de desarrollo acceso viable a medicinas esenciales. 8f) En conjunto con el sector privado, hacer disponibles los beneficios de las nuevas tecnologías, especialmente la información y las comunicaciones. Fuente: www.org/millenniumgoals/. ALFAOMEGA c01.indd 8 INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC 8/30/11 3:28:56 PM 1.3 Problemas que afectarán la práctica de la ingeniería en el futuro 9 2015, usando como referencia el año 1990. En la actualidad, es incierto el compromiso respecto a estos nobles objetivos de largo alcance, así como su seguimiento, que incluye capital financiero y humano. No obstante, los ocho MDG considerados como objetivos políticos presentan la visión de un mundo mejor que puede servir como guía para la práctica de la ingeniería y para sus innovaciones durante varias décadas por venir. Representan compromisos para reducir la pobreza y las hambrunas, y para contrarrestar la deficiencia en materia de salud, la inequidad entre sexos, la falta de acceso al agua potable y la degradación ambiental. Son un buen ejemplo del enlace entre política e ingeniería; la política puede conducir a la innovación en ingeniería y los recientes avances ingenieriles pueden alentar el desarrollo de políticas que contengan estándares avanzados que redefinan la idea de “las mejores tecnologías disponibles”. 1.3 Problemas que afectarán la práctica de la ingeniería en el futuro Como se señaló en la sección anterior, durante los últimos 40 años se ha incrementado la atención a la sustentabilidad global, amén de un creciente consenso de que el mundo enfrenta serios desafíos en materia de desarrollo económico a largo plazo, prosperidad de las sociedades y protección del medio ambiente. Estos retos se desprenden de actuales enfoques científicos, técnicos y políticos, así como del comportamiento de los individuos, las comunidades, las corporaciones y el gobierno. En el continuo debate sobre los más importantes desafíos para la sustentabilidad, los problemas clave y las soluciones más interesantes involucran a aquellos sistemas de ingeniería que abordan la calidad del agua y del aire, clima, saneamiento, administración de desechos, salud, energía, producción de alimentos, químicos y materiales, así como la construcción del medio ambiente. Estos problemas constituyen retos locales y globales que de manera única afectan a las comunidades de todo el mundo, las cuales están íntimamente relacionadas por su población y datos demográficos. Su solución requerirá un enfoque integral que combine tecnología, gobernabilidad y economía. Con la comprensión de estos problemas mayores, el diseño de la ingeniería actual puede participar de manera más efectiva en el avance en pos de la sustentabilidad local, regional y global. Esta sección brinda un panorama de algunos desafíos que los ingenieros encararán en este siglo. ua ttp : / /v i r t c01.indd 9 ega.c .mx/h INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC om om Se espera que la población mundial actual, de más de 6 mil millones, alcanzará los 9 mil o los diez mil millones durante este siglo (figura 1.2). Por mucho tiempo, el impacto del crecimiento poblacional se ha considerado como uno de los más grandes desafíos para la coexistencia tanto de las metas ambientales, económicas y sociales como para la creación de un futuro sustentable. También tiene un gran impacto en la forma en que se administran los recursos naturales y se diseñan e invierten en la ingeniería de infraestructura. La mayor parte del crecimiento poblacional ocurre en el mundo en vías de desarrollo, especialmente en las áreas urbanas, en tanto que se mantiene estancado, y en algunos casos en declive, en gran parte del mundo industrializado. Este patrón de crecimiento poblacional sugiere —entre las complejidades de las poblaciones en crecimiento que incluyen las tasas de natalidad y mor- l.alfa 1.3.1 POBLACIÓN Y URBANIZACIÓN Población ALFAOMEGA 8/30/11 3:28:56 PM 10 Capítulo 1 Ingeniería y desarrollo sustentable Figura 1.2 Población mundial (1750-2000) e incrementos proyectados para el 2150 Se atribuye el crecimiento de la población a los países industrializados o en vías de desarrollo. Por primera vez en la historia, la población urbana excede la población rural y se espera que la mayor parte del crecimiento poblacional del próximo siglo se sume a las urbes. Población humana (en miles de millones) Población total 10 8 22000 6.1 mil millones 6 Países en vías de desarrollo 4 2 Naciones Unidas, 2006. Recuadro / 1.4 2150 2100 2050 2000 1950 1900 1850 Países industrializados 1800 1750 0 Definición de países industrializados y países en vías de desarrollo Si bien no hay una definición única de país industrializado, el concepto generalmente aceptado abarca a los países que han alcanzado un alto nivel relativo de logros económicos mediante una producción avanzada, un incremento en el ingreso y en el consumo per cápita, así como la utilización continua de los recursos naturales y humanos. Se consideran países industrializados Japón, Canadá, Estados Unidos, Australia, Nueva Zelanda y la mayoría de los países del norte y el oeste de Europa. Un país en vías de desarrollo es aquel que no ha alcanzado un estado de desarrollo económico que se caracterice por el crecimiento de la industrialización. En los países en vías de desarrollo, el ingreso nacional es menor que la cantidad de dinero necesario para la infraestructura básica y los servicios, lo que conduce a un bajo nivel de vida relativo, una industria base subdesarrollada y un ingreso per cápita por debajo de los parámetros. talidad, presiones sociopolíticas, acceso a los cuidados de salud y educación, equidad de los sexos y normas culturales— una correlación empírica entre la tasa de crecimiento poblacional y los niveles de desarrollo económico, que en muchas ocasiones equivale con la calidad de vida. Esta relación significaría que es posible cumplir con los desafíos de estabilizar el crecimiento poblacional y el avance en el objetivo de la sustentabilidad mediante el mejoramiento de la calidad de vida y la expansión del desarrollo equitativo y por tanto sustentable. Sin embargo, desde el punto de vista histórico, los incremento en el desarrollo y en la calidad de vida han estado intrincadamente ligados al consumo y asociados con el agotamiento de los recursos y la degradación ambiental. Una cantidad significativa de pruebas señala que un incremento en la población humana provoca un mayor laceramiento de los recursos naturales, al mismo ritmo en que la sociedad desarrolla su infraestructura. La comunidad de ingenieros tiene la oportunidad de continuar el desarrollo y el fomento de la calidad de vida a través de la protección y restauración de los ecosistemas, además de diseñar, desarrollar, implementar y mantener una infraestructura que no tenga consecuencias de degradación ambiental, consumo de recursos ni los efectos adversos e injustos en la sociedad, que se han venido dando en la historia. Uno de los problemas ambientales enumerados en la tabla 1.1 es el crecimiento de las megaciudades, proceso llamado urbanización. Por vez primera en la historia de la humanidad, la población urbana excede a la rural. De hecho, se espera que para el 2030, 61% de la población mundial viva en ALFAOMEGA c01.indd 10 INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC 8/30/11 3:28:56 PM 1.3 Problemas que afectarán la práctica de la ingeniería en el futuro 11 Tabla / 1.3 Distribución de la población mundial que no cuenta con suministro de agua segura ni saneamiento Región* % de la población que carece de suministro de agua segura % de la población que carece de saneamiento seguro 2000 población (en millones) Asia 19 52 3,683 África 38 40 784 Latinoamérica y el Caribe 15 22 519 Oceanía 12 7 30 Europa 4 8 729 * La cobertura en Estados Unidos y Canadá se aproxima a 100 por ciento. FUENTE: Datos de la OMS y del UNICEF, 2000. áreas urbanas. Es bien sabido que la urbanización es una de las fuentes de los problemas de salud. Por ejemplo, de 30 a 60 por ciento de la población urbana del mundo en vías de desarrollo carece de servicios de saneamiento y sistemas de drenaje y tuberías para agua potable. 1.3.2 SALUD La Organización Mundial de la Salud (WHO) (visite www.who.org) estima que la deficiente calidad ambiental contribuye en 25% con las enfermedades que se pueden prevenir en el mundo. Además, la OMS reporta que 900 millones de personas no tienen acceso a un suministro de agua segura como conexión desde la casa, tomas de agua públicas, pozos, aljibes, manantiales protegidos o recolección de agua de lluvia (tabla 1.3). (El agua embotellada no está considerada como un suministro de agua segura.) El acceso a un saneamiento adecuado es incluso peor: 2.5 mil millones de personas no tienen acceso a ningún tipo de equipo de saneamiento. Una de las consecuencias es el impacto ecológico devastador en las aguas superficiales que reciben el agua doméstica procesada en hogares y negocios, porque más de 90% de las aguas de desecho no se trata en los países en vías de desarrollo y 33% en los países industrializados (OMS, 1999). Lo anterior ha conducido a horribles consecuencias en las comunidades cuyo abastecimiento de agua se encuentra río abajo y para las comunidades que dependen de los ecosistemas acuáticos que son su forma de sustento económico. El contacto con el agua, el aire y los deshechos sólidos constituyen muchos de los vectores de transmisión de enfermedades, por ello los problemas de salud son críticos para la profesión de la ingeniería ambiental. Tal y como lo señala la OMS, la salud se encuentra estrechamente relacionada con el desarrollo sustentable: La salud es tanto un recurso como el resultado del desarrollo sustentable. No se podrán alcanzar los objetivos de un desarrollo sustentable cuando prevalecen enfermedades debilitantes y pobreza, y no se puede conservar la salud de la población sin un sistema de salud responsable y un medio ambiente saludable. La degradación ambiental, la mala adminis- INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC c01.indd 11 ALFAOMEGA 8/30/11 3:28:56 PM 12 Capítulo 1 Ingeniería y desarrollo sustentable Cambio climático mundial Figura 1.3 Riesgo ambiental y pérdidas económicas causadas por los días de incapacidad Datos de Ezzati et al, 2004. Polución del aire en las urbes Exposición al plomo 5% Agua, saneamiento e higiene no seguros 5% 11% 46% Polución del aire 33% en interiores derivada del uso de combustibles sólidos tración de los recursos naturales, los estilos de vida y los patrones de consumo inseguros impactan la salud. Una salud que se enferma obstaculiza el alivio de la pobreza y el desarrollo económico (OMS, 2005). El VIH/sida, la tuberculosis y la malaria se encuentran entre los más grandes asesinos mundiales. Por separado representan uno de los mayores impactos en las naciones en vías de desarrollo, pero su manera de interactuar hacen que su efecto combinado sea aún mucho peor y que sea una carga económica enorme para las familias y las comunidades, especialmente en aquellas cuyo sustento económico depende de una buena salud (UNESA, 2004). La figura 1.3 muestra los tipos de riesgo ambiental que conducen a grandes pérdidas económicas a causa de los días de incapacidad en la vida de una persona. Gran parte de la carga es el riesgo que asume la gente que vive en el mundo en vías de desarrollo. Observe que casi la mitad del riesgo está vinculado a las fallas en el acceso al agua y saneamiento, y gran parte de la otra mitad se debe a la exposición a la contaminación del aire en interiores o en el exterior. La OMS (2004) explica que los problemas de salud se convierten en problemas económicos: Para la gente que vive en la pobreza, las enfermedades y las incapacidades para laborar se traducen directamente en una pérdida del ingreso económico. Esto puede ser devastador para los individuos y sus familias cuyo ingreso económico depende de su salud. Los efectos de una salud deficiente tienen ramificaciones significativas también a escala macroeconómica. Por ejemplo, se atribuye una fracción importante del déficit económico de África a las problemáticas del clima y de las enfermedades. La degradación ambiental puede tener un efecto aún más directo en los ingresos económicos de un hogar. Los ingresos que se derivan de los ecosistemas, es decir, los ingresos ambientales representan “un peldaño en la adquisición de poder económico para la gente pobre del medio rural” (WRI, 2005). Este “capital natural” que el medio ambiente provee constituye los valores bursátiles que dan rendimientos en el flujo de los recursos naturales. ALFAOMEGA c01.indd 12 INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC 8/30/11 3:28:56 PM 1.3 Problemas que afectarán la práctica de la ingeniería en el futuro 13 Dichos recursos pueden ser renovables (por ejemplo, los peces o los árboles) o no renovables (como el petróleo). El capital natural no renovable puede agotarse, en tanto que al capital natural renovable se le puede permitir regenerarse por sí mismo, o bien, se le puede cultivar con capital humano como estanques de peces, manadas de ganado y plantaciones forestales. 1.3.3 ESCASEZ DE AGUA, CONFLICTO Y RESOLUCIÓN La escasez de agua es una situación en la cual no hay agua suficiente para satisfacer los requerimientos humanos normales. Quizá la definición que mejor visualiza el acceso razonable a una fuente de suministro de agua para los requerimiento humanos normales sea la de la Organización Mundial de la Salud: la disponibilidad de al menos 20 litros per cápita por día de una fuente que se encuentre a 1 km de la residencia del usuario. La figura 1.4 describe algo que ocurre diariamente en el mundo en vías de desarrollo: niños pequeños que recolectan agua de una fuente localizada lejos de su hogar. Se considera que un país atraviesa por insuficiencia de agua cuando su suministro anual de agua desciende por debajo de los 1 700 m3 por persona. Cuando el abastecimiento anual de agua desciende por debajo de los 1 000 m3 por persona, se considera que el país sufre de escasez de agua. Según esta medida, casi dos mil millones de personas padecen actualmente de una grave escasez de agua. Más aún, se espera que mil millones de personas enfrentarán escasez de agua en el año 2025, 20% de la cual estará asociada con efectos directos de cambio en el clima. (Vörösmarty et al. 2000). La figura 1.5 muestra los países que en la actualidad padecen insuficiencia o escasez de agua. Para el año 2025, más países enfrentarán escasez de agua (Figura 1.5). En los mapas se miden los índices de la deficiencia de agua como la proporción de la disminución del agua respecto del total de los recursos renovables. Es una proporción crítica que implica que la escasez de agua depende de la variabilidad de recursos. La escasez de agua causa un Figura 1.4 Actividad diaria de recolección de agua que se ve en gran parte del mundo (Foto cortesía de James R. Mihelcic) 1995 2025 Disminución del agua como porcentaje del total de agua disponible Más de 40% 20% – 10% 40% – 20% Menos de 10% Figura 1.5 Países que enfrentarán insuficiencia o escasez de agua, 1995 y 2020 (proyección) Datos de la Organización Meteorológica Mundial, figura adaptada del Programa de las Naciones Unidas para el Medio Ambiente, 2007. INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC c01.indd 13 ALFAOMEGA 8/30/11 3:28:56 PM 14 (%) 100 90 80 70 Capítulo 1 Ingeniería y desarrollo sustentable Conflicto Cooperación Otros Otros Calidad del agua Infraestructura (presas, canales, etc.) 60 Producción de energía con agua Calidad del agua 50 Infraestructura (presas, canales, etc.) 40 30 Administración conjunta Cantidad de agua Cantidad de agua 20 10 0 Figura 1.6 En materia de agua, ¿cooperación o conflicto? Se muestran los porcentajes de eventos que hubo por causa de un conflicto de agua, o bien que condujeron a una cooperación en materia de agua (Rediseñado con autorización de UNEP/GRID-Arendal, ¿Cooperación o conflicto en materia de agua?, UNEP/GRID-Arendal Maps and Graphics Library, http://maps.grida.no/ go/graphic/water-cooperation-or conflict). Discusión en clase Investigue un conflicto en materia de agua específico que se haya suscitado en su región o en el mundo y discútalo. ¿Qué tan limpia es la energía que utiliza? http://www.epa.gov/cleanenergy ALFAOMEGA c01.indd 14 deterioro de los recursos de agua dulce en términos de cantidad (sobreexplotación de los mantos freáticos, que se sequen los ríos, etc.) y de calidad (polución con materia orgánica, eutrofización, intrusión de agua de mar, etc.). Se espera que en el futuro el agua sea una fuente de tensión y de cooperación. Lo anterior debido a que dos o más países comparten más de 215 de los ríos más importantes y 300 mantos freáticos acuíferos. La Organización para la Cooperación y el Desarrollo Económico (OCDE) está constituida por 30 países miembros. El Comité para la Asistencia al Desarrollo de la OCDE escribe que “las tensiones relacionadas con el agua pueden surgir a escalas geográficas varias. La comunidad internacional puede ayudar con los factores que determinan si estas tensiones conducirán a un conflicto violento. El agua también puede ser el foco de medidas que mejoren la confianza y la cooperación”. El siguiente sitio web registra una crónica de los conflictos relacionados con el agua desde 3000 a.C. (http://www.worldwater.org/conflictchronology.pdf). La historia muestra que la mayoría de los conflictos relacionados con el agua se resuelven de manera pacífica. De hecho, se han registrado 507 conflictos cuyo centro es el agua y 1 228 casos en que ha habido cooperación en materia de agua. Sin embargo, hay menos de 40 reportes de violencia en torno al agua. Esto muestra que el conflicto del agua quizá no es tan sensacionalista como lo han popularizado películas como Chinatown y libros como Cadillac Desert. La figura 1.6 muestra los acontecimientos específicos en los cuales el agua ha sido el móvil de conflicto o de cooperación. Como se aprecia en esta figura, la mayoría de los acontecimientos asociados con conflictos o actos de cooperación en torno al agua tienen relación con cambios en la cantidad del flujo del agua y en el diseño y construcción de infraestructura como presas y canales. Un reto más es hallar soluciones económicamente sustentables para los problemas de infraestructura para el agua. Se estima que la diferencia de base entre los actuales niveles de inversión en agua y la infraestructura para su deshecho, y los niveles que se necesitan, es equivalente y cuesta cientos de miles de millones de dólares. UN-Habitat calcula que el costo de los Objetivos de Desarrollo del Milenio, Meta 11, que consiste en mejorar la vida de al menos 100 millones de personas que viven en los arrabales, asciende a $67 mil millones de dólares. Sin embargo, otros 400 millones de personas llegarán a los arrabales para el 2020. Esta gente requerirá unos $300 mil millones dólares adicionales si quieren tener acceso a los servicios básicos y a una vivienda digna. Uno de estos servicios básicos es el saneamiento, así como proveer una fuente de agua segura. 1.3.4 ENERGÍA Y CLIMA El consumo de energía en Estados Unidos se ha incrementado en todos los sectores y se proyecta que se incremente en el futuro (figura 1.7a). Los ingenieros son los que diseñan, construyen y administran gran parte del consumo de dicha energía (por ejemplo, transporte y edificios residenciales y comerciales). La figura 1.7b desglosa los combustibles que proveen electricidad en Estados Unidos, incluyendo ese pequeño porcentaje de energía que provee una actual, o futura, fuente estadounidense de energía renovable. La figura 1.8 ilustra el consumo de energía per cápita en Norteamérica, incluyendo Estados Unidos, Canadá y México) comparado con el resto del mundo desde 1980. En 2003, el consumo de energía per cápita fue aproximadamente cuatro veces mayor que el del resto del mundo. Esto demuestra INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC 8/30/11 3:28:57 PM 1.3 Problemas que afectarán la práctica de la ingeniería en el futuro a) Consumo de energía por sector, 1980-2030 (1024 BTU; 1 watt equivale aproximadamente a 3.4121 BTU) 40 Transporte 15 Figura 1.7 Consumo de energía y generación de electricidad en Estados Unidos, 1980-2003 De DOE, 2006. Industria 30 20 Hogares Negocios 10 0 1980 Histórico 1990 Proyectado 2005 2020 2030 b) Electricidad generada por combustibles, 1980-2030 (mil millones de kilowatt-hora) 4,000 Histórico Proyectado Carbón 3,000 2,000 Gas natural Energía nuclear Energía renovable Petróleo 1,000 0 1980 1990 2005 2020 2030 Millones de BTU por persona Norteamérica El resto del mundo INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC c01.indd 15 Figura 1.8 Consumo anual de energía per cápita en Norteamérica y el resto del mundo El consumo de energía de Norteamérica ha sido aproximadamente cuatro veces mayor que el del resto del mundo durante este periodo de 23 años. ALFAOMEGA 8/30/11 3:28:57 PM Capítulo 1 Ingeniería y desarrollo sustentable l.alfa .mx/h ua ega.c om om ttp 16 Cambio climático mundial : / /v i r t Recuadro / 1.5 que los ingenieros deberían estar preocupados por las fuentes de energía y su uso en cada decisión que toman, especialmente en Estados Unidos. El consumo de energía es una razón por la cual las emisiones de gases de efecto invernadero causan cambios en el clima del mundo. La mayoría de estas emisiones están vinculadas con la quema de combustibles fósiles para producir energía, y en menor proporción con el uso de la tierra. El Panel Intergubernamental del Cambio Climático (IPCC) (co ganadores del Premio Nobel de la Paz 2007) fue establecido por la Organización Meteorológica Mundial y la UNEP para evaluar información científica, técnica y socioeconómica relacionada con una mejor comprensión del cambio climático (para más información, visite http://www.ipcc.ch/). Los más de 2 000 reconocidos científicos que integran el IPCC predicen para el próximo siglo un posible incremento en la temperatura que irá de los 2.4° C a los 6.4° C. Las consecuencias mundiales del calentamiento serán significativas. La figura 1.9 muestra cuáles son los impactos que se esperan en los ecosistemas, el agua, la comida, las zonas costeras y la salud, tal y como se relacionan con el incremento específico en la temperatura media mundial. No son sólo los ecosistemas y la vida silvestre los que dependen profundamente del clima, sino también la salud humana y la economía. El impacto del cambio climático variará según el lugar. Por ejemplo, se verán sumamente afectadas las islas que constituyen pequeñas naciones, algunas partes del mundo en vías de desarrollo y regiones geográficas particulares de Estados Unidos. Algunas industrias resultarán más afectadas que otras. Los sectores económicos que dependen de la agricultura tendrán dificultades debido a la creciente variabilidad en los patrones del clima, y las aseguradoras lucharán para responder a un mayor número de eventualidades catastróficas relacionadas con el mal tiempo. Clima y salud El cambio climático también tiene una relación con la salud humana. Se ha documentado la relación entre incrementos de temperatura y morbilidad y mortalidad. Los vectores de transmisión comunes en enfermedades como la malaria y el dengue son sensibles a la temperatura. El impacto que causan en la salud y la infraestructura eventualidades extremas como inundaciones y huracanes, aunadas al cambio climático, es enorme. También podría aumentar la polución del aire en interiores causada por esporas y moho. Para más información, visite el sitio web de la Organización Mundial de la Salud en www.who.int/en. En Estados Unidos existe un amplio espectro de condiciones climáticas con las que los ingenieros han trabajado por siglos. Por ejemplo, es bien sabido que el suroeste es seco y que el noreste es más húmedo. Estas variaciones en el clima han tenido influencia en las decisiones de los ingenieros en términos de suministro y uso del agua, lo que resulta en una infraestructura fija y manejable que estuvo basada en las mejores prácticas de su tiempo, pero que ahora lucha por cumplir con las demandas actuales. Los 54 000 sistemas de agua potable de ese país requieren de inversión pública durante los próximos 20 años. Aunque Estados Unidos gasta miles de millones de dólares anuales en infraestructura, a fin de cumplir con las actuales regulaciones federales en materia de agua y con las futuras, el agua potable enfrenta un déficit de al menos $11 mil millones de dólares para reemplazar las viejas instalaciones que están por volverse obsoletas. ALFAOMEGA c01.indd 16 INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC 8/30/11 3:28:58 PM 1.3 Problemas que afectarán la práctica de la ingeniería en el futuro 17 Figura 1.9 Incremento en la disponibilidad de agua en los trópicos y en altas latitudes AGUA Descenso de la disponibilidad de agua y aumento de las sequías en latitudes medias, bajas y semiáridas Cientos de millones de personas expuestas a una mayor escasez de agua Hasta 30% de las especies verán aumentado su riesgo de extinción Mayor blanqueamiento de los corales Extinciones significativas en todo el mundo La mayoría de los corales blanqueados Se difunde la mortalidad de los corales La biosfera terrestre tiende hacia una fuente neta de carbón: ~15% ~40% de los ecosistemas afectados ECOSISTEMAS El rango de las especies varía y se incrementa, al igual que el riesgo de incendios fuera de control Cambios en los ecosistemas debidos a un debilitamiento de la cinta transportadora oceánica Impactos negativos, complejos y localizados en los almacenes pequeños, entre los agricultores de productos básicos y los pescadores COMIDA La productividad de los cereales tiende a descender en bajas latitudes La productividad de todos los cereales desciende en bajas latitudes Algunos cereales presentan la tendencia a incrementar su productividad en latitudes mediana y altas La productividad del cereal desciende en algunas regiones El daño que causan las inundaciones y las tormentas se incrementa Cerca de 30% de los litorales del mundo se pierde COSTAS Más millones de personas podrían sufrir de inundaciones anuales en las costas. Pronóstico de los cambios derivados del cambio climático Los efectos y el alcance de su impacto dependerán de la magnitud de los incrementos de la temperatura. Con autorización del Panel Intergubernamental para el Cambio Climático, Cambio Climático 2007: Impactos, adaptación y vulnerabilidad, Sumario de los diseñadores de políticas, Tabla SPM.2, 2007. Las problemáticas relacionadas con la desnutrición y las enfermedades diarreicas, cardiorrespiratorias e infecciosas representan una carga Aumento en la morbilidad y la mortalidad debido a olas de calor, inundaciones y sequías SALUD Cambios en la distribución de algunos vectores de transmisión de enfermedades Los servicios de salud presentan un incremento sustancial en su carga de trabajo La temperatura media anual del mundo presenta un cambio relativo de 1980-1999 (°C) Este déficit no toma en cuenta cualquier aumento en la demanda del agua potable para los próximos 20 años (ASCE, 2005). A medida que cambian el clima, la población y la demografía en el futuro, los ingenieros no sólo deben incorporar los avances tecnológicos para reducir el uso de energía y de agua, sino que también tienen que echar mano de las fuentes renovables de energía y materiales. Para diseñar la infraestructura, los ingenieros deben anticipar el crecimiento futuro, el comportamiento de la sociedad y otros factores que afectan la demanda durante la vida útil de los proyectos. Recuadro / 1.6 c01.indd 17 http://www.who.int/whr/en/index.html La solución de 2 por ciento Algunos científicos afirman que se pueden disminuir los impactos más peligrosos del calentamiento global si se reducen las emisiones totales en 80% para el año 2050. Puede parecer mucho, pero tan sólo requeriría que todos redujeran sus emisiones de bióxido de carbono en 2% INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC Lea el Informe sobre la salud en el mundo anual a partir de ahora y hasta el 2050. Si busca en Internet palabras clave como dos por ciento y cambio climático, encontrará información sobre cómo implementar reducciones voluntarias y ser parte de la solución del 2 por ciento. ALFAOMEGA 8/30/11 3:28:58 PM 18 Capítulo 1 Ingeniería y desarrollo sustentable 1.3.5 QUÍMICOS TÓXICOS Y RECURSOS FINITOS El uso, generación y desecho de los químicos tóxicos en el medio ambiente sigue siendo un problema mundial. Tan solo en Estados Unidos en el 2004, la industria emitió más de 4 mil millones de libras de químicos tóxicos al aire, a la tierra y al agua, se sabe que 72 millones de dichas libras incluían cancerígenos, según el Inventario de Emisión de Tóxicos de la EPA. Otros serios problemas mundiales son los contaminantes orgánicos persistentes (POP) y otros químicos tóxicos, entre ellos los disruptores endocrinos. A medida que estos químicos circulan a través de los sistemas de la naturaleza y del ser humano, constituyen un riesgo significativo a las funciones de los ecosistemas y la salud humana, ya que el ser humano se ve expuesto a estos químicos al respirar, beber agua y comer. Se trata de algo especialmente importante en fracciones susceptibles de la población como los niños, las mujeres embarazadas y la gente de edad avanzada. Los ingenieros juegan un papel significativo en la reducción de los riesgos asociados con el uso y generación de estos químicos. Idealmente, pueden contribuir si el diseño de sus productos, procesos y sistemas no incluyen estos químicos en su producción, reparación, operación y mantenimiento. Otra importante y posible aportación de los ingenieros es la de comprender el destino y el transporte de estos químicos, de manera que se pueda eliminar o minimizar el daño que causan a los sistemas de la naturaleza y la exposición al ser humano. En cuanto a los materiales, otra preocupación más allá de su toxicidad es la actual dependencia del ser humano en los recursos no renovables, la cual muy probablemente crecerá a medida que crece la población. Un recurso renovable es cualquier recurso natural que se consume a una tasa menor de la que se regenera, o bien, que es difícil de agotar en un futuro razonable. A fin de que la actual población del planeta pueda vivir con la misma calidad de vida de Estados Unidos, se requerirían los recursos de cuatro planetas Tierra. (Rees, 2006). Los ingenieros pueden contribuir de varias maneras a cumplir con este desafío. Primero, al incorporar los recursos renovables a los diseños y especificaciones. Segundo, al diseñar productos, procesos y sistemas para materiales de alta eficiencia, lo que reduce la cantidad de material que ha de adquirirse, manufacturarse y finalmente desecharse. Hay también oportunidades significativas de mejorar la actual eficiencia de los materiales. En ciertos análisis recientes se ha encontrado que 94% de las materias primas que se utilizan en procesos de manufactura terminan como deshecho. Además, 99% de los materiales originales que contienen los productos estadounidenses, o que se han utilizado en su producción, se convierte en desecho a las seis semanas de la venta (Lovins, 1997). La mayoría de estos materiales de deshecho provienen de fuentes no renovables, particularmente del petróleo, lo que se suma a los efectos en la salud y el medio ambiente del ser humano. 1.3.6 FLUJO DE MATERIALES Y LA CONSTRUCCIÓN DEL MEDIO AMBIENTE Se lleva a cabo una construcción del medio ambiente para tener donde vivir, trabajar, comerciar, estudiar y jugar. Se refiere a todo lo construido: edificios, caminos, puentes y puertos. Mientras que sólo de 2 a 3 por ciento del área terrestre de Estados Unidos está construida, aproximadamente 60% de esta área terrestre se ve ahora afectada por la construcción del medio ambiente (UNEP, 2002). ALFAOMEGA c01.indd 18 INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC 8/30/11 3:28:58 PM 1.3 Problemas que afectarán la práctica de la ingeniería en el futuro 19 Flujo de materia prima de Estados Unidos en millones de toneladas métricas Figura 1.10 Flujo de materia prima Crisis del Recesión petróleo Segunda Guerra Gran Depresión Mundial Primera Guerra Mundial Grava, arena y gravilla Materiales orgánicos Metales Metales no renovables primarios reciclados Productos forestales y de la agricultura Minerales industriales en Estados Unidos por peso, 1900-1998 El uso de materia prima ha tenido un vasto incremento en el siglo xx y gran parte de ella se usa en la profesión de la ingeniería a manera de conglomerados, cemento (que está incluido en los minerales industriales) y como refuerzos de acero (que se encuentran en los metales primarios) Según U.S. Geological Survey, Wagner, 2002. La construcción del medio ambiente también requiere una cantidad tremenda de agua, energía y recursos naturales para su edificación y operación. Un análisis del flujo de materiales en Estados Unidos (figura 1.10) muestra que aproximadamente 85% del flujo de materiales en ese país por peso, está asociado a elementos como conglomerados, cemento, refuerzos de acero y madera; materiales que se incorporan a la infraestructura ingenieril. (Observe que no se incluye el agua en este análisis, pero si se hiciera, sería el único material con el mayor flujo.) Se usan los conglomerados en cimentos y en la producción de hormigón, el cual se hace de cemento, arena, grava y agua. Los materiales industriales también comprenden el cemento Portland y los muros de tablaroca que se usan en la construcción residencial y comercial. La energía gris —la cantidad de energía que se requiere en todas las etapas del ciclo de vida desde la adquisición de la materia prima, manufactura, uso y fin de vida útil— del hormigón tiene un impacto significativo en los actuales flujos de energía estadounidense (tabla 1.4). La transportación de los conglomerados y del hormigón hasta los lugares de construcción asciende a más de 10% del total de la energía gris. Además, la producción de 1 kg de cemento Portland resulta en la producción de aproximadamente 1 kg de CO2. Cuando si se toma en cuenta el fin de la vida útil de los materiales Tabla / 1.4 Energía gris asociada con los componentes del hormigón Material % material por peso % de energía gris Cemento 12 94 Arena 34 1.7 Grava 48 5.9 Agua 6 0 FUENTE: Horvarth, 2004, reproducido con autorización del Annual Review of Environment and Resources, volumen 29, © 2004 por Annual Reviews, www.annualreviews.org. INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC c01.indd 19 ALFAOMEGA 8/30/11 3:28:58 PM 20 Capítulo 1 Ingeniería y desarrollo sustentable Porcentaje de uso de suelo urbano e industrial en las cuencas hidrológicas Figura 1.11 Uso de suelo urbano e industrial en las cuencas de los ríos del mundo A lo largo de la costa este de Estados Unidos, Europa occidental y Japón se concentran litorales sumamente urbanizados. En las costas de China, India, Centroamérica, la mayor parte de Estados Unidos, Europa Occidental y el Golfo Pérsico es menor el uso de suelo con fines urbanos e industriales. (Reproducido con autorización del Instituto de Recursos Mundiales, 2000. Análisis piloto de los ecosistemas mundiales: sistemas de agua dulce. Instituto de Recursos Mundiales, Washington, D.C.). de ingeniería, los escombros producto de demoliciones y los residuos de construcción constituyen de 13 a 19 por ciento de los deshechos sólidos, la mitad de los cuales es hormigón (por volumen) y sólo se recicla de 20 a 30 por ciento de este material (Hovarth, 2004). La construcción del medio ambiente en las áreas urbanas también afecta el calentamiento local, cuyo término más preciso es isla de calor, así como la cantidad y calidad de agua que circula a través. La figura 1.11 muestra la intensidad del uso de suelo en el mundo. Se localizan muchos litorales sumamente urbanizados a lo largo de la costa este de Estados Unidos, y existe un uso igualmente intenso en Europa occidental y Japón. Hay concentraciones urbanas menos densas en el resto de Estados Unidos y en las zonas costeras de China, India, Centroamérica y el Golfo Pérsico. Estas áreas urbanas se construyeron mediante el cambio y reubicación de ríos, lagos, bosques y pantanos. Lo anterior ha tenido un gran impacto en la infiltración en las propiedades, en las tasas de transpiración y en el consecuente desgaste de estas zonas hidrológicas. Las superficies impermeables (que se abordan en los capítulos 8 al 14) que cubren los caminos incrementan no sólo el volumen, sino también la tasa a la cual se agota el agua. Lo anterior ha disminuido la recarga de los recursos freáticos, así como la calidad de las cuencas que la reciben. La pérdida de las zonas acuíferas en estas áreas ha exacerbado dichos efectos. La migración de los centros urbanos hacia desarrollos suburbanos de reciente creación también provoca problemas, se trata de un fenómeno conocido como “dispersión urbana descontrolada” o su término en inglés “sprawl”. Para desarrollarse y mantenerse, este tipo de crecimiento requiere energía y materiales significativos, provoca que las travesías diarias al trabajo sean mayores y que con frecuencia se hagan en automóviles personaALFAOMEGA c01.indd 20 INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC 8/30/11 3:28:58 PM 1.4 La revolución sustentable 21 les en lugar de transportes públicos, además, pueden contribuir a la fragmentación de de las comunidades, de los terrenos silvestres y del campo. Iniciativas como las de crecimiento inteligente o un nuevo urbanismo constituyen estrategias para mitigar las crecientes preocupaciones relacionadas con la dispersión urbana. Ambos enfoques hacia el desarrollo urbano se concentran en el diseño de comunidades que preservan las tierras naturales, protegen la calidad del agua y del aire y reusan la tierra ya desarrollada. Al diseñar el uso compartido de los vecindarios (residencial, comercial, oficinas y escuelas), las comunidades crean ambientes en donde los residentes pueden caminar o trasladarse en bicicleta, usar el transporte público y conducir su automóvil, con el objetivo de vivir y trabajar dentro de la misma comunidad. La alta calidad de vida de estas comunidades las hace económicamente competitivas, crea oportunidades de negocio y mejora la base tributaria local (EPA, 2007). 1.4 La revolución sustentable En el origen de la revolución sustentable se encuentran la sociedad y la comunidad de ingenieros; se trata de una de varias revoluciones que se han suscitado en los últimos 10 000 años y que han cambiado la manera en que el ser humano interactúa con los sistemas naturales. Las primeras dos revoluciones fueron la agrícola y la industrial, que tuvieron lugar a lo largo de muchos decenios y siglos. Aunque las presiones en el medio ambiente pueden ser mayores a causa de la población y la tecnología, cada vez se está más cerca del principio de una nueva revolución. Hace 10 000 años, cuando se originó la revolución agrícola, la población mundial ascendía a 10 millones. Hacia 1750 había crecido a aproximadamente 800 millones. Una sociedad basada en la agricultura no era necesariamente más productiva o eficiente. De hecho, algunos creían que era tan sólo la base para acomodar a una población creciente. Por ejemplo, la revolución agrícola dio como resultado comida de un menor valor nutrimental por acre; sin embargo, limitó los desafíos que representaban la vida y los campos silvestres. La revolución agrícola también impulsó conceptos acerca de la propiedad de la tierra como feudalismo, riqueza, estatus, comercio, dinero, poder, gremio, templo, ejército y ciudad (Meadows et al., 2004). Durante el relativamente corto periodo de la Revolución Industrial, la población mundial se incrementó en más de 6 mil millones. La Revolución Industrial trajo consigo maquinaria, capitalismo, caminos, ferrocarriles, combustión, chimeneas, fábricas y grandes áreas urbanas. Junto con la revolución agrícola, introdujo en el mundo los actuales y los emergentes problemas medioambientales que se enumeran en la tabla 1.2. La Revolución Industrial también aportó al vocabulario palabras que describen muchos desafíos medioambientales modernos y que ahora son de uso común. En la tabla 1.5 se enumeran algunos de esos vocablos. También se refieren los términos que se están haciendo de uso común durante la revolución sustentable. Los ingenieros pueden contribuir de manera significativa al éxito de la revolución sustentable mediante su potencial para diseñar y administrar el futuro con diseños innovadores y sustentables. Los ingenieros pueden jugar un papel significativo en el logro de un futuro sustentable si piensan más allá de las mejorías incrementales y consideran los saltos tecnológicos, si proveen servicios sin entidades físicas y si diseñan su ingeniería con ese propósito. Como se mencionó antes, Einstein dijo que se necesita un nuevo nivel de conciencia para crear soluciones, en este caso, para diseñar un mejor mañana. INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC c01.indd 21 iStockphoto. ALFAOMEGA 8/30/11 3:28:58 PM 22 Capítulo 1 Ingeniería y desarrollo sustentable Tabla / 1.5 Vocabulario de la Revolución Industrial y de la Revolución Sustentable Revolución Industrial Revolución Sustentable Energía no renovable Energía renovable Desperdicio Eficiencia Cambio climático Restauración ecológica Consumo Equidad de recursos Acumulación Justicia social y medioambiental Toxicidad, smog, contaminantes orgánicos persistentes, disruptores endocrinos Química verde Transportación Accesibilidad Canales hidráulicos de hormigón Desarrollos hídricos de bajo impacto con base en agua de lluvia y de tormenta Islas de calor como uno de los efectos urbanos Techos verdes Bioacumulación Biodiversidad Diseño industrial Diseño verde Producto interno bruto (PIB) Índice de bienestar económico sustentable, índice de sustentabilidad medioambiental, indicador de progreso genuino Términos clave • • • • • • • • • • • • • • • capacidad de persistencia Carson, Rachel clima Comisión Brundtland conflicto relacionado con el agua construcción del medio ambiente consumo consumo de energía contaminantes orgánicos persistentes (POP) crecimiento inteligente crecimiento poblacional desarrollo sustentable disruptores endocrinos doctrina de la custodia de los bienes comunes energía gris ALFAOMEGA c01.indd 22 • • • • • • • • • • • • • escasez de agua flujo de materiales fuente de suministro de agua gases de efecto invernadero ingeniería sustentable ingresos ambientales insuficiencia de agua isla de calor “La tragedia de los bienes comunes” Los límites del crecimiento nuevo urbanismo Objetivos de Desarrollo del Milenio (MDG) Organización Mundial de la Salud (WHO) • país en vías de desarrollo • país industrializado • Panel Intergubernamental del Cambio Climático (IPCC) • Programa de las Naciones Unidas • • • • • • • • • para el Medio Ambiente (UNEP) químicos tóxicos recurso no renovable recurso renovable revolución sustentable riesgo ambiental sustentabilidad línea triple principal urbanización uso de suelo INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC 8/30/11 3:28:58 PM c a p í t u l o / Uno 1.1 Identifique tres fuentes que den su definición de susten- 1.8 Investigue un problema del medio ambiente mundial tabilidad (por ejemplo, el gobierno local, estatal o federal; la industria, una organización medioambiental; un organismo internacional; un grupo financiero o de inversión). Compare y contraste estas tres definiciones con la de la Comisión Brundtland. ¿Cómo reflejan sus fuentes la definición? en el sitio web www.unep.org. ¿Cuál es el estado actual del recurso ambiental implicado en el problema? ¿Se ofrecen proyecciones futuras? ¿Cuáles? 1.2 Escriba su propia definición de desarrollo sustentable de manera que pueda aplicarse a su profesión de ingeniero. En dos o tres oraciones explique por qué es apropiada y cuál es su aplicación. 1.3 Imagine que usted ha nacido en un país en vías de desarrollo. La salud y la prosperidad de su comunidad están amenazadas por los cambios climáticos que causan las emisiones antropogénicas de CO2 que generan principalmente los países industrializados. La situación es extrema, al grado de que la gente de su comunidad no bautiza a sus hijos hasta que hayan pasado los 5 años, en vista de que es posible que mueran antes de esa edad. Si tuviera la oportunidad de hablar con un ingeniero de un país industrializado, ¿qué le diría? 1.4 Investigue el progreso que hayan alcanzado dos países de su elección en pos de los ocho Objetivos de Desarrollo del Milenio (MDG). Concentre los resultados en una tabla. Entre otras fuentes, puede consultar el sitio web de las Naciones Unidas www.un.org/millenniumgoals/ 1.5 Investigue dos ejemplos de contaminantes orgánicos persistentes (POP, por sus siglas en inglés), y escriba un párrafo corto que describa cada químico, sus usos y aplicaciones más comunes y sus efectos, conocidos y supuestos, en la salud humana y en el medio ambiente. ¿Cuáles son los problemas económicos, sociológicos y medioambientales que se relacionan en estos químicos? 1.6 Dibuje una gráfica que muestre la población mundial en el eje y (desde 1960) y, en el eje x, una línea del tiempo que identifique las más importantes conferencia mundiales relacionadas con el medio ambiente y la sustentabilidad. Indique cualquier evento mundial importante (por ejemplo, desastre, guerra, hambruna) que haya contribuido a la pérdida de atributos sociales o medioambientales que usted personalmente valore. 1.7 Piense cómo se relaciona “La tragedia de los bienes comunes” con un problema medioambiental local. Sea específico: a qué se refiere con el término “bienes comunes” en este ejemplo en particular, y sea cuidadoso al explicar cómo generaciones presentes y futuras verán deteriorados dichos “bienes comunes”. INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC c01.indd 23 Problemas 1.9 En el sitio web de UNEP hay numerosas gráficas que describen problemas medioambientales de escala mundial. Elija una gráfica y relaciónela con uno de los problemas analizados en la sección 1.3. Reproduzca esta gráfica y comente cómo este problema específico afecta a diferentes regiones del mundo (Norteamérica, Centroamérica y el Caribe, Sudamérica, Europa, Asia, Oceanía). ¿De qué manera dificultades como el crecimiento poblacional, urbanización, cambio climático afectarán (negativa o positivamente) este problema a futuro? Presente una solución sustentable que incluya un equilibrio entre lo social, medioambiental y económico. 1.10 Investigue el sitio web de la Organización Mundial de la Salud (www.who.org) y escriba un ensayo de una cuartilla acerca de cómo se relaciona la salud con la sustentabilidad. Dé ejemplos específicos. 1.11 Familiarícese con el sitio web del Panel Intergubernamental para el Cambio Climático (www.ipcc.ch/). Escriba un ensayo de una cuartilla sobre cómo los cambios en el clima pueden afectar a futuro dos aspectos de su profesión como ingeniero. 1.12 Investigue un conflicto relacionado con el agua dentro y fuera de su país. ¿Qué similitudes y diferencias encuentra entre ambos? 1.13 Identifique un litoral cercano que atraviese fronteras estatales o nacionales. ¿Cuáles son los conflictos potenciales relacionados con este litoral compartido? Identifique al menos tres representantes legales implicados. 1.14 Visite el sitio web del Departamento de Energía de Estados Unidos (www.doe.gov) e investigue los consumos de energía del sector doméstico, comercial, industrial y de transporte. Haga una tabla que relacione este consumo específico de energía con el porcentaje de emisiones de CO2 de Estados Unidos y del mundo. Identifique una solución sustentable para reducir el uso de energía y las emisiones contaminantes de CO2 para cada sector. 1.15 Visite el sitio web de la EPA (www.epa.gob) e investigue “crecimiento inteligente” o “isla de calor”. Escriba un ensayo de una cuartilla que defina el tema que eligió y que lo relacione de manera fundamental con la práctica de la ingeniería. ALFAOMEGA 8/30/11 3:28:58 PM 24 Capítulo I Ingeniería y desarrollo sustentable 1.16 Investigue la definición de sociedad civil en el sitio web de la Naciones Unidas (www.un.org). Analice porqué los miembros de la sociedad civil deberían implicarse activamente en la solución sustentable de un problema común de su comunidad en la que los ingenieros trabajan (por ejemplo, la calidad del agua o del aire, transportación, accesibilidad o uso de suelo). 1.17 Visite el sitio web de la Sociedad Americana de Ingenieros Civiles (www.asce.org) e investigue y analice el estado de la infraestructura en Estados Unidos. 1.18 En el sitio web de la Organización Mundial de la Salud (www.who.org) investigue un problema de salud relacionado con el agua, el aire en interiores o el clima. Comente en una cuartilla el problema y formule una solución sustentable que incluya los componentes sociales, medioambientales y económicos. ALFAOMEGA c01.indd 24 1.19 En sus propias palabras, exponga en un párrafo cómo se relaciona la salud con la sustentabilidad. ¿Acaso su comentario variará dependiendo si usted vive en el mundo industrializado o en el mundo en vías de desarrollo? ¿Los actuales sistemas de transporte se han diseñado teniendo en cuenta la sustentabilidad? 1.20 Visite el sitio web del Instituto de Recursos Mundiales (www.wri.org) y consulte el reporte Recursos Mundiales 2005: La riqueza del pobre: Gestionar los problemas para combatir la pobreza. Seleccione un estudio de caso y demuestre cómo la gente que vive en la pobreza depende del medio ambiente para obtener una gran porción de su sustento económico. Sea específico acerca de la cantidad real de riqueza económica que el medio ambiente provee en este estudio. INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC 8/30/11 3:28:59 PM Referencias American Society of Civil Engineers (ASCE). 2005. “Report Card for America’s Infrastructure, 2005”, www.asce.org/reportcard/ 2005/index.cfm, consultado el 1 de abril de 2008. Organización Mundial de la Salud (WHO). 2004. Global and Regional Burden of Diseases Attributable to Selected Risk Factors, vols. 1 y 2. Ginebra: Organización Mundial de la Salud. Daly, H. E. 1986. Beyond Growth. Boston: Beacon Press. Organización Mundial de la Salud (WHO). 2005. “World Summit on Sustainable Development”. Sitio web de WHO, www.who.int/ wssd/en/, consultado el 10 de junio de 2005. Environmental Protection Agency (EPA). 2007. “About Smart Growth”. Office of Policy Economics and Innovation, www.epa. gov/livability/about_sg.htm, consultado el 8 de febrero de 2007. Ezzati, M., A. Rodgers, A. D. Lopez, et al. 2004. “Mortality and Burden of Disease Attributable to Individual Risk Factors”. 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ALFAOMEGA 8/30/11 3:28:59 PM c a p í t u l o / Dos Mediciones ambientales James R. Mihelcic, Richard E. Honrath Jr., Noel R. Urban, Julie Beth Zimmerman Secciones principales 2.1 Unidades de concentración de masa En este capítulo, los lectores se familiarizarán con las diferentes unidades que se emplean para medir los niveles de contaminación en sistemas acuíferos (agua), de suelo/sedimentos, atmósfericos y globales. 2.2 Unidades de volumen/volumen y de mol/mol 2.3 Unidades de presión parcial 2.4 Unidades mol/volumen 2.5 Otro tipo de unidades Objetivos de aprendizaje 1. Calcular la concentración química en unidades de masa/masa, masa/ volumen, volumen/volumen, mol/mol, mol/volumen y equivalente/volumen. 2. Convertir concentraciones químicas a partes por millón o partes por billón. 3. Calcular concentraciones químicas en unidades de presión parcial. 4. Calcular concentraciones químicas en unidades de constituyentes comunes como dureza, nitrógeno, fósforo, índice GWP, equivalentes de carbono y equivalentes de dióxido de carbono. 5. Utilizar la ley de los gases ideales para convertir entre unidades ppmv y μg/m3. 6. Calcular concentraciones de partículas en el aire y el agua. 7. Representar concentraciones de químicos específicos en mezclas y sus efectos directos como el agotamiento de oxígeno, para expresar unidades de demanda de oxígeno bioquímico y de oxígeno químico. 26 c02.indd 26 8/30/11 2:38:17 PM 2.1 Unidades de concentración de masa La concentración química es uno de los determinantes más importantes de prácticamente todos los aspectos del destino químico: transporte y tratamiento en los sistemas de la naturaleza y de la ingeniería. Esto se debe a que la concentración es la fuerza que controla el movimiento de los químicos dentro de un medio ambiente y entre un medio ambiente y otro, así como la tasa de muchas reacciones químicas. Además, la concentración a menudo determina la severidad de efectos adversos como toxicidad, bioconcentración y cambio climático. La concentración de los químicos se expresa sistemáticamente en varias unidades. La selección de las unidades en una situación dada depende del químico utilizado, de su ubicación (aire, agua o suelo/sedimentos) y de cómo se utilizará la medida. Por lo tanto, es necesario familiarizarse con las unidades y con los métodos de conversión. La concentración usualmente se representa mediante una de las dos posibles categorías que se enumeran en la tabla 2.1. Los prefijos importantes que hay que conocer son pico (10−12, p), nano (10−9, n), micro (10−6, μ), mili (10−3, m) y kilo (10+3, k). Entre las unidades de concentración que se basan en la masa química se incluyen masa química por masa total y masa química por volumen total. En estas descripciones se usa mi para representar la masa del químico al que se hace referencia con i. 2.1.1 UNIDADES DE MASA/MASA Las concentraciones de masa/masa se expresan por lo general como partes por millón, partes por billón, partes por trillón, etcétera. Por ejemplo, 1 mg de un soluto que se encuentre en 1 kg de solvente es igual a 1 ppmm. Las partes por millón por masa (representadas como ppm o ppmm) se definen como el número de unidades de masa de un químico por millón de unidades del total de la masa. Por lo tanto, el ejemplo anterior se puede expresar de manera matemática: Ley de métodos analíticos del agua limpia http://www.epa.gov/waterscience/ methods Técnicas de monitoreo de contaminantes del aire http://www.epa.gov/ebtpages/airair pollutiontesting.html (2.1) ppmm = g de i en 106 g total Tabla / 2.1 Unidades comunes de concentración utilizadas en las mediciones ambientales Representación Ejemplo Unidades típicas masa química/masa total mg/kg para suelos mg/kg, ppmm masa química/volumen total mg/L para el agua o el aire mg/L, μg/m3 volumen químico/volumen total para fracción de volumen en el aire ppmv mol químico/volumen total para moles/L en agua M FUENTE: Mihelcic (1999), reimpreso con autorizacion de John Wiley & Sons, Inc. INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC c02.indd 27 ALFAOMEGA 8/30/11 2:38:19 PM 28 Capítulo 2 Mediciones ambientales Esta definición es equivalente a la siguiente fórmula general, la cual se utiliza para calcular concentraciones ppmm de medidas de masa química en una muestra de masa total mtotal: ppmm = mi mtotal × 106 (2.2) Advierta que el factor 106 de la ecuación 2.2 es en realidad un factor de conversión. Tiene implícitas las unidades de ppmm/fracción de masa (fracción de masa = mi/mtotal), como se muestra en la ecuación 2.3: ppmm = mi mtotal × 106 ppmm fracción de masa (2.3) En la ecuación 2.3, mi/mtotal se define como la fracción de masa y el factor de conversión 106 es similar al factor de conversión 102 que se utiliza para convertir fracciones a porcentajes. Por ejemplo, la expresión 0.25 = 25% se puede considerar como: 0.25 = 0.25 × 100% = 25% © Anthony Rosenberg/iStockphoto. (2.4) Definiciones similares se usan en las unidades ppbm, pptm y en porcentajes por masa. Esto es, 1 ppbm es igual a 1 parte por billón o 1g de un químico por billón (109) g total, de tal manera que el número de ppbm de una muestra es igual a mi/mtotal × 109. Y 1 pptm por lo general significa 1 parte por trillón (1012). Sin embargo, sea cauteloso al interpretar los valores ppt, porque se pueden referir a partes por mil o partes por trillón. Las concentraciones masa/masa también se pueden reportar con las unidades mostradas detalladamente (por ejemplo, mg/kg o μg/kg). En suelos y sedimentos, 1 ppmm es igual a 1 mg del contaminante por kg de e j e m p l o / 2.1 Concentración en el suelo Se analiza 1 kg de tierra para el solvente químico tricloroetileno (TCE). El análisis indica que la muestra contiene 5.0 mg de TCE. ¿Cuál es la concentración en ppmm y en ppbm? solución 3TCE 4 = = 5.0 mg TCE 1.0 kg suelo = 5 * 10−6 g TCE g suelo 0.005 g TCE 103 g suelo × 106 = 5 ppmm = 5,000 ppbm Advierta que en suelo y sedimentos, mg/kg equivalen a ppmm y que μg/ kg equivalen a ppbm. ALFAOMEGA c02.indd 28 INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC 9/13/11 6:17:36 PM 2.1 Unidades de concentración de masa 29 sólido (mg/kg) y 1 ppbm es igual a 1 μg/kg. Análogamente, el porcentaje por masa es igual al número de gramos de contaminante por 100 g totales. 2.1.2 UNIDADES DE MASA/VOLUMEN: mg/L Y μg/m3 En el caso de la atmósfera es común el uso de unidades de concentración de masa por volumen de aire como mg/m3 y μg/m3. En el agua son comunes las unidades de concentración de masa/volumen de mg/L y μg/L. En la mayoría de los sistemas acuosos, ppmm es equivalente a mg/L. Esto se debe a que la densidad del agua pura es aproximadamente de 1000 g/L (según se demostró en el ejemplo 2.2). De hecho, la densidad del agua pura es de 1000 g/L a 5° C. A 20° C la densidad ha disminuido ligeramente a 998.2 g/L. Esta igualdad es estrictamente verdadera sólo para las soluciones diluidas, en las cuales no todo el material disuelto contribuye de manera significativa a la masa del agua, y la densidad total permanece aproximadamente a 1000 g/L. La mayoría de las aguas residuales y de la naturaleza se pueden considerar diluidas, con excepción, quizá, de las aguas marinas, saladas y de algunos arroyos reciclados. e j e m p l o / 2.2 Concentración del agua Al analizar un litro de agua se encuentra que contiene 5.0 mg de TCE. ¿Cuál es la concentración del TCE en mg/L y en ppmm? solución 3TCE 4 = 5.0 mg TCE 1.0 L H2O = 5.0 mg L Para convertir de ppmm a unidades de masa/masa es necesario convertir el volumen de agua a la masa de agua. Para ello, divida entre la densidad del agua, que es aproximadamente de 1000 g/L: 3TCE 4 = = 5.0 mg TCE 1.0 L H2O 5.0 mg TCE 1 000 g total × = 1.0 L H2O 1 000 g H2O 5.0 * 10−6 g TCE g total × 106 ppmm fracción de masa = 5.0 ppmm En la mayoría de los sistemas acuosos, mg/L es equivalente a ppmm. En este ejemplo, la concentración del TCE está muy por encima de la permitida por el estándar estadounidense que rige el agua para beber, 5 μg/L (o 5 ppb), establecido para proteger la salud humana. El valor de 5 ppb es pequeño. Considérelo desde este punto de vista: la población de la Tierra excede los 6 mil millones de personas, lo que significa que los 30 individuos de uno de los salones de clase constituyen una concentración humana de aproximadamente ¡5 ppb! INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC c02.indd 29 ALFAOMEGA 9/13/11 6:17:44 PM 30 Capítulo 2 Mediciones ambientales e j e m p l o / 2.3 Concentración del aire ¿Cuál es la concentración del monóxido de carbono (CO) expresado en μg/m3 de una mezcla de 10 L de gas que contiene 10−6 moles de CO? solución En este caso, las cantidades que se han medido se presentan en unidades mol por el volumen total del químico. Para convertir el químico a masa por total de volumen, convertir los moles en masa multiplicando los moles por el peso molecular del CO. El peso molecular del CO (28 g/mol) es igual a 12 (peso atómico del C) más 16 (peso atómico del O). 3CO4 = = 1.0 × 10−6 mol CO 10 L total 28 × 10−6 g CO 10 L total × × 28 g CO mol CO 106 μg g × 103 L m 3 = 2,800 μg m3 2.2 Unidades de volumen/volumen y de mol/mol Con frecuencia se usan unidades de fracción de volumen o de fracción de mol para expresar la concentración de los gases. Las unidades de fracción de volumen más comunes son las partes por millón por volumen (que se representan como ppm o ppmv), que se definen como ppmv = Vi Vtotal (2.5) × 106 en donde Vi/Vtotal es la fracción de volumen y 109 es un factor de conversión, con unidades de ppmv por fracción de volumen. Otras unidades comunes para contaminantes gaseosos son las partes por billón (109) por volumen (ppbv). La ventaja de las unidades de volumen/volumen es que las concentraciones gaseosas que se reportan en estas unidades no cambian conforme el gas se comprime o se expande. Las concentraciones atmosféricas que se expresan como masa por volumen (por ejemplo, μg/m3) disminuyen a medida que el gas se expande, debido a que la masa del contaminante permanece constante pero el volumen aumenta. Con frecuencia, las unidades de masa/volumen (μg/m3 y ppmv) se usan para expresar la concentración de los gases. (Vea la ecuación 2.9 para conversiones entre μg/m3 y ppmv.) 2.2.1 USO DE LA LEY DE LOS GASES IDEALES PARA CONVERTIR ppmv A μg/m3 La ley de los gases ideales se puede usar para convertir unidades de concentración gaseosa masa/volumen a unidades volumen/volumen. La ley ALFAOMEGA c02.indd 30 INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC 8/30/11 2:38:20 PM 2.2 Unidades de volumen/volumen y de mol/mol 31 de los gases ideales establece que la presión (P) multiplicada por el volumen (V) es igual al número de moles (n) por la constante de gas (R) por la temperatura absoluta (T) en grados Kelvin o Rankine. La conocida fórmula escrita es PV = nRT (2.6) Se puede expresar la constante universal de los gases ideales, R, de la ecuación 2.6 mediante muchos conjuntos de unidades diferentes. A continuación se enumeran algunos de los valores más comunes de R: 0.08205 L-atm/mol-K 8.205 × 10−5 m3-atm/mol-K 82.05 cm3-atm/mol-K 1.99 × 10−3 kcal/mol-K 8.314 J/mol-K 1.987 cal/mol-K 62 358 cm3-torr/mol-K 62 358 cm3-mm Hg/mol-K Debido a que la constante universal R se puede expresar en diferentes unidades, hay que ser cuidadoso siempre y asegurarse de que se está usando el valor correcto. La ley de los gases ideales también establece que el volumen que ocupa un número dado de moléculas de cualquier gas es el mismo, sin importar su peso molecular ni su composición, a condición de que la presión y la temperatura se mantengan constantes. La ley de los gases ideales se puede adaptar para mostrar el volumen que ocupan n moles de gas: V = n RT P (2.7) En condiciones normales (P = 1 atm y T = 273.15 K), 1 mol de cualquier gas puro ocupará un volumen de 22.4 L. Se puede llegar a este resultado usando el valor correspondiente de R (0.08205 L-atm/mol-K) y la forma de la ley de los gases ideales que se usa en la ecuación 2.7. A otras temperaturas y presiones, el volumen varía tal y como lo determina la ecuación 2.7. Los términos RT/P se cancelan en el ejemplo 2.4. Esto demuestra un punto importante que es útil al calcular concentraciones por fracción de volumen o por fracción de sustancia: las tasas de volumen y de mol son equivalentes para los gases. Esto es claro a partir de la ley de los gases ideales, porque a temperatura y presión constantes, el volumen que ocupa un gas es proporcional al número de moles. Por lo tanto, la ecuación 2.5 es equivalente a la ecuación 2.8: ppmv = moles i × 106 moles total (2.8) La solución al ejemplo 2.4 se podría haber hallado al usar simplemente la ecuación 2.8 y determinar la razón de mol. Por lo tanto, en un problema se pueden usar las unidades de volumen o las unidades de mol para calcular INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC c02.indd 31 ALFAOMEGA 8/30/11 2:38:20 PM 32 Capítulo 2 Mediciones ambientales e j e m p l o / 2.4 Concentración de gas en fracción de volumen Una mezcla de gas contiene 0.001 moles de dióxido de sulfuro (SO2) y 0.999 moles de aire. ¿Cuál es la concentración de SO2 expresada en unidades ppmv? solución La concentración en ppmv se determina usando la ecuación 2.5. 3SO24 = VSO 2 Vtotal × 106 Para resolverla, convertir el número de moles de SO2 a volumen usando la ley de los gases ideales (ecuación 2.6) y el número total de moles a volumen. Entonces dividir ambas expresiones: VSO 2 = 0.001 mol SO2 * RT P Vtotal = (0.999 + 0.001) mol total * = (1.000) mol total * RT P RT P Sustituya los términos de volumen por ppmv: 0.001 mol SO2 × ppmv = 1.000 mol total × ppmv = 0.001 L SO2 1.000 L total RT P RT × 106 P × 106 = 1000 ppmv ppmv. Estar consciente de esto le ahorrará conversiones innecesarias entre mol y volumen. Algunas veces la razón mol (moles i/moles total) se representa como fracción de sustancia, X. El ejemplo 2.5 y la ecuación 2.9 muestran cómo se usa la ley de los gases ideales para convertir concentraciones de μg/m3 a ppmv. El ejemplo 2.5 demuestra una manera útil de escribir la conversión para la concentración del aire entre unidades μg/m3 y unidades ppmv: μg m 3 = ppmv × MW × 1,000 P RT (2.9) en donde MW es el peso molecular de las especies químicas, R es igual a 0.08205 L-atm/mol-K, T es la temperatura en grados K y 1000 es un factor de conversión (1000 L = m3). Observe que para 0° C, el valor de RT es 22.4 L-atm/mol, en tanto que a 20° C, RT tiene un valor de 24.2 L-atm/mol. ALFAOMEGA c02.indd 32 INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC 8/30/11 2:38:20 PM 2.3 Unidades de presión parcial 33 e j e m p l o / 2.5 Conversión de la concentración de un gas de ppbv y μg/m3 La medición de la concentración de SO2 en el aire resultó de 100 ppbv. ¿Cuál es esta concentración en unidades μg/m3? Suponer que la temperatura es de 28° C y que la presión es de 1 atm. Recuerde que T, expresada en °K es igual a T en °C más 273.15. solución Para lograr esta conversión, usar la ley de los gases ideales para convertir el volumen de SO2 a moles de SO2, lo que da como resultado unidades de mol/L. Esto podrá convertirse a μg/m3 si se usa el peso molecular de SO2 (que es igual a 64). Este método se utilizará para desarrollar una fórmula general para convertir entre ppmv y μg/m3. Primero, use la definición de ppbv para obtener la proporción de volumen para el SO2: 100 ppbv = 100 m3 SO2 109 m3 solución de aire Ahora convierta el volumen de SO2 en el numerador a unidades de masa. Esto se hace en dos pasos. Primero, convierta el volumen a un número de moles usando el formato de la ley de los gases ideales (ecuación 2.6), n/V = P/RT, y la temperatura y presión dadas: 100 m3 SO2 10 m solución de aire 9 3 × P RT = 100 m3 SO2 10 m solución de aire 1 atm × 8.205 × 10−5 m3 -atm mol-K 9 = 3 4.05 × 10−6 mol SO2 m3 aire (301 K) En el paso dos, convierta los moles de SO2 a masa de SO2 usando el peso molecular del SO2: 4.05 × 10−6 mol SO2 m aire 3 × 64 g SO2 mol SO2 × 106 μg g = 260 μg m3 2.3 Unidades de presión parcial En la atmósfera se pueden determinar por separado las concentraciones de elementos químicos en el gas y en fases de partículas. Una sustancia se encontrará en su fase gas si la temperatura atmosférica está por encima de su punto de ebullición (o sublimación) o si su concentración se ubica por debajo de su presión saturada de vapor a una temperatura específica (la presión de vapor se define en el capítulo 3). Todos los constituyentes gaseosos de la atmósfera, más importantes o menores, tienen puntos de ebullición muy por debajo de la temperatura atmosférica. Típicamente, la INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC c02.indd 33 ALFAOMEGA 8/30/11 2:38:21 PM 34 Capítulo 2 Mediciones ambientales Tabla / 2.2 Composición de la atmósfera Compuesto Concentración (% volumen o mol) Concentración (ppmv) Nitrógeno (N2) 78.1 781 000 Oxígeno (O2) 20.9 209 000 Argón (Ar) 0.93 9300 Dióxido de carbono (CO2) 0.038 379 Neón (Ne) 0.0018 18 Helio (He) 0.0005 5 Metano (CH4) 0.00018 1.774 Kriptón (Kr) 0.00011 1.1 Hidrógeno (H2) 0.00005 0.50 Óxido de nitrógeno (N2O) 0.000032 0.319 Ozono (O3) 0.000002 0.020 FUENTE: Adaptado de Mihelcic (1999), con autorización de John Wiley & Sons, Inc. concentración de estas especies se expresa ya sea como fracciones de volumen (por ejemplo, porcentaje, ppmv o ppbv ) o como presiones parciales (unidades de atmósfera). La tabla 2.2 resume las concentraciones de los constituyentes atmosféricos más abundantes, incluyendo el dióxido de carbono y el metano. De entre los gases de efecto invernadero, el dióxido de carbono es la aportación que el hombre hace en mayor medida. El Panel Intergubernamental del Cambio Climático (IPCC; visite www.ipcc.ch) reporta que la concentración mundial de dióxido de carbono en la atmósfera se incrementó en 379 ppmv en el año 2005 en relación con los niveles previos a la Revolución Industrial, que ascendían a 280 ppmv. Las concentraciones mundiales de metano que se registraron en ese año alcanzaron los 1774 ppb. Este registro de concentración de metano excede por mucho el rango natural de 320 a 790 ppbv, que se ha medido en orificios en el hielo que datan de hace 650 000 de años. Según el IPCC, es muy posible que este incremento en la concentración de metano se deba a que se destinan los suelos a la agricultura, al crecimiento de la población y al uso de energía proveniente de la combustión de combustibles fósiles. La presión total que ejerce una mezcla de gas se puede considerar como la suma de las presiones parciales que ejerce cada componente de dicha mezcla. La presión parcial de cada componente es igual a la presión que se ejercería si se retiraran repentinamente todos los otros componentes de la mezcla. Es común expresar la presión parcial como Pi, donde i se refiere a un gas en particular. Por ejemplo, la presión parcial del oxígeno en la atmósfera PO2 es de 0.21 atm. ALFAOMEGA c02.indd 34 INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC 8/30/11 2:38:21 PM 2.3 Unidades de presión parcial 35 Recuerde que la ley de los gases ideales establece que, a temperatura y volumen dados, la presión es directamente proporcional al número de moles del gas presente; por lo tanto, las fracciones de presión son idénticas a las fracciones de sustancia (y a las fracciones de volumen). Por esta razón, la presión parcial se puede calcular como el producto de la fracción de sustancia o la fracción de volumen y la presión total. Por ejemplo: Pi = 3fracción de volumeni o fracción de sustanciai × Ptotal = 3(ppmv)i 10−6 × Ptotal4 (2.10) Además, si se adapta la ecuación 2.10, se pueden calcular los valores de ppmv a partir de presiones parciales de la siguiente manera: ppmv = Pi Ptotal × 106 (2.11) Es posible entonces añadir la presión parcial a la lista de tipos de unidad que se usan para calcular ppmv. Esto es, se puede usar ppmv en los cálculos ya sea para volumen (ecuación 2.5), mol (ecuación 2.8) o presión parcial (ecuación 2.11). El ejemplo 2.6 aplica estos principios a la presión parcial de una familia de compuestos químicos que solía ser muy popular, y que se conocen como bifenilos policlorados (PCB), que se ilustran en la figura 2.1. e j e m p l o / 2.6 Concentración y presión parcial La medición de la concentración del bifenilo policlorado en fase gas en el aire que circunda el Lago Superior arrojó 450 picogramos por metro cúbico (pg/m3). ¿Cuál es la presión parcial (en atm) del PCB? Suponga que la temperatura es de 0° C, la presión atmosférica es de 1 atm y el peso molecular promedio del PCB es 325. solución La presión parcial se define como la fracción de sustancia o fracción de volumen multiplicada por la presión total del gas. Primero, encuentre el número de moles del PCB en un litro de aire. Luego use la ley de los gases ideales (ecuación 2.7) para calcular que 1 mol de gas a 0° C y 1 atm ocupa 22.4 L. Sustituya este valor en la primera expresión para determinar la fracción de sustancia del PCB: 450 pg m3 de aire 1.38 × 10−15 × mol 325 g × 10−12 mol de PCB L de aire × g pg × 10−3 m3 22.4 L mol de aire L = 1.38 × 10−15 = 3.1 × 10−14 mol de PCB L de aire mol de PCB mol de aire Al multiplicar la fracción de sustancia por la presión total (1 atm) (vea la ecuación 2.10) resulta en una presión parcial del PCB de 3.1 × 10−14 atm. INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC c02.indd 35 ALFAOMEGA 8/30/11 2:38:21 PM 36 Capítulo 2 Mediciones ambientales X = cloro o hidrógeno Figura 2.1 Estructura química de los bifenilos policlorados (PCB) Los PCB son una familia de compuestos que se producen comercialmente al clorar el bifenilo. Se pueden colocar átomos de cloro en los diez sitios disponibles o sólo en algunos de ellos, lo que da lugar a 209 congéneres. Por su gran estabilidad, los PCB tienen una amplia gama de usos, en los que se incluyen refrigerantes en transformadores y como fluidos hidráulicos y solventes. Sin embargo, las propiedades químicas resultantes de dicha estabilidad también tienen como consecuencia un químico que no se degrada fácilmente y que se bioacumula en la cadena alimenticia, lo que es un peligro para la vida humana y silvestre. En 1976, la Ley de Control de Sustancias Tóxicas (TSCA) prohibió la manufactura del PCB y de los productos que lo contuvieran. La TSCA también adoptó regulaciones estrictas en el caso de futuros usos y ventas del PCB. Típicamente, los PCB se vendían como mezclas a las que se les conocía comúnmente como Arocloros. Por ejemplo, la mezcla de Arocloro 1260 consiste en 60% de cloro por peso, lo que significaba que se sustituía el PCB individual de la mezcla primaria con 6 a 9 cloros por molécula de bifenilo. En contraste, el Arocloro 1242 presenta 42% de cloro por peso; por lo tanto, se trata de un PCB que contiene principalmente entre 1 a 6 cloros por molécula de bifenilo. Extraído de Mihelcic (1999). Reproducido con la autorización de John Wiley & Sons, Inc. e j e m p l o / 2.7 Concentración como presión parcial corregida por humedad ¿Cuál sería la presión parcial (en atm) del dióxido de carbono (CO2) cuando el barómetro indica 29.0 pulgadas de Hg, la humedad relativa es de 80% y la temperatura es de 70° F? Use la tabla 2.2 para obtener la concentración de CO2 en el aire seco. solución Las unidades de concentración por presión parcial de la tabla 2.2 se refieren a aire seco, así que primero se corrige la presión parcial para la humedad presente en el aire. En el aire seco, la concentración del CO2 es de 379 ppmv. La presión parcial será esta fracción de volumen multiplicada por la presión total del aire seco. La presión total del aire seco es la presión atmosférica total (29.0 pulg de Hg) menos la contribución de vapor de agua. La presión del vapor de agua a 70° F es de 0.36 lb/pulg2. Por lo tanto, la presión total del aire seco es Ptotal - Pagua = 29.0 pulg Hg − c 0.36 = 28.4 pulg Hg ALFAOMEGA c02.indd 36 lb pulg 2 × 29.9 pulg Hg 14.7 lb/pulg2 × 0.8 d INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC 8/30/11 2:38:21 PM 2.4 Unidades de mol/volumen 37 e j e m p l o / 2.7 Continuación La presión parcial del CO2 sería: fracción de vol. × Ptotal = 379 ppmv × 10−6 fracción de vol. ppmv 1 atm × c 28.4 pulg Hg × 29.9 pulg Hg d = 3.6 × 10−4 atm .mx/h ua ega.c ttp om om : / /v i r t Las unidades mol por litro (molaridad, M) se usan para dar cuenta de las concentraciones de los compuestos disueltos en el agua. Se define molaridad como el número de moles de un compuesto en un litro de solución. Se dice que son molares las concentraciones que se expresan en estas unidades. No se debe confundir la molaridad, M, con la molalidad, m. La molaridad se usa generalmente en los cálculos de equilibrio y en el resto de esta obra. La molalidad es el número de moles de una solución que se añaden a exactamente 1 L de solvente. Por lo tanto, el volumen real de una solución molar es ligeramente mayor que 1 L. Es más probable que se use la molalidad al referirse a las propiedades del solvente, como los puntos de ebullición y congelación. Por lo tanto, su uso es muy raro en situaciones relacionadas con el medio ambiente. l.alfa 2.4 Unidades de mol/volumen El mol e j e m p l o / 2.8 Concentración como molaridad La concentración del tricloroetileno (TCE) es de 5 ppm. Convierta estas unidades a molaridad. El peso molecular del TCE es de 131.5 g/mol. solución No olvide que el ppmm del agua equivale a mg/L, por lo que la concentración del TCE es de 5.0 mg/L. La conversión a unidades molares requiere solamente el peso molecular: 5.0 mg TCE L × 1g 103 mg × 1 mol 131.5 g = 3.8 × 10−5 mol L = 3.8 × 10−5 M A menudo se expresan las concentraciones por debajo de 1 M como unidades de milimoles por litro o milimolar (1 mM = 10−3 moles/L), o en micromoles por litro, o micromolar (1 μM = 10−6 moles/L). Por lo tanto, la concentración de TCE se puede expresar como 0.038 mM o 38 μM. e j e m p l o / 2.9 Concentración como molaridad Se encontró que la concentración de alaclor, un herbicida común, en el río Misisipí es del rango de 0.04 a 0.1 μg/L. ¿Cuál es el rango de concentración en nanomoles/L? La fórmula molecular del alaclor es C14H20O2NCl y su peso molecular es 270. INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC c02.indd 37 ALFAOMEGA 8/30/11 2:38:21 PM 38 Capítulo 2 Mediciones ambientales e j e m p l o / 2.9 Continuación solución La concentración se puede hallar en el rango inferior en nmol/L de la siguiente manera: 0.04 μg L × mol 270 g × 10−6 μg μg × 109 nmol mol = 0.15 nmol L De forma similar, el rango superior (0.1 μg/L) se puede calcular como 0.37 nmol/L. 2.5 Otro tipo de unidades Las concentraciones también se pueden expresar como normalidad, como constituyente común o representadas por su efecto. 2.5.1 NORMALIDAD © Nadezda Pyastolova/iStockphoto. ALFAOMEGA c02.indd 38 Típicamente se usa la normalidad (equivalentes/L) para definir la química del agua, especialmente en instancias en las que se involucran reacciones ácido-base y reacciones de óxido-reducción. La normalidad también se usa con frecuencia en el laboratorio durante las medidas analíticas de los constituyentes del agua. Por ejemplo, en la obra Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater (Eaton et al., 2005) hay muchos casos en donde se prepara la concentración de los reagentes químicos y se reporta en unidades de normalidad no de molaridad. Es útil reportar la concentración en una base equivalente porque si dos especies químicas reaccionan y ambas tienen la misma fuerza en una base equivalente, 1 mL de volumen del reactivo número 1 reaccionará con 1 mL de volumen del reactivo número 2. En la química ácido-base, el número de equivalentes por mol de ácido es igual al número de moles de H+ que el ácido puede donar potencialmente. Por ejemplo, el HCl tiene 1 equivalente/mol, el H2SO4 tiene 2 equivalentes/mol y el H3PO4 tiene 3 equivalentes/mol. De la misma manera, el número de equivalentes por mol de una base es igual al número de H+ que reaccionarán con 1 mol de la base. Así, el NaOH tiene 1 equivalente/mol, la CaCO3 tiene 2 equivalentes/mol y el PO43− tiene 3 equivalentes/mol. En las reacciones de óxido-reducción, el número de equivalentes se relaciona con el número de electrones que una especie dona o acepta. Por ejemplo, el número de equivalentes del Na+ es 1 (donde e− es igual a un electrón) porque Na → Na+ + e−. Igualmente, el número de equivalentes para el Ca2+ es 2 porque Ca → Ca2+ + 2e −. Se define el peso equivalente (en gramos (g) por equivalente (eqv)) de una especie como el peso molecular de la especie dividida entre el número de equivalentes de la especie (g/mol dividida entre eqv/mol es igual a g/eqv). Todas las soluciones acuosas se deben mantener con una carga neutral. Otro modo de decirlo es que la suma de todos los cationes en una base INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC 8/30/11 2:38:22 PM 2.5 Otro tipo de unidades 39 e j e m p l o / 2.10 Cálculo de peso equivalente ¿Cuál es el peso equivalente del HCl, el H2SO4, el NaOH, la CaCO3 y el CO2 acuoso? solución Para hallar el peso equivalente de cada compuesto, divida el peso molecular entre el número de equivalentes. (1 + 35.5)g/mol peso eqv del HCl = 36.5 g = 1 eqv/mol eqv (2 × 1) + 32 + (4 × 16)g/mol peso eqv del H2SO4 = 2 eqv/mol (23 + 16 + 1)g/mol peso eqv del NaOH = eqv eqv 40 + 12 + (3 × 16)g/mol peso eqv del CaCO4 = 49 g 40 g = 1 eqv/mol = 2 eqv/mole = 50 g eqv Para determinar el peso equivalente del CO2 acuoso se requiere información adicional. El dióxido de carbono acuoso no es un ácido hasta que se hidrata en agua y forma ácido carbónico (CO2 + H2O → H2CO3). Así que el CO2 acuoso realmente tiene 2 eqv/mol. Por lo tanto, se puede ver que el peso equivalente del dióxido de carbono acuoso es 12 + (2 × 16)g/mol 2 eqv/mol 22 g = eqv e j e m p l o / 2.11 Cálculo de normalidad ¿Cuál es la normalidad (N) de 1 M en las soluciones de HCl y de H2SO4? solución 1 M HCl = 1 M H2SO4 = 1 mol HCl L 1 mol H2SO4 L × 1 eqv mol × = 2 eqv mol 1 eqv L = = 1N 2 eqv L = 2N Observe que en bases equivalentes,1 M de solución de ácido sulfúrico es el doble de fuerte que 1 M de solución de HCl. INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC c02.indd 39 ALFAOMEGA 8/30/11 2:38:22 PM 40 Capítulo 2 Mediciones ambientales equivalente debe ser igual a la suma de todos los aniones en una base equivalente. Por lo tanto, las muestras de agua se pueden verificar para determinar si hay algo incorrecto en los análisis o si falta algún constituyente. El ejemplo 2.12 muestra cómo se hace esto. e j e m p l o / 2.12 Uso de equivalentes para determinar la precisión de los análisis de agua La etiqueta de una botella de agua mineral de Nueva Zelanda que se compró en la ciudad de Dunedin asegura que el análisis químico del agua mineral dio como resultado los siguientes cationes y aniones que se identificaron con sus concentraciones correspondientes (en mg/L): C Ca2+ D = 2.9 C Mg2+ D = 2.0 C SO42− D = 4.7 C Fl−D = 0.09 ¿Es correcto el análisis? C Na+ D = 11.5 C K+D = 3.3 C Cl−D = 7.7 solución Primero convierta todas las concentraciones de los iones principales a una base equivalente. Para ello, multiplique la concentración en mg/L por la unidad de conversión (g/1000 mg) y luego divida entre el peso equivalente de cada sustancia (g/eqv). Entonces, sume las concentraciones de todos los cationes y aniones en la base equivalente. Generalmente se considera aceptable una solución con menos de 5% de error. Cationes C Ca2+ D = 1.45 × 10 C K+ D = eqv L C Mg2+ D = C Na+ D = Aniones −4 1.67 × 10 −4 eqv L 5 × 10 −4 eqv L 8.5 × 10−5 eqv C SO42− D = C Fl− D = C Cl− D = 9.75 × 10−5 eqv L 4.73 × 10−6 eqv L 2.17 × 10−4 eqv L L La cantidad total de cationes es igual a 9.87 × 10−4 eqv/L y la cantidad total de aniones es igual a 3.2 × 10−4 eqv/L. El análisis no está dentro de 5%. Los resultados del análisis son más de tres veces más cationes que aniones en una base equivalente. En consecuencia, hay dos conclusiones posibles: 1) Son incorrectas una o más de las concentraciones que se reportaron, suponiendo que se hayan tomado en cuenta todos los cationes y aniones principales. 2) En el análisis químico no se tomaron en cuenta uno o más aniones importantes. (Un posible anión omitido podría ser el bicarbonato, HCO3−, en vista de que es un anión común en la mayoría de las aguas naturales.) ALFAOMEGA c02.indd 40 INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC 8/30/11 2:38:22 PM 2.5 Otro tipo de unidades 41 2.5.2 CONCENTRACIÓN COMO UN CONSTITUYENTE COMÚN La concentración se puede expresar como un constituyente común y por lo tanto, incluye las contribuciones de varios compuestos químicos. Los gases de efecto invernadero, el nitrógeno y el fósforo son químicos cuyas concentraciones típicamente se reportan como constituyentes comunes. Por ejemplo, el fósforo puede estar presente en un lago o en los desagües bajo formas inorgánicas llamadas ortofosfatos (H3PO4, H2PO4, HPO42−, PO43−, HPO42− complejos), polifosfatos (por ejemplo, H4P2O7 y H3P3O102−), metafosfatos (por ejemplo, HP3O92−) y/o fosfatos orgánicos. Debido a que el fósforo se puede transformar químicamente en todas estas formas, es lógico que a veces se reporte el total de la concentración de P sin especificar cuál o cuáles de sus formas son las que están presentes. Por lo tanto, se convierte a mg P/L la concentración de cada forma individual de fósforo, usando el peso molecular de la especie individual, el peso molecular de P (que es 32) y simple estequiometría. Se pueden sumar tales concentraciones convertidas de cada especie individual para determinar el total de concentración de fósforo. Se reporta entonces la concentración en unidades mg/L de fósforo (escrito como mg P/L, mg/L de P, o bien, mg/L P. e j e m p l o / 2.13 Concentraciones de nitrógeno como un constituyente común El agua contiene dos especies de nitrógeno. La concentración de NH3 es 30 mg/L NH3, y la concentración de NO3− es 5 mg/L NO3−. ¿Cuál es la concentración total de nitrógeno en unidades mg N/L? solución Utilice el peso molecular y la estequiometría apropiados para convertir cada especie individual en las unidades mg N/L que se piden, y luego añada la contribución de cada especie: 30 mg NH3 L = mol NH3 × 17 g mol N × mol NH3 14 g mol N 24.7 mg NH3 - N L 5 mg NO3− × L 1.1 mg NO 3− = × mol NO3− 62 g × mol N mol NO 3− × mol N - N L concentración total de nitrógeno = 24.7 + 1.1 = INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC c02.indd 41 14 g 25.8 mg N L ALFAOMEGA 8/30/11 2:38:22 PM 42 Capítulo 2 Mediciones ambientales La alcalinidad y dureza del agua típicamente se reportan al determinar todas las especies individuales que contribuyen ya sea a la alcalinidad o a la dureza, y luego se convierte cada una de estas especies en unidades mg de CaCO3/L y finalmente se suma la contribución de cada una. Por lo tanto, es típico expresar la dureza en mg/L de CaCO3. La dureza del agua se debe a la presencia de cationes bivalentes. Ca2+ y Mg2+ son, por mucho, los cationes bivalentes más abundantes en las aguas naturales, aunque también el Fe2+, el Mn2+ y el Sr2+ pueden contribuir. Normalmente, en Michigan, Wisconsin y Minnesota las aguas sin tratar tienen una dureza de 121 a 180 mg/L de CaCO3. En Illinois y en Iowa el agua es más dura y presenta valores mayores que 180 mg/L de CaCO3. Para hallar el total de la dureza del agua, sume las contribuciones de todos los cationes bivalentes tras haber convertido sus concentraciones a un constituyente común. Para convertir la concentración a cationes específicos (de mg/L) a dureza (a mg/L de CaCO3) se utiliza la siguiente expresión, en la que M2+ representa un catión bivalente: M2+ en mg L Convención Marco de las Naciones Unidas sobre el Cambio Climático (CMNUCC) http://unfccc.int ALFAOMEGA c02.indd 42 × 50 peso eqv de M en g>eqv 2+ = mg L con CaCO2 (2.13) El número 50 en la ecuación 2.13 representa el peso equivalente del carbonato de calcio (100 g de CaCO3/2 equivalentes). Los pesos equivalentes (en unidades g/eqv) de los otros cationes bivalentes son Mg, 24/2; Ca, 40/2; Mn, 55/2; Fe, 56/2 y Sr, 88/2. El Protocolo de Kyoto regula los seis gases de efecto invernadero más importantes. Fue adoptado en Kyoto, Japón, en diciembre 11 de 1997, y entró en vigor en febrero 16 de 2005. Establece objetivos para 37 países industrializados y la Unión Europea, y los compromete a reducir sus emisiones de gases de efecto invernadero. Cada gas tiene un capacidad diferente para absorber el calor de la atmósfera (el forzante radiactivo), por lo que sus efectos en el calentamiento global difieren. El índice de potencial de calentamiento global (GWP) es un multiplicador que se usa para comparar las emisiones de diferentes gases de efecto invernadero con un constituyente común, en este caso el dióxido de carbono. Se determina el GWP con base en un periodo establecido, típicamente 100 años, de los cuales resulta el forzante radiactivo de cada gas específico. El GWP permite a los políticos comparar las emisiones y la reducción de gases específicos. Los equivalentes de dióxido de carbono son una medida métrica que se usa para comparar las emisiones masivas de gases de efecto invernadero con base en un constituyente común, de acuerdo con el potencial de calentamiento global específico de cada gas. Sus unidades tienen a la masa como base y típicamente contienen millones de toneladas métricas de equivalentes de dióxido de carbono. La tabla 2.3 muestra los índices del potencial de calentamiento global de seis de los más importantes gases de efecto invernadero. Observe que las emisiones de masa equivalentes de dos gases de efecto invernadero no tienen el mismo impacto en el calentamiento global. Por ejemplo, en la tabla 2.3 se puede ver que la emisión de 1 tonelada de metano es igual a la emisión de 25 toneladas de dióxido de carbono. En ocasiones se reportan las emisiones de gases de efecto invernadero como equivalentes de carbono. En este caso, la masa de los equivalentes de dióxido de carbono se multiplica por 12/44 para obtener los equivalenINGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC 8/30/11 2:38:22 PM 2.5 Otro tipo de unidades 43 Tabla / 2.3 Índices del potencial de calentamiento global que se usan para convertir las emisiones masivas de gases de efecto invernadero a equivalentes de dióxido de carbono (Co2e) a 100 años Tipo de emisión Multiplicador de equivalentes de CO2 (CO2e) Dióxido de carbono 1 Metano 25 Óxido nitroso 298 Hidrofluorocarbonos (HFC) 124-14 800 (depende del HFC específico) Perfluorocarbonos (PFC) 7390-12 200 (depende del PFC específico) Hexafluoruro de azufre (SF6) 22 800 FUENTE: Valores del Panel Intergubernamental del Cambio Climático. e j e m p l o / 2.14 Determinación de la dureza del agua La composición química del agua es: [Ca2+] = 15 mg/L; [Mg2+] = 10 mg/L; [SO42−] = 30 mg/L. ¿Cuál es la dureza total en unidades mg/L de CaCO3? solución Encuentre cómo contribuye a la dureza cada catión bivalente. No se incluyen en los cálculos los aniones ni ninguno de los cationes no bivalentes. 50 g CaCO3 15 mg Ca2+ L × ± eqv 40 g CaCO3 2 eqv ≤ = 38 mg L de CaCO3 50 g CaCO3 10 mg Mg 2+ L × ± eqv 24 g CaCO3 2 eqv ≤ = 42 mg L de CaCO3 Por lo tanto, la dureza total es 38 + 42 = 80 mg/L de CaCO3. En este caso, el agua es moderadamente dura. Observe que si hubiera hierro (Fe2+) o manganeso (Mn2+) reducidos, se incluirían en los cálculos de dureza. tes de carbono. El multiplicador 12/44 es el peso molecular del carbono (C) dividido entre el peso molecular del dióxido de carbono (CO2). La tabla 2.4 muestra las emisiones de algunos gases de efecto invernadero relevantes en Estados Unidos en unidades de CO2 equivalentes (abreviados CO2e). Observe la gran contribución que se espera producto de la energía que se obtiene al quemar combustibles fósiles. Pero también observe la cantidad de emisiones de gas de efecto invernadero que provienen de actividades INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC c02.indd 43 ALFAOMEGA 8/30/11 2:38:22 PM 44 Capítulo 2 Mediciones ambientales Tabla / 2.4 Emisiones de gases de efecto invernadero en Estados Unidos, provenientes de fuentes relacionadas con el medio ambiente y con la ingeniería civil Las emisiones de gases de efecto invernadero totales en el año 2004 fueron 7 074.5 Tg de CO2 equivalentes. Fuente (gas) CO2 equivalentes (Tg) Fuente (gas) CO2 equivalentes (Tg) Combustión de combustibles fósiles (CO2) 5 656.6 Manejo de la tierra cultivable (N2O) 261.5 Producción de hierro y acero (CO2) 51.3 Uso de estiércol (N2O) 17.7 Manufactura de cemento (CO2) 45.6 Aguas negras (N2O) 16.0 Combustión de los desechos sólidos municipales (CO2) 19.4 Combustión de los desechos municipales (N2O) Manufactura y consumo de carbonato de sodio (CO2) Vertederos (CH4) 4.2 140.9 Uso de estiércol (CH4) 39.4 Tratamiento de aguas residuales (CH4) 36.9 Cultivo de arroz (CH4) 7.6 0.5 Combustión móvil (N2O) 42.8 Combustión estacionaria (N2O) 13.7 Sustitución de las sustancias que agotan el ozono (HFC, PFC, SF6) 103.3 Transmisión y distribución de la electricidad (HFC, PFC, SF6) 13.8 Manufactura de semiconductores (HFC, PFC, SF6) 4.7 Fuente: Datos de la EPA, 2006. humanas. Esta tabla deja claro que el desarrollo sustentable necesita que todas las tareas de los ingenieros consideren la manera de reducir las emisiones totales de gases de efecto invernadero. 2.5.3 REPORTAR CONCENTRACIONES DE PARTÍCULAS EN AIRE Y AGUA La concentración de partículas en una muestra de aire se determina al pasar a través de un filtro cierto volumen conocido de aire (por ejemplo, varios miles de m3). Se puede determinar el incremento del peso del filtro derivado de la recolección de partículas. Al dividir este valor entre el volumen de aire que atravesó el filtro se obtiene la concentración del total de partículas suspendidas (TSP) en unidades g/m3 o μg/m3. En el caso de los sistemas acuíferos y de la determinación analítica de metales, se distingue la fase sólida mediante la filtración con el uso de un filtro de apertura de 0.45 μm. Típicamente, este tamaño determina la diferencia entre las fases disuelta y partícula. Para la calidad del agua, los sólidos se dividen en fracciones disuelta y suspendida. Esto se realiza mediante la combinación de procedimientos de filtración y de evaporación. Cada uno de estos dos tipos de sólidos puede desglosarse aún más hasta llegar a fracciones fijas y volátiles. La figura 2.2 muestra las diferencias analíticas entre el total de sólidos, total de sólidos suspendidos, total de sólidos disueltos y sólidos volátiles suspendidos. ALFAOMEGA c02.indd 44 INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC 9/13/11 6:20:59 PM 2.5 Otro tipo de unidades e j e m p l o / 2.15 45 Equivalentes de carbono como constituyentes comunes Las emisiones de gases de efecto invernadero que emitió Estados Unidos en el año 2004 ascendieron a 5 988 teragramos (Tg) de CO2e de dióxido de carbono (CO2), 556.7 Tg de CO2e de metano (CH4) y 386.7 Tg de CO2e de N2O. ¿Cuántos gigagramos (Gg) de CH4 y de N2O se emitieron en ese año? En un teragramo hay 1000 gigagramos. solución La solución es una simple conversión de unidades: Tg CO2e = (Gg de gas) × GWP × Tg 1 000 Gg Para el metano: 556.7 Tg CO2e = (Gg de gas metano) × 25 × Tg 1 000 Gg Se emitieron 2.23 × 104 Gg de metano en el año 2004. Para el N2O: 386.7 Tg CO2e = (Gg de N2O gas) × 298 × Tg 1 000 Gg Se emitieron 1.30 × 10 Gg de óxido de nitrógeno en el año 2004. Si consulta el sitio web de la Agencia de Protección Ambiental de Estados Unidos (www.epa.gov) podrá saber más acerca de las emisiones de los gases de efecto invernadero y de sus descensos en Estados Unidos. El sitio web del Panel Intergubernamental del Cambio Climático (www.ipcc.ch) tiene información actualizada del estatus del cambio climático en el mundo. 3 Volumen de la muestra = x mL Filtro Coloque la muestra en el crisol y séquela a ≈103°C Seque el filtro a ≈ 103°C Tras el secado, coloque el filtro en el horno y préndalo a ≈ 550°C Coloque lo filtrado en el crisol y séquelo a ≈ 103°C INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC c02.indd 45 Pese la ganancia en el crisol x mL Pese la ganancia en el filtro x mL Pese la pérdida en el filtro x mL Pese la ganancia en el crisol x mL = TS = TSS = VSS = TDS Figura 2.2 Diferencia analíticas entre el total de partículas sólidas (TS), total de partículas sólidas suspendidas (TSS), partículas suspendidas volátiles (VVS) y total de partículas disueltas (TDS). De Mihelcic (1999). Reproducido con autorización de John Wiley & Sons, Inc. ALFAOMEGA 8/30/11 2:38:22 PM 46 Capítulo 2 Mediciones ambientales Figura 2.3 Relación entre las diversas medidas de partículas en muestra acuosas Por ejemplo, si se miden el total de partículas sólidas suspendidas TSS y las partículas volátiles suspendidas VSS, la diferencia entre ellas determina las partículas suspendidas fijas FSS. De Mihelcic (1999). Reimpreso con permiso de John Wiley & Sons, Inc. ALFAOMEGA c02.indd 46 El total de partículas (TS) se determina al colocar en una placa una muestra de agua, que se haya mezclado bien, y cuyo volumen sea conocido y luego evaporar el agua entre 103° C y 105° C. El incremento en el peso del disco se debe al total de partículas, para determinarlo, divida el incremento en la ganancia del peso del disco entre el volumen de la muestra. Las concentraciones típicamente se reportan en mg/L. Para determinar el total de partículas disueltas (TDS) y el total de partículas sólidas suspendidas (TSS), primero pase por un filtro de fibra de vidrio de 2μ una muestra que se haya mezclado bien y cuyo volumen conozca. Las partículas suspendidas son las que quedaron atrapadas en el filtro. Para conocer la concentración de TSS, seque el filtro a una temperatura entre los 103° C y los 105° C, determine el incremento del peso en el filtro, y luego divida esta ganancia entre el volumen de la muestra. Los resultados se dan en mg/L. Las partículas suspendidas que se han recopilado en el filtro pueden dañar los ecosistemas acuáticos, ya que impiden que penetre la luz, o bien, porque actúan como una fuente de nutrientes o como materia orgánica que agota el oxígeno. Además, el agua que contiene muchas partículas suspendidas puede ser inapropiada para el consumo humano o para nadar. Se determina el total de partículas disueltas TDS al filtrar una muestra, luego se seca el filtro entre 103° C y 105° C y después se calcula cuánto ganó en peso el disco. Esta ganancia en peso se divide entre el volumen de la muestra, lo que da la concentración TDS expresada en mg/L. La composición de las partículas disueltas tiende a ser menos orgánica y consiste en cationes y aniones disueltos. Por ejemplo, las agua duras tienen un alto contenido de partículas disueltas. Tanto las TS, como las TDS y las TSS se pueden descomponer aún más hasta llegar a una fracción fija volátil. Por ejemplo, la porción volátil del TSS se denomina partículas suspendidas volátiles (VSS), y la porción fija se llama partículas suspendidas fijas (FSS). La manera de determinar las fracciones volátiles de una muestra consiste en llevarlas al horno a 500° C (±50° C). La pérdida de peso que se deriva de la alta temperatura de ignición brinda la fracción volátil, y la fracción fija es lo que queda en la muestra tras la ignición. En el tratamiento de aguas negras se usan las partículas suspendidas o las fracciones volátiles de las partículas suspendidas para medir el número de microorganismos en el proceso de tratamiento biológico. La figura 2.3 muestra cómo relacionar la determinación de las partículas varias. 2.5.4 REPRESENTACIÓN POR EFECTO En algunos casos no se usa en absoluto la concentración real de una sustancia específica, especialmente en presencia de químicos que no están bien definidos en una mezcla (por ejemplo, en las aguas negras sin tratar). En lugar de eso, se usa la representación por efecto. Mediante este enfoque, la fuerza de la solución o mezcla se define como algún factor común del que dependan todos los químicos de la mezcla. Ejemplo de ello es el agotamiento de oxígeno de la descomposición biológica y química de una muestra química. En el caso de ciertos desechos que contienen material orgánico, es más conveniente reportar el efecto en unidades del miligramo de oxígeno que se pueden consumir por litro de agua, en lugar de identificar los cientos de compuestos individuales que pueden estar presentes. Esta unidad se refiere ya sea a la demanda bioquímica de oxígeno (BOD) o a la demanda química de oxígeno (COD). INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC 8/30/11 2:38:23 PM 2.5 Otro tipo de unidades e j e m p l o / 2.16 47 Determinación de las concentraciones de partículas en una muestra de agua Cierto laboratorio entrega el siguiente análisis obtenido de 50 mL de una muestra de aguas negras: partículas totales = 200 mg/L, total de partículas suspendidas = 160 mg/L, partículas suspendidas fijas = 40 mg/L y partículas suspendidas volátiles = 120 mg/L. 1. ¿Cuál es la concentración del total de partículas disueltas en esta muestra? 2. Suponga que se ha pasado la muestra a través de un filtro de fibra de vidrio, y que el filtro después se ha colocado en un horno a 550° C de un día para otro. ¿Cuál podría ser el peso de las partículas (en mg) que quedaron atrapadas en el filtro? 3. ¿Acaso la muestra es turbia? Calcule el porcentaje de partículas que son materia orgánica. solución 1. Vea la figura 2.3 para observar la relación entre las diferentes partículas. TDS es igual a TS menos TSS; por lo tanto, TDS = 200 mg L − 160 mg L = 40 mg L 2. Las partículas que quedaron en el filtro son las partículas sólidas. (Las partículas disueltas habrán pasado a través.) Debido a que el filtro fue sometido a una temperatura de 550° C, la medición de las fracciones de las partículas volátiles y fijas se logró, es decir, VSS y FSS. Sin embargo, las fracciones volátiles se quemaron durante la fase de ignición, en tanto que lo que se quedó atrapado en el filtro fueron las fracciones de partículas suspendidas inertes o fijas. En consecuencia, este problema requiere las fracciones fijas de las partículas suspendidas. Los 50 mL de la muestra tienen 40 mg/L de FSS correspondientes. Por lo tanto, FSS = = 40 mg L = peso de las partículas suspendidas que quedaron en el filtro tras la ignición muestra en mL x 50 mL Se despeja la incógnita x, que resulta igual a 2 mg. 3. La muestra es turbia debido a las partículas suspendidas que se han medido como TSS. Si se hubiera dejado reposar la muestra durante un tiempo, las partículas suspendidas se habrían asentado y la capa superior de agua no aparecería turbia. Las partículas que se encontraron en esta muestra contienen al menos 60% de materia orgánica. El total de partículas concentradas es de 200 mg/L, y de ellas, 120 mg/L son partículas volátiles suspendidas. Debido a que las partículas volátiles consisten principalmente en materia orgánica, se puede concluir que aproximadamente 60% (120/200) de las partículas son orgánicas. INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC c02.indd 47 ALFAOMEGA 8/30/11 2:38:23 PM 48 Capítulo 2 Mediciones ambientales Términos clave • base equivalente • concentraciones masa/masa • constante universal de los gases ideales • constituyente común • demanda bioquímica de oxígeno (BOD) • demanda química de oxígeno (COD) • dureza • equivalentes de carbono • equivalentes de dióxido de carbono • fracción de sustancia • índice de potencial de calentamiento global (GWP) • ley de los gases ideales ALFAOMEGA c02.indd 48 • • • • • • mol por litro molalidad • partículas suspendidas volátiles (VSS) molares • peso equivalente molaridad • porcentaje por masa normalidad • presión parcial Panel Intergubernamental del Cambio Climático • razón mol • partes por billón por masa (ppbm) • partes por billón por volumen (ppbv) • representación por efecto • total de partículas (TS) • total de partículas disueltas (TDS) • partes por millón por masa (ppm o • total de partículas sólidas • partes por millón por volumen • total de partículas suspendidas • partes por trillón por masa (pptm) • unidades de mg de CaCO3/L ppmm) (ppmv) suspendidas (TSS) (TSP) • partículas suspendidas fijas (FSS) INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC 8/30/11 2:38:23 PM c a p í t u l o / Dos 2.1 a) Durante el tratamiento del agua potable se agregaron 17 lb diarias de cloro para desinfectar 5 millones de galones de agua. ¿Cuál es la concentración acuosa del cloro en mg/L? b) La demanda de cloro es la concentración de cloro que se usó durante la desinfección. El cloro residual es la concentración de cloro que permanece tras el tratamiento a fin de que conserve su poder desinfectante a lo largo del sistema de distribución del agua. Si el cloro residual es de 0.20 mg/L, ¿cuál es la demanda de cloro en mg/L? 2.2 Una muestra de agua contiene 10 mg de NO3−/L. ¿Cuál es la concentración en a) ppmm, b) mol/L, c) mg de NO3−-N y d) ppbm? 2.3 Una muestra líquida tiene una concentración de hierro (Fe) de 5.6 mg/L. La densidad del líquido es de 2 000 gm/L. ¿Cuál es la concentración del Fe en ppmm? 2.4 La bacteria coliforme (ejemplo, E. coli) se excreta en grandes cantidades mediante las heces fecales humanas y animales. El agua que cumple con un estándar de menos de una coliforme por 100 mL es considerada segura para el consumo humano. ¿Es segura para el consumo humano una muestra de agua de 1 L que contiene 9 coliformes? 2.5 El agua procedente de una planta tratadora de aguas negras de origen doméstico contiene 9 mg N/L de amoniaco y 0.5 mg N/L de nitrito. Convierta estas concentraciones a mg NH3/L y mg NO2−/L. 2.6 Las concentraciones de nitrato que exceden los 44.3 mg NO3−/L representan un problema en el agua potable en casos como el de la enfermedad infantil conocida como metahemoglobina. Se reportó que tres pozos rurales presentan concentraciones de nitrato de 0.01 mg NO3−-N, 1.3 NO3−-N y 20 NO3−-N. ¿Alguno de estos tres pozos excede el nivel de los 44.3 ppmm? 2.7 El mirex (MW = 540) es un pesticida orgánico totalmente clorado que se fabrica para combatir a las hormigas rojas. Debido a su estructura es muy poco reactivo, de manera que persiste en el medio ambiente. Las muestras de agua del Lago Erie han presentado mediciones de mirex de hasta 0.002 μg/L, y las muestras de truchas del Lago tienen 0.002 μg/g. a) ¿Cuál es la concentración acuosa del mirex en unidades de i) ppbm, ii) pptm y iii) μM en las muestras de agua? b) ¿Cuál es la concentración de mirex en i) ppmm y ii) ppbm en las muestras de pescado? 2.8 Los clorofenoles causan un sabor y olor desagradables en el agua potable, incluso a concentraciones tan bajas como 5 mg/m3. Se forman cuando se aplican procesos de INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC c02.indd 49 Problemas desinfección con cloro a aguas que contienen fenol. ¿Cuál es el umbral de estos desagradables sabor y olor en unidades de a) mg/L, b) μg/L, c) ppmm y d) ppbm? 2.9 La concentración del ácido monocloroacético en el agua de lluvia recopilada en Zurich fue de 7.8 nanomoles/L. Dado que la fórmula del ácido monocloroacético es CH2ClCOOH, calcule la concentración en μg/L. 2.10 Suponga que las concentraciones de Pb, Cu y Mn del agua de lluvia recopilada en Minneapolis fueron de 9.5, 2.0 y 8.6 μg/L, respectivamente. Exprese estas concentraciones en nmol/L si los pesos atómicos son, respectivamente, 207, 63.5 y 55. 2.11 La concentración del oxígeno disuelto (DO, por sus siglas en inglés) asciende a 0.5 mg/L en la zona anóxica y 8 mg/L hacia el final de un reactor biológico aireado de 108 pies de longitud. ¿Cuáles son estas dos concentraciones DO en unidades de a) ppmm, b) mol/L? 2.12 Suponga que la concentración promedio del clordano, —pesticida clorado que hoy está prohibido en Estados Unidos—, en la atmósfera que circunda el Círculo Ártico en Noruega es de 0.6 pg/m3. En vista de esta medida, aproximadamente 90% de sus compuestos se encuentran en fase gas; el resto se reduce a partículas. Para este problema, suponga que todos los compuestos se presentan en fase gas, que la humedad es tan baja que es despreciable y que la presión barométrica promedio es 1 atm. Calcule la presión parcial del clordano. La fórmula molecular del clordano es C10Cl8H6. La temperatura promedio del aire durante todo el periodo de medida fue de −5° C. 2.13 ¿Cuál es la concentración en a) ppmv y b) el porcentaje por volumen del monóxido de carbono (CO) con una concentración de 103 μg/m3? Asuma una temperatura de 25° C y una presión de 1 atm. 2.14 Las máquinas que nivelan la superficie del hielo utilizan motores de combustión interna cuyas emisiones contienen CO y Nox. Se reporta que las concentraciones promedio de CO que se midieron en las pistas de patinaje alcanzan el límite superior de 107 ppmv y el inferior de 36 ppmv. ¿Cómo se comparan estas concentraciones con la calidad del aire en el exterior 1-h estándar de 35 mg/m3? Suponga que la temperatura es igual a 20° C. 2.15 Es común que al interior de los edificios diseñados y construidos de manera inapropiada exista formaldehído en el aire. Si la concentración del formaldehído en un hogar alcanza 0.7 ppmv y el volumen interno es de 800 m3, ¿cuál ALFAOMEGA 8/30/11 2:38:23 PM 50 Capítulo 2 Mediciones ambientales es la masa (en gramos) de vapor de formaldehído dentro de la casa? Suponga que T = 298 K y que P = 1 atm. El peso molecular del formaldehído es 30. 2.16 La concentración del ozono (O3) en Beijing en un día de verano (T = 30° C, P = 1 atm) es de 125 ppbv. ¿Cuál es la concentración de O3 en unidades de a) μg/m3 y b) moles de O3 por 106 moles de aire? 2.23 La concentración de tolueno (C7H8) en muestras recopiladas después de que se retiró un tanque de almacenamiento subterráneo indican que la concentración de tolueno era de 5 mg/kg. ¿Cuál es su concentración en ppmm? 2.17 Un globo se llena con exactamente 10 g de nitrógeno (N2) y 2 g de oxígeno (O2). La presión de la habitación es de 1.0 atm y la temperatura es de 25° C. a) ¿Cuál es la concentración de oxígeno en el globo expresada como porcentaje del volumen? b) ¿Cuál es el volumen (en litros) del globo después de haber explotado? 2.24 Durante su visita a Zagreb, Croacia, Arthur Van de Lay admira el Museo de Arte Mimara así como la grandiosa arquitectura de la ciudad. Se detiene en un café en la zona antigua y ordena una botella de agua mineral. La concentración química del agua se reporta como: [Na+] = 0.65 mg/L, [K+] = 0.4 mg/L, [Mg2+] = 19 mg/L, [Ca2+] 35 = mg/L, [Cl−] = 0.8 mg/L, [SO42−] = 14.3 mg/L, [HCO3−] = 189 mg/L, [NO3−] = 3.8 mgL. El pH del agua es de 7.3. a) ¿Cuál es la dureza del agua en mg/L de CaCO3? b) ¿Es correcto el análisis químico? 2.18 Cierta mezcla de gas contiene 1.5 × 10−5 moles de CO 2.25 En 2004, los vertederos de Estados Unidos emitieron y tiene un total de 1 mol. ¿Cuál es la concentración del CO en ppmv? 2.19 El aire “puro” puede contener dióxido de sulfuro (SO2) en concentraciones de 0.01 ppmv, en tanto que el aire “contaminado” puede tener una concentración de 2 ppmv. Convierta estas dos concentraciones a μg/m3. Asuma que la temperatura es de 298 K. 2.20 El monóxido de carbono (CO) tiene un impacto en la capacidad de los pulmones para absorber oxígeno. Se ha descubierto que la exposición a 50 ppmv de CO durante 90 minutos puede afectar la capacidad para distinguir la distancias necesarias para detenerse a tiempo; por ello, los automovilistas de lugares sumamente contaminados son más susceptibles a los accidentes. ¿Acaso se incrementa el riesgo de accidente para los automovilistas si la concentración de CO es de 65 mg/m3? Suponga que la temperatura es de 298 K. 2.21 El Departamento de Calidad del Medio Ambiente determinó que las concentraciones de toxafeno del suelo que exceden 60 μg/kg (nivel para actuar según la regulación) pueden representar una amenaza para los mantos freáticos. a) Si una muestra del suelo de 100 g contiene 10−5 g de toxafeno, ¿cuáles son las concentraciones, reportadas en unidad de ppbm, a) de toxafeno en el suelo y b) del nivel al cual se han de ejercer acciones según indica la regulación? 2.22 Los hidrocarbonos policíclicos aromáticos (PAH, por sus siglas en inglés) son químicos orgánicos que se relacionan con la combustión de combustibles fósiles. En las áreas no urbanizadas las concentraciones de PAH en el suelo son de 5 μg/kg, mientras que en las área urbanas pueden tener concentraciones con rangos que van de 600 μg/kg a 3 000 μg/kg. ¿Cuál es la concentración de PAH en las áreas no urbanizadas en unidades de ppmm? ALFAOMEGA c02.indd 50 aproximadamente 6 709 Gg de emisiones de metano y las plantas de tratamiento de aguas negras emitieron 1 758 Gg de metano. ¿Cuántos Tg de CO2 equivalentes emitieron en total en ese año? ¿Cuál es el porcentaje con el que estas dos fuentes contribuyeron al total de emisiones de metano (y de gases de efecto invernadero) en 2004? (El total de las emisiones de metano en ese año fue de 556.7 Tg CO2e y el total de emisiones de efecto invernadero fue de 7074.4 CO2e.) 2.26 La combustión móvil de N2O fue la responsable de la emisión de 42.8 Tg CO2e en el año 2004. ¿Cuántos Gg de N2O fueron? 2.27 Un laboratorio entregó un análisis con las siguientes partículas de una muestra de aguas negras: TS = 200 mg/L; TDS = 30 mg/L; FSS = 30 mg/L. a) ¿Cuál es la concentración de partículas suspendidas sólidas en esta muestra? b) ¿Contiene cantidades apreciables de materia orgánica? ¿Por qué? 2.28 Se toma una muestra de 100 mL del proceso de tratamiento de aguas negras municipales. Se coloca en un disco de secado (cuyo peso = 0.5000 g antes de que se le agregue la muestra) y luego se lleva al horno a 104° C hasta que toda la humedad se evapora. El nuevo registro del peso del disco es de 0.5625 g. Se filtra una muestra similar de 100 mL, y se recupera la muestra líquida que pasa a través de un filtro, se le coloca en otro disco (peso = 0.5000 antes de que se le haya añadido la muestra). Se seca a 104° C y el peso del disco una vez seco alcanza los 0.5325 g. Determine la concentración (en mg/L) de a) partículas sólidas totales, b) partículas suspendidas totales, c) total de partículas disueltas y d) partículas volátiles suspendidas. (Suponga que VSS = 0.7 × TSS.) INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC 8/30/11 2:38:23 PM Referencias 51 Referencias Eaton, A. D., L. S. Clesceri, E. W. Rice, A. E. Greenberg (eds.). 2005. Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater, 21a ed. Washington, D. C.: American Public Health Association, Water Environment Federation, American Waterworks Association, 1368 pp. Inventory of U.S. Greenhouse Gas Emissions and Sinks: 1990– 2004. (abril), 430-R-06-002. Mihelcic, J. R. 1999. Fundamentals of Environmental Engineering. Nueva York: John Wiley & Sons. EPA (Agencia de Protección Ambiental de Estados Unidos). 2006. INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC c02.indd 51 ALFAOMEGA 8/30/11 2:38:23 PM c a p í t u l o / Tres Química James R. Mihelcic, Noel R. Urban, Judith A. Perlinger James R. Mihelcic, Noel R. Este capítulo presenta varios procesos Urban, Judith A. Perlinger químicos importantes que describen Este capítulo presenta proceel comportamiento de varios los químicos sos químicos importantes que descrien ingeniería y en los sistemas natuben el comportamiento químirales. Comienza con de unlosanálisis cos en ingeniería y en los sistemas acerca de la diferencia entre activinaturales. Comienza con un análisis dad y concentración. Después cubre acerca de la diferencia entre activilas reacciones estequiométricas y las dad concentración. Después cubre leyesy de la termodinámica, seguidas las estequiométricas y las porreacciones la aplicación de estos principios leyes de la termodinámica, seguidas a una variedad de procesos de equipor la aplicación de estos principios librio. Posteriormente se explica la abase una variedad de procesos de equide la química cinética, así librio. Posteriormente se explica la como las leyes o constantes de velobase química así cidad de de la reacción quecinética, con frecuencomo o constantes velocia selas venleyes en los problemasdemediocidad de reacción que con frecuenambientales. cia se ven en los problemas medioambientales. Secciones principales 3.1 Aproximaciones a la química medioambiental 3.2 Actividad y concentración 3.3 Reacción estequiométrica 3.4 Leyes de la termodinámica 3.5 Volatilización 3.6 Equilibrio aire-agua 3.7 Química ácido-base 3.8 Óxido-reducción 3.9 Precipitación-disolución 3.10 Adsorción, absorción y sorción 3.11 Cinética Objetivos de aprendizaje 1. Usar la fuerza iónica para calcular los coeficientes de actividad de los electrolitos y de los no electrolitos. 2. Escribir reacciones químicas balanceadas. 3. Relacionar la práctica de la ingeniería con la primera y la segunda leyes de la termodinámica. 4. Escribir y aplicar expresiones de equilibrio y volatilización, aire-agua, ácido-base, óxido-reducción, precipitación-disolución y reacciones de sorción. 5. Aplicar los principios para balancear la masa a fin de predecir la distribución de los químicos entre diferentes medio ambientes. 6. Estimar cómo cambiarán las concentraciones durante las reacciones con el uso de las expresiones de velocidad cinética para reacciones de orden cero, de primer orden y de seudoprimer orden. 7. Determinar cómo afecta la temperatura a la velocidad de reacción. 8. Analizar cómo afectan las propiedades químicas a la distribución de los químicos desde los puntos de vista local y global. 52 c03.indd 52 8/30/11 2:40:00 PM 3.1 Aproximaciones a la química medioambiental La química es el estudio de la composición, reacciones y características de la materia. Su importancia radica en que el destino final de muchos químicos que se descargan en el aire, el agua, el suelo o en las plantas de tratamiento está regulado con base en su capacidad de reacción y especie química. El diseño, construcción y operación de los procesos de tratamientos depende entonces de procesos químicos fundamentales. Más aún, los individuos que predicen (modelan) cómo se desplazan los químicos a través de ambientes cerrados, de mantos acuíferos subterráneos, aguas superficiales, suelo, atmósfera, o bien en un reactor, están interesados en saber si un químico se degrada con el tiempo y en describir de manera matemática la tasa de desaparición química o de la recuperación de las condiciones de equilibrio. Se usan dos muy diferentes enfoques para evaluar el destino de un químico y su tratamiento: la química cinética y el equilibrio. La cinética se ocupa de la tasa de reacción y el equilibrio trata el resultado final de las reacciones, el estado en que se detienen. El enfoque cinético es apropiado cuando la reacción es lenta en relación con nuestro marco temporal de referencia o cuando interesa saber la tasa de cambio de la concentración. El enfoque del equilibrio es útil cuando las reacciones son muy rápidas, cuando se quiere saber en qué dirección irá una reacción o cuando se desean conocer las condiciones estables finales que existirán al alcanzar el equilibrio. Si las reacciones ocurren muy rápidamente en relación con el marco de referencia temporal que interesa, las condiciones finales resultantes de tal reacción son posiblemente más interesantes que las tasas a las que se llevan a cabo. En este caso, se usa el enfoque del equilibrio. Algunos ejemplos de reacciones rápidas en fase acuosa incluyen las reacciones ácido-base, las reacciones de complexación y algunas reacciones de transferencia de fase como la volatilización. Química verde http://www.epa.gov/greenchemistry 3.2 Actividad y concentración En el caso de una sustancia que se disuelve en un solvente, se puede pensar en la actividad como la concentración efectiva o aparente, o bien, como esa porción de la concentración verdaderamente molar de una especie, que participa en una reacción química, normalizada al estado estándar de concentración. En muchas situaciones medioambientales, la actividad y la concentración se usan de manera indistinta. Más los lugares en donde difieren enormemente son en el agua de mar, en los mantos freáticos con algún contenido de agua salada, en arroyos reciclados o de reuso y en arroyos con una alta concentración de desecho. Típicamente, la actividad se designa entre llaves { } y la concentración entre corchetes [ ]. En un sistema ideal, la energía molar que se libera de un soluto en agua depende de la fracción de sustancia. Sin embargo, esta fracción no refleja el efecto de otras especies disueltas ni la composición del agua, ambas afectarán también la energía molar liberada del soluto. Las especies químicas interactúan por enlace covalente, interacciones de van der Waals, efectos de exclusión de volumen y fuerzas electrostáticas de largo alcance (repulsión y atracción entre iones). En los sistemas acuosos diluidos, la mayoría de las interacciones se deben a fuerzas electrostáticas de largo alcance. A escala molar, estas interacciones pueden conducir a variaciones locales en los electrones potenciales de la solución, lo que resulta en un descenso de la energía total que libera el sistema. INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC c03.indd 53 División químicos de la UNEP http://www.chem.unep.ch/ ALFAOMEGA 8/30/11 2:40:01 PM 54 Capítulo 3 Química El uso de la actividad en lugar de la concentración toma en cuenta estos efectos no ideales. La actividad tiene relación con la concentración en la utilización de los coeficientes de actividad. Los coeficientes de actividad dependen de la fuerza iónica de la solución. El coeficiente de actividad de una especie individual, como una función de su fuerza iónica, se expresa mediante varias ecuaciones (cuya descripción no se detalla aquí) que se han desarrollado específicamente ya sea para los electrolitos (iones) o los no electrolitos (especies sin carga). La fuerza iónica de una solución (I o ␮) tiene unidades de mol/litro y es una medida de las interacciones electrostáticas de largo alcance en esa solución. Se puede calcular la fuerza de la siguiente manera: = 1/2 g iCi zi 2 (3.1) donde C es la concentración molar de una especie iónica i en una solución y z es la carga del ión. En la mayoría de las aguas naturales, la fuerza iónica se deriva principalmente de los cationes y aniones más importantes del entorno. Típicamente, el agua dulce tiene una fuerza iónica de 0.001 a 0.01 M, y el agua del océano tiene una fuerza iónica de aproximadamente 0.7 M. Por fortuna, para medir con facilidad se pueden correlacionar parámetros como el total de partículas sólidas disueltas (TDS) o la conductancia específica. (3.2) = 2.5 * 10-5 (TDS) en donde TDS está en mg/L, o = 1.6 * 10-5 (conductancia específica) (3.3) donde la conductancia específica se encuentra en microhmios por centímetro (␮mho/cm) y se mide con medidor de conductancia. La figura 3.1 resume los métodos para calcular los coeficientes de actividad por electrolitos y no electrolitos. Los electrolitos (por ejemplo, Pb2+, SO42−, HCO32−) tienen cierta carga; los no electrolitos (ejemplo O2, C6H6) no la tienen. e j e m p l o / 3.1 Calcular la fuerza iónica y los coeficientes de actividad por electrolitos Calcular la fuerza iónica y todos los coeficientes de actividad individuales de 1 L de solución en la que se han disuelto 0.01 mol de FeCl3 y 0.02 mol de H2SO4. solución Después de que los dos compuestos se han añadido al agua, se disociarán completamente en 0.01 M Fe3+, 0.04 M H+, 0.03 M Cl− y 0.02 M SO42−. Con la ecuación 3.1 se calcula la fuerza iónica: = 1/2 [0.01(3+)2 + 0.04(1+ ) + 0.03(1- ) + 0.02(2- )2 ] = 0.12 M ALFAOMEGA c03.indd 54 INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC 8/30/11 2:40:01 PM 3.2 Actividad y concentración e j e m p l o / 3.1 55 Continuación Esta fuerza iónica es relativamente alta pero todavía es menor que la del agua de mar. Es útil la aproximación de Davies (vea la figura 3.1) para calcular los coeficientes de actividad de los electrolitos cuando ␮ < 0.5 M: (H+ ) = 0.74, (Cl- ) = 0.74, (SO4-2 ) = 0.30, (Fe+3 ) = 0.065 Los coeficientes de actividad de los iones de valencia mayor se alejan mucho más del 1.0 para una fuerza iónica dada, es decir, para los electrolitos, el uso de un coeficiente de actividad es más importante en el caso de iones de valencia alta, porque están sumamente influenciados por la presencia de otros iones. Por lo tanto, a una fuerza iónica particular puede no ser tan importante calcular los coeficientes de actividad para iones monovalentes, pero puede que sea fundamental para iones di-, tri- y tetravalentes. PASO 1 Tras decidir si los efectos de fuerza iónica son importantes en una situación en particular, calcular la fuerza iónica de ␮= 1 Σ C z 2 (ecuación 3.1) 2 i i i o estimar la fuerza iónica después de medir el total de partículas sólidas disueltas en la solución (ecuación 3.2) o la conductividad (ecuación 3.3). PASO 2 Si la especie no es un electrolito, γ siempre será ≥ 1 Si la especie es un electrolito, γ siempre será ≤ 1 Para fuerzas iónicas bajas, ␮ < 0.1 M, Para fuerzas iónicas altas, ␮ < 0.5 M, Para todas las fuerzas iónicas use use la aproximación Güntelber (o similar): use la aproximación de Davies (o similar): log γi = ks ×␮ log γi = –A zi2 ␮½ ½ 1+␮ log γi = –A zi2 ␮½ [1 + ␮½] – 0.3␮ Figura 3.1 Proceso de dos pasos para determinar el coeficiente de actividad para electrolitos y no electrolitos. De Mihelcic (1999). Reproducido con autorización de John Wiley & Sons, Inc. INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC c03.indd 55 ALFAOMEGA 8/30/11 2:40:01 PM 56 Capítulo 3 Química e j e m p l o / 3.2 Calcular coeficientes de actividad para no electrolitos Se usa una torre de destilación de aire para retirar el benceno (C6H6) del agua de mar y del agua dulce. Suponga que la fuerza iónica del agua de mar es 0.7 M y que la del agua dulce es 0.001 M. ¿Cuál es el coeficiente de actividad para el benceno en agua salada y en agua dulce? solución Debido a que el benceno no es un electrolito, use la expresión de la figura 3.1 para determinar los coeficientes de actividad. El valor de ks (su sensibilidad a la sal) para el benceno es de 0.195. log = ks * log = 0.195 * (0.001 M): resulta en log = 0.195 * (0.7 M): resulta en (agua dulce) = 1 (agua de mar) = 1.4 Para el agua dulce, el coeficiente de actividad no se aleja mucho de 1. Resulta que hay poca desviación para los no electrolitos cuando μ < 0.1 M. En consecuencia, determinar los coeficientes de actividad para no electrolitos se convierte en algo importante para las soluciones con una alta fuerza iónica. Usualmente se supone que, en la mayoría de los sistemas de disolución medioambiental, los coeficientes de actividad para electrolitos y no electrolitos son iguales a 1. Aquellos lugares en donde pueden ser más importantes son en océanos, estuarios, mantos freáticos con contenido de agua salada y algunos arroyos reciclados o de reuso. 3.3 Reacción estequiométrica La ley de la conservación de la masa establece que en un sistema cerrado, la masa de materia permanece constante; la materia puede cambiar de forma, pero el total de la masa será el mismo. Si junto con esta ley es comprensible que los elementos se pueden combinar entre sí de numerosas maneras pero que no se transforman uno en otro (excepto en las reacciones nucleares), se llega al fundamento de la reacción de estequiometría: en un sistema cerrado el número de átomos de cada elemento permanece constante. Por lo tanto, en toda reacción química, el número de átomos de cada elemento debe ser el mismo en ambos lados de la ecuación de la reacción. Un corolario de la ley de la conservación de la masa es que las cargas eléctricas también se conservan; es decir, la suma de las cargas de cada miembro de la ecuación debe ser igual. Las cargas eléctricas son el resultado del balance entre el número de protones y de electrones que están presentes. Los protones y electrones tienen masa, y ninguno se transforma en otra partícula subatómica durante las reacciones químicas. En consecuencia, el número total de protones y electrones debe permanecer constante en un sistema cerrado. De ahí se deriva que el balance entre el número de protones y de electrones también debe permanecer constante en un ALFAOMEGA c03.indd 56 INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC 8/30/11 2:40:02 PM 3.4 Leyes de la termodinámica 57 sistema cerrado. Esto significa que las reacciones han de estar balanceadas en términos de masa y de carga, y se usa la estequiometría no sólo para convertir unidades de concentración sino también para calcular los químicos entrantes y salientes. 3.4 Leyes de la termodinámica Como lo sugiere la raíz de la palabra (thermo es igual a calor; dynamo significa cambio), la termodinámica se ocupa de las conversiones de energía de una forma a otra. La tabla 3.1 ofrece un panorama de la primera ley de la termodinámica y de la segunda ley de la termodinámica. La figura 3.2 ilustra el cambio de la energía que se libera (G) durante la reacción. En la figura 3.2 podría ocurrir el proceso si se redujera la energía que se libera Tabla / 3.1 Panorama de la primera y la segunda Leyes de la Termodinámica Ley Lo que dice Expresión matemática Lo que significa Primera ley de la termodinámica La energía se conserva; puede transformarse de una forma a otra, pero la cantidad total en un sistema cerrado es constante. Para un sistema abierto: dU = dQ - dW + dG Demuestra que el potencial químico (la energía al interior de los enlaces químicos de una molécula) constituye parte del total de la energía del sistema. En un sistema abierto se debe dar cuenta de los flujos que se dan a través de las fronteras del sistema. Segunda ley de la termodinámica Todos los sistemas suelen perder energía útil y a aproximarse a un estado en el que no se libere energía o a un estado de equilibrio. Por lo tanto, el proceso sólo se llevará a cabo espontáneamente (sin que haya entrantes de energía desde el exterior) si conduce a disminuir la energía libre del sistema (⌬G < 0). INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC c03.indd 57 donde U = contenido de energía interna, Q = contenido de calor, W = trabajo y G = energía de los químicos entrantes. Definición formal de energía libre de Gibbs: G =a i i * Ni = H - T * S En un sistema cerrado (en cuyo caso, el tercer término de la derecha estaría ausente) las reacciones que cambian el potencial químico sin cambiar el contenido interno de energía deben dar como resultado cambios equivalentes en el contenido de calor y en el trabajo desempeñado por presiónvolumen. La energía libre de Gibbs se relaciona con entalpía (H), entropía (S) y temperatura (T). La energía de los enlaces inter- e intramoleculares que mantienen unidos varios átomos y moléculas es el término entalpía, mientras que la entropía se refiere al desorden del sistema. El potencial químico de todas las sustancias presentes, ␮i, multiplicado por la abundancia de dichas sustancias, Ni, es igual a la combinación de la entalpía y la entropía presentes. ALFAOMEGA 8/30/11 2:40:02 PM 58 Capítulo 3 Química B G F D A E –ΔG C +ΔG Reacción coordinada Figura 3.2 Cambio de la energía libre (G) durante una reacción Si el cambio conduce a un decremento de la energía libre (por ejemplo, para la reacción, si la pendiente de la tangente a la curva es negativa), entonces la reacción puede proceder espontáneamente. Los puntos C y E representan posibles puntos de equilibrio porque la pendiente de sus tangentes a esos puntos sería cero. De Mihelcic (1999). Reproducido con autorización de John Wiley & Sons, Inc. de su valor en el punto A en la dirección del punto C, pero no podría ocurrir si se incrementara la energía en dirección del punto B. El proceso ocurriría desde A hasta el punto C, pero no podría ir más allá del punto D. La reacción también podría darse desde el punto D hacia el punto C o el punto E. Lo anterior debido a que en ambas direcciones se logra un descenso en la energía liberada. El punto E se llama equilibrio local. No es el punto de menor energía del sistema (lo es el punto C), pero para abandonar el punto E se requiere energía entrante. Así que, si se pudiera cuantificar la energía liberada de un sistema bajo todas las condiciones, se podrían determinar los cambios que se darían de manera espontánea en el sistema (esto es, todo cambio que causaría un descenso en la energía que se libera). )G es el cambio de la energía libre bajo condiciones ambiente (las condiciones medioambientales que prevalecen). Se calcula el valor de )G de acuerdo con la siguiente relación: )G = )G0 + RT In (Q) (3.4) en donde )G0 es el cambio de energía libre determinada bajo condiciones estándar, R es la constante universal de los gases ideales, T es la temperatura ambiente en K y Q es el cociente de reacción. )G0 se determina por reacción estequiométrica y valores tabulados que se describen en los libros de química. Otros libros de referencia pueden dar detalles acerca de la determinación y aplicación de este término (vea por ejemplo, Mihelcic, 1999). El cociente de reacción Q se define como el producto de las actividades (las concentraciones aparentes de los productos de reacción) elevadas a la potencia de sus coeficientes estequiométricos, divididos entre el producto de las actividades (o concentraciones) de los reactantes elevados al poder de su coeficiente estequiométrico. Así, para la reacción general aA + bB n cC + dD (3.5) en donde los moles a del compuesto A reaccionan con los moles b del compuesto B para formar los moles c del compuesto C y los moles d del compuesto D, Q se da mediante © Elena Korenbaum/iStockphoto. Q = {C}c {D}d (3.6) {A}a {B }b Como se observó en el ejemplo 3.2, los coeficientes de actividad (L) usualmente se suponen iguales a 1; así, Q se puede calcular con base en las concentraciones. La tabla 3.2 describe las cuatro reglas que se usan para determinar el valor a usarse para la actividad (concentración) [i] en la ecuación 3.6. Es esencial que se sigan esas reglas para realizar las actividades y los cocientes de reacción adimensional. Sólo pueden ocurrir las reacciones que resulten en cambios termodinámicamente favorables. Este cambio en el estado de la energía se conoce como energía libre de Gibbs y se denota )G. Este cambio del estado de energía es el que define la condición de equilibrio. Sin embargo, no todas las reacciones que pueden ocurrir resultarían en un cambio en la energía libre de Gibbs, y la magnitud del cambio de esta energía raramente se ALFAOMEGA c03.indd 58 INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC 8/30/11 2:40:02 PM 3.4 Leyes de la termodinámica 59 Tabla / 3.2 Regla 1 Para líquidos (por ejemplo, agua): [i] es igual a la fracción de sustancia del solvente. En soluciones acuosas se puede asumir que la fracción de sustancia de agua es 1. Así, [H20] siempre es igual a 1. Regla 2 Para sólidos puros en equilibrio con una solución (por ejemplo, CaCO3(s), Fe(OH)3(s): [i] siempre es igual a 1. Regla 3 Para gases en equilibrio con una solución (por ejemplo, CO2(g), O2(g)): [i] es igual a la presión parcial del gas (las unidades serán atm). Regla 4 Para compuestos disueltos en agua: [i] siempre se reporta en unidades de mol/L (no mg/L ni ppmm). relaciona con la velocidad de reacción. Para que ocurra una reacción, por lo general es necesario que los átomos choquen y que su colisión tenga la orientación correcta y la energía suficiente para superar la energía de activación que se requiere para la reacción. Se muestran estas relaciones energéticas en la figura 3.3. Se define equilibrio como el estado (o posición) con el mínimo posible de energía libre. Esto ocurre en el punto C en la figura 3.2. El valor de la pendiente en el punto de equilibrio (punto C) es 0. En otras palabras, en equilibrio, el cambio en la energía libre es cero. Si en equilibrio el cambio en la energía libre (⌬G) es igual a 0, el cociente de reacción en equilibrio (vea la ecuación 3.5) normalmente se escribe con un símbolo especial, K, y se le da un nombre especial, constante de equilibrio. La constante de equilibrio para la reacción de la ecuación 3.5 se da por el cociente de reacción en equilibrio, Qeqn: Qeqn = Recuadro / 3.1 3C 4c 3D4d 3A4a 3B4b = K c03.indd 59 Energía de activación Reactantes ΔG Productos Alcance de la reacción Figura 3.3 Relaciones energéticas que se necesitan para que ocurra una reacción. ¢G se denomina energía libre de Gibbs. De Mihelcic (1999). Reproducido con autorización de John Wiley & Sons, Inc. (3.7) Efecto de la temperatura en la constante de equilibrio Las constantes de equilibrio más comunes en los tabuladores se han registrado a 25° C. Se usa la relación van’t Hoff (ecuación 3.8) para convertir las constantes de equilibrio a temperaturas diferentes que aquellas para las cuales hay valores tabulados. Van’t Hoff descubrió que la constante de equilibrio (K) variaba con la temperatura absoluta y la INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC Nivel de energía libre Reglas para determinar el valor de [i ] Estas reglas determinan cuál es el valor que ha de usarse para la actividad (por ejemplo, concentración), su término [i ] de la especie química i. Es esencial seguir estas reglas para realizar actividad y cocientes de reacción adimensional. entalpía de una reacción (¢H0). Van’t Hoff propuso la siguiente expresión para describirlo: ¢H 0 d ln K = dT RT2 (3.8) ALFAOMEGA 8/30/11 2:40:02 PM 60 Capítulo 3 Química Recuadro / 3.1 Continuación En este caso se encuentra ΔH0 a partir de la formación de calor (ΔH0f) de la reacción que interesa en condiciones estándar. La mayoría de las temperaturas que se hallan en los problemas medioambientales son relativamente pequeñas (por ejemplo, 0° C a 40° C). Por lo tanto, las diferencias de temperatura no son tan grandes. Si se supone que ΔH0 no cambiará más allá del rango de temperatura de la investigación, la ecuación 3.8 da lugar a ln c K2 K1 d = ¢H0 1 1 * a b R T1 T2 (3.9) La ecuación 3.9 se puede usar para calcular un equilibrio constante para cualquier temperatura (ejemplo, temperatura 2, T2) si se conoce el equilibrio constante y otra temperatura absoluta (T1, que usualmente es 20° C o 25° C). La constante de equilibrio es útil porque brinda la tasa o velocidad de concentración (actividad) de los reactantes individuales y de los productos para cualquier reacción en equilibrio. Recuerde, se deben incluir los coeficientes de actividad si las condiciones no son ideales y estos coeficientes se elevan a los valores estequiométricos adecuados. No confunda la constante de equilibrio, K, con la tasa de velocidad de reacción, k, que se abordará más adelante en este capítulo. K es la constante para una reacción específica (siempre y cuando la temperatura sea constante). Como se revisó en la figura 3.4, las constantes de equilibrio y los coeficientes de partición se definen para las reacciones que describen volatilización (presión de saturación), intercambio de aire-agua (constante de la ley de Henry, KH), química ácido-base (Ka y Kb), reacciones de óxido-reducción (K), reacciones de precipitación-disolución (Ksp) y de partición de sorción (Kd, Kp, Koc, K). 3.5 Volatilización Un paso clave en la transferencia de contaminantes entre medioambientes diferentes es la volatilización. Todos los líquidos y los sólidos se encuentran en equilibrio con una fase gas o de vapor. La volatilización (sinónimo de evaporación en el caso del agua) es la transformación de un compuesto desde su estado líquido al estado gaseoso. Se usa la palabra sublimación para las transformaciones del estado sólido al gaseoso. Para la reacción inversa se usa el término condensación. Muchas personas han experimentado de primera mano el fenómeno de la sublimación del agua. El vapor de agua en la atmósfera (la humedad) es una función de la temperatura. Los refrigeradores modernos mantienen la humedad baja en el interior para impedir que se acumule la escarcha, todo el hielo que se forma se sublima o se vaporiza. De la misma manera, disminuye la cantidad de nieve del suelo entre una nevada y otra, debido en parte a la sublimación de la nieve. Muchos contaminantes orgánicos se volatilizan más fácilmente que el agua. Los vapores de la gasolina, de los adelgazantes de pinturas, de ceras y pegamentos son pruebas de la volatilidad de los químicos orgánicos contenidos en estos productos de uso común. La volatilización de los químicos puede dar como resultado una transferencia regional y de largo alcance de estos químicos, a lugares lejanos donde sus efectos adversos se detectan en el medio ambiente (vea la figura 3.5). ALFAOMEGA c03.indd 60 INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC 8/30/11 2:40:03 PM 3.5 Volatilización Sección Reacción Notación de equilibrio constante Figura 3.4 Procesos de equilibrio importantes para la ingeniería ambiental Adaptado de Mihelcic (1999). Reproducido con autorización de John Wiley & Sons, Inc. Químico en el aire 3.5 Volatilización 61 Presión parcial Químico puro Químico en el aire Constante de la ley de Henry (KH o H) 3.6 Equilibrio agua-aire Químico disuelto en agua 3.7 Química ácido-base Ácido ↔ base conjugada + H+ o – Base ↔ ácido conjugado + OH Constante de acidez (Ka) o constante basal (Kb) 3.8 Óxido-reducción Electrón receptor (oxidante) + e– Electrón donador (reductante) 3.9 Precipitación-disolución Sólido químico ↔ Químico disuelto 3.10 Adsorción, absorción, sorción Químico en sólido Constante de equilibrio (K) Producto de solubilidad (Ksp) Partición suelo-agua (Kp, Kd, Koc); Parámetros de Freundlich (K, 1/n) Químico disuelto en agua El equilibrio entre un gas y la fase de líquido o sólido puro se determina por la presión de saturación del compuesto. Presión de saturación se define como la presión parcial de una sustancia en fase gas que existe en equilibrio con la fase líquida o sólida de la sustancia a una temperatura dada. Mientras más volátil es un compuesto, mayor será su presión de saturación. Por ejemplo, la presión de saturación del solvente tetracloroetileno (PCE) es de 0.025 atm a 25° C, mientras que la presión de saturación del pesticida lindano es de 10−6 atm a la misma temperatura. Es claro que el lindano es mucho menos volátil que los PCE. Para fines de esta comparaINGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC c03.indd 61 ALFAOMEGA 8/30/11 2:40:03 PM 62 Capítulo 3 Química Discusión en clase Aunque se ha prohibido el uso de muchos contaminantes orgánicos persistentes en muchos países industrializados, su manufactura y exportación continúa y/o su uso es continuo y generalizado sin que haya regulaciones en muchas partes del mundo. Estos químicos se volatilizan más fácilmente en la superficies cálidas del sur de Estados Unidos y de las regiones tropicales y subtropicales del mundo. Luego se condensan y se depositan en latitudes altas, donde las temperaturas son más frescas. La vida silvestre como las focas, las ballenas asesinas y los osos polares, al igual que la poblaciones humanas como los inuit, que residen en el Ártico, se ven afectados injustamente con el riesgo derivado de la producción y uso de estos químicos. En virtud de esta información, ¿qué soluciones equitativas se pueden concebir para generaciones futuras? ALFAOMEGA c03.indd 62 Figura 3.5 Diseminación de químicos por volatilización Al proceso de exportar químicos tóxicos hacia otros países mediante el transporte atmosférico se le denomina “el círculo del veneno”. Los contaminantes orgánicos persistentes (POPs) se han concentrado en la cadena alimenticia, en donde causan efectos tóxicos para la reproducción de los animales, su desarrollo y sus funciones inmunológicas. El Departamento de Estado estadounidense considera los POPs como “uno de los más grandes desafíos ambientales que enfrenta el mundo.” Los POPs incluyen los bifenilos policlorados (PCB), dibenzo-p-dioxinas policloradas y los furanos, así como pesticidas como el DDT, toxafeno, clordano y heptacloro. De Mihelcic (1999). Reproducido con autorización de John Wiley & Sons, Inc. ción, el agua a 25° C tiene una presión de saturación ligeramente más alta (0.031 atm) que los PCE. En otras palabras, si se dejaran contenedores o restos de PCE a la intemperie en presencia de contenedores de agua, habría aproximadamente igual cantidad de PCE y agua en la atmósfera de un lugar cerrado. El equilibrio entre las fases gaseosa y líquida se puede expresar en la forma usual de una reacción química con una constante de equilibrio: H2O(1) 4 H2O(g) (3.10) La ecuación 3.10 indica que el agua líquida está en equilibrio con el agua gaseosa (vapor de agua). El equilibrio constante (denominado presión de saturación) para esta reacción es: INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC 8/30/11 2:40:03 PM 3.5 Volatilización K= 3H2O(g)4 3H2O(1)4 = PH2O 63 (3.11) donde PH2O es la presión parcial del agua. Debido a que la concentración (suponga que es igual a la actividad, ejemplo, γ = 1.0) de un líquido puro se define como 1.0 (recuerde la Regla 1 de la tabla 3.2), la constante de equilibrio es simplemente igual a la concentración en la fase vapor (llamada presión de saturación). Una manera de expresar la concentración en la fase gas es como presiones parciales; por lo tanto, las unidades con las que con frecuencia se expresa la constante de equilibrio por volatilización son atmósferas. Si estuviera presente una mezcla de fluidos miscibles (mutuamente solubles), en lugar de un líquido puro, el denominador de la ecuación 3.11 sería la concentración del líquido individual (A) en fracciones mol, XA: K = 3A(g)4 3A(l)4 = PA XA (3.12) La ecuación 3.12 se conoce como la ley de Raoult. La constante, K, es igual a la presión de saturación. La ley de Raoult es útil siempre que sea una mezcla de productos químicos (por ejemplo, gasolina, combustible diesel o queroseno). La presión de saturación de todos los compuestos se incrementa con la temperatura y en el punto de ebullición del compuesto, la presión de vapor es igual a la presión atmosférica. Esta afirmación tiene consecuencias prácticas. Primero, las concentraciones atmosféricas de las sustancias volátiles suelen ser más altas en verano que en invierno, en el día en comparación con la noche y en lugares cálidos. Segundo, para todo grupo similar de químicos líquidos expuestos al aire, el equilibrio de la concentración en la fase gaseosa disminuirá a fin de incrementar sus puntos de ebullición. Recuadro / 3.2 c03.indd 63 ¿Existen anuncios que alerten a no pescar en la región en la que usted vive? ¿Cuáles son las fuentes de mercurio, además de la combustión de combustibles fósiles y cuáles son los segmentos de la población que tienen el riesgo mayor? ¿Se encuentran distribuidos de manera equitativa los riesgos y los beneficios medioambientales entre todos los segmentos de la sociedad? La complejidad de los problemas medioambientales Una característica de los problemas medioambientales es que raramente están confinados a un solo medio. Por ejemplo, gran parte del mercurio que se ha descargado al medio ambiente se emitió en primera instancia como aire contaminante, pero su efecto más dañino se verifica en los lagos, después de que se ha trasladado a través de la atmósfera y se ha depositado en un lago, luego sufre un proceso de transformación biológica llamada metilación. Esto provoca que el mercurio se bioacumule en los peces, proceso que ha causado miles de advertencias que aconsejan no pescar en lagos estadounidenses. Mucho de ese mercurio se ha liberado de la combustión de carbón que se usa para generar electricidad. Se invita a los lectores a que vuelvan a ver la figura 1.7a (capítulo 1) en la que se muestran los proyectos para el año 2030 para generar electricidad principalmente a partir de la combustión de carbón y que no son fuentes de energía renovable. INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC Discusión en clase Además, se espera que China duplique su consumo de carbón hacia el 2020, y que la migración de su población de áreas rurales a las urbanas provoque un incremento en el uso de energía per cápita. También se previó que China excediera las emisiones de gases de efecto invernadero de Estados Unidos en el año 2009, principalmente a causa de su plan de consumir sus vastas reservas de carbón. El quemar combustibles fósiles como el carbón no sólo conduce a un cambio climático, sino que también incurre en costos futuros en lo económico, social y medioambiental que deberán pagar generaciones presentes y futuras, todo ello por liberar la neurotoxina de mercurio. Los sistemas de ingeniería y las políticas públicas en desarrollo que conservan la energía, así como el tamaño adecuado de los edificios y otros componentes de la construcción del medio ambiente pueden tener varios impactos benéficos mutuos en la economía, la sociedad y el medio ambiente. ALFAOMEGA 8/30/11 2:40:03 PM 64 Capítulo 3 Química e j e m p l o / 3.3 Cálculo de la concentración gaseosa en un área confinada El viernes por la tarde un trabajador derrama 1 L de tetracloroetileno (PCE) en el piso del laboratorio. El empleado inmediatamente cierra todas las puertas y ventanas, apaga la ventilación para evitar que se contamine el resto del edificio. Notifica a las autoridades en seguridad correspondientes, pero es el lunes en la mañana cuando los oficiales llegan con un equipo de personas para limpiar el laboratorio. ¿Deberían llevar un trapeador o una bomba de aire para limpiar la habitación? El volumen del laboratorio es de 340 m3 y la temperatura de la habitación es de 25° C. La presión de vapor para el PCE es de 0.025 atm, la densidad del líquido a 25° C es de 1.62 g/ cm3 y el peso molecular es de 166 g/mol. solución El PCE es un químico volátil. El problema pregunta cuánto del litro derramado permanece en el suelo contra cuánto se volatilizó en el aire. Si quedó algo de PCE en el suelo, la presión parcial del PCE en el aire sería de 0.025 atm. Se puede usar la ley del gas ideal para resolver el número de moles presentes en el aire (el término n/V aportaría la concentración): PV = n = RT QUÍMICA VERDE www.epa.gov/gcc ALFAOMEGA c03.indd 64 (0.025 atm) * (340 m3 ) * a 1 000 L m3 0.08205 L-atm * (298 K) mol-K b = 348 mol La densidad del PCE se puede emplear para determinar que el derrame de 1 L pesa 1620 g. Con el uso del peso molecular de PCE, el litro derramado contendría 9.8 moles de PCE. Esto es mucho menos que la cantidad que potencialmente se volatilizaría en el aire de la habitación (348 moles), suponiendo que se haya alcanzado el equilibrio. Así, puede concluirse que no quedaría PCE en el suelo y que estaría totalmente en el aire. El equipo de limpieza debería llegar equipado con una bomba de aire y con filtros. Este problema demuestra otro punto importante: la química y la ingeniería deben volverse “verdes”. Si se sustituyera el PCE por un químico verde, no habría riesgos y así no habría preocupaciones por derrames. Mejor aún, quizá el proceso en el cual se usó el PCE se podría cambiar de manera que no se necesitaran químicos en lo absoluto. Este tipo de pensamiento resultaría en una disminución de los riesgos a la salud, ya que los trabajadores no estarían expuestos a químicos tóxicos. También habría ahorros si no hubiera necesidad de pagar equipos de limpieza para remediar problemas, sin requerimientos de energía para la fase de remediación, habría menos papeleo producto de las regulaciones gubernamentales para el manejo y almacenamiento del PCE y no habría costos de seguros asociados con el almacenaje y uso del PCE. La compañías podrían incluso incrementar su participación de mercado al anunciar que sus instalaciones son responsables desde el punto de vista social y medioambiental. INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC 8/30/11 2:40:03 PM 3.6 Equilibrio aire-agua 65 3.6 Equilibrio aire-agua Se usa la constante de la ley de Henry, KH, para describir el equilibrio químico entre las fases aire y agua (que a veces se nombran fases disueltas y acuosas). A esta situación se le llama equilibrio aire-agua. La ley de Henry es sólo un caso especial de la ley de Raoult (ecuación 3.12) aplicada a los sistemas de disolución (la mayoría de las condiciones medioambientales están en disolución). Debido a que la fracción de sustancia de una sustancia disuelta en un sistema de disolución consiste en un número muy pequeño, normalmente se usan más las concentraciones como los mol/L que las fracciones de sustancia. También la ecuación 3.12 se puede usar para estimar la ley de Henry en caso de no contar con datos confiables provenientes de un experimento. Para determinar la ley de Henry en un químico en particular, divida la presión de saturación del químico entre su solubilidad acuosa. Las unidades de la ley de Henry varían en función de su dirección, si la reacción de intercambio aire-agua se da en el sentido de transferencia de la fase gaseosa a la fase acuosa o de la fase acuosa a la fase gaseosa. Además, puede ocurrir que en la ley de Henry no haya unidades. Por ello es importante usar las unidades adecuadas y entender por qué se usa cierto tipo de unidades, amén de ser capaz de convertir de unas unidades a otras. 3.6.1 CONSTANTE DE LA LEY DE HENRY CON UNIDADES PARA UN GAS QUE SE DISUELVE EN UN LÍQUIDO El intercambio aire-agua de un gas (en esta caso, oxígeno) de la atmósfera hacia el agua en la dirección progresiva (descrita en la figura 3.4) se puede escribir como (3.13) O2(g) 4 O2(aq) La expresión de equilibro para esta reacción es: KH = 3O2(aq)4 3O2(g)4 = 3O2(aq4 P O2 (3.14) El valor de la constante en la ley de Henry, KH, a 25° C para el oxígeno es 1.29 × 10−3 mol/L-atm. En este caso, las unidades de KH son mol/L-atm. La reacción se escribió como una transferencia del gas oxígeno hacia la fase acuosa en sentido progresivo porque en este caso se tiene interés en la manera en que la composición del gas afecta la composición de la solución acuosa. Así, el equilibrio en la concentración de la presión de saturación del oxígeno de las aguas superficiales es una función de la presión parcial del oxígeno en la atmósfera y de la constante de la ley de Henry. La concentración del oxígeno disuelto en el agua, en equilibrio con la atmósfera, es de 14.4 mg/L a 0° C y 9.2 mg/L a 20° C. Este valor demuestra que la solubilidad del oxígeno en el agua depende de la temperatura del agua (razón por la que las truchas prefieren las aguas frías). Para la reacINGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC c03.indd 65 ALFAOMEGA 8/30/11 2:40:04 PM 66 Capítulo 3 Química e j e m p l o / 3.4 Uso de la ley de Henry para determinar la solubilidad acuosa del oxígeno Calcule la concentración del oxígeno disuelto (en unidades mol/L y mg/L) en cierta agua en equilibrio con la atmósfera a 25° C. La constante de la ley de Henry para el oxígeno a 25° C es 1.29 * 10−3 mol/L-atm. solución La presión parcial del oxígeno en la atmósfera es de 0.21 atm. La ecuación 3.14 se puede adaptar para dar lugar a KH * PO2 = 3O2(aq) 4 = (1.29 * 10-3 = 2.7 * 10-4 mol L-atm ) * 0.21 atm mol L Por lo tanto, la solubilidad del oxígeno a esta temperatura es de 2.7 * 10−4 mol/L. Si este valor se multiplica por el peso molecular del oxígeno (32 g/mol), la solubilidad se reporta como 8.7 mg/L. ción que se describe en la ecuación 3.13, el cambio en la formación de calor (ΔH0) en condiciones estándar es de -3.9 kcal. Ya que ¢H0 es negativa, la ecuación 3.13 se puede escribir como O2(g) 4 O2(aq) + calor (3.15) Un incremento en la temperatura (o la adición de calor al sistema), según el principio de Le Châtelier, favorecerá la reacción que tienda a disminuir el incremento en la temperatura. El efecto es conducir la reacción de la ecuación 3.15 hacia la izquierda, en donde consume calor, lo que disminuye el incremento de temperatura del proceso. Por lo tanto, en equilibrio, ante un incremento en la temperatura, existirá mayor presencia de oxígeno en la fase gaseosa; así, la solubilidad del oxígeno disuelto será menor ante un aumento de la temperatura. 3.6.2 CONSTANTE DE LA LEY DE HENRY ADIMENSIONAL PARA ESPECIES QUE TRANSFIEREN DE LA FASE LÍQUIDA A LA FASE GASEOSA En el caso de transferencias de un químico disuelto en una fase acuosa a la atmósfera, el equilibrio químico entre el gas y el químico en fase líquida se describe como una reacción inversa de la ecuación 3.13. Por ejemplo, para el químico tricloroetileno (TCE), ALFAOMEGA c03.indd 66 INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC 8/30/11 2:40:04 PM 3.6 Equilibrio aire-agua TCE(aq) 4 TCE(g) 67 (3.16) En este caso, la expresión de equilibrio se escribe como KH = 3TCE(g)4 3TCE(aq)4 (3.17) donde el TCE en fase gaseosa se describe con unidades de mol/L de gas, no como presión parcial. De manera correspondiente, la constante de la ley de Henry, KH, tiene unidades de mol por litro de gas divididas entre mol/L de agua, las cuales se cancelan. Por lo tanto, en este caso, algunos dicen que la constante de Henry es adimensional. De hecho, realmente tiene unidades de litros de agua por litros de aire. Otras unidades para la constante de Henry incluyen atm y L-atm/mol. Las constantes de la ley de Henry que tienen unidades y aquellas sin unidades se pueden relacionar con el uso de la ley del gas ideal. La tabla 3.3 muestra algunas conversiones para las constantes de la ley de Henry. Tabla / 3.3 Unidades de conversión para las constantes de la ley de Henry KH a KH a KH a KH a LH2O b = Laire L-atm mol LH2O Laire KH a mol RT LH2O Laire b * RT KH (atm) RT * 55.6 b = KH (atm) = KH a KH (atm) = KH a R = 0.08205 b mol b = KH a b = L-atm L-atm mol H2O LH2O KH(atm) mol H2O 55.6 LH2O L-atm mol LH2O Laire atm-L b * 55.6 mol H2O LH2O b * RT * 55.6 mol H2O LH2O mol-K FUENTE: De Mihelcic (1999). Reproducido con autorización de John Wiley & Sons, Inc. INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC c03.indd 67 ALFAOMEGA 8/30/11 2:40:04 PM 68 Capítulo 3 Química e j e m p l o / 3.5 Conversión entre constantes de la ley de Henry con y sin unidades de medición La constante de la ley de Henry para las reacciones de transferencia de oxígeno del aire al agua es de 1.29 * 10-3 mol/L-atm a 25° C. ¿Cuál es la KH adimensional para la transferencia de oxígeno del agua al aire a 25° C? solución El problema requiere la ley de Henry para la reacción inversa. Por lo tanto, la constante de Henry que se da es igual a la inversa de 1.29 * 10−3 mol/L-atm o 775 L-atm/mol para la transferencia de oxígeno acuoso a la fase gaseosa. Resuelva con la ley del gas ideal: 775 L-atm mol KH (adimensional) = a 0.08205 L-atm mol-K = 32 b * (298 K) 3.7 Química ácido-base La química ácido-base es importante para el tratamiento de la contaminación y para la comprensión del destino y de la toxicidad de los químicos que se descargan en el medio ambiente. 3.7.1 pH Por definición, el pH de una solución es: (3.18) pH = - log[H+ ] donde [H+] es la concentración del ión hidrógeno. La escala de pH en un sistema acuoso va desde 0 a 14, en la cual las soluciones ácidas tienen un pH por debajo de 7 y las soluciones básicas tienen un pH por encima de 7 y las soluciones neutrales tienen un pH cercano a 7. De todas las aguas naturales, 95% tienen un pH entre 6 y 9. El agua de lluvia que no ha sido afectada por las emisiones antropogénicas de lluvia ácida tiene un pH de aproximadamente 5.6 debido a la presencia de dióxido de carbono disuelto que se origina en la atmósfera. Las concentraciones de OH- y de OH+ se relacionan entre sí a través de la reacción de equilibrio de la disociación del agua: (3.19) H2O 4 H+ + OH- La constante de equilibrio para la disociación del agua (KW) para la ecuación 3.19 es igual a 10-14 a 25° C. Así, Kw = 10-14 = 3H+4 * 3OH-4 ALFAOMEGA c03.indd 68 (3.20) INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC 9/13/11 6:22:53 PM 3.7 Química ácido-base 69 Tabla / 3.4 Constante de disociación para el agua a varias temperaturas y pH resultante de una solución neutra Temperatura (°C) Kw pH de una solución neutra 0 0.12 * 10-14 7.47 15 0.45 * 10-14 7.18 20 0.68 * 10-14 7.08 25 1.01 * 10-14 7.00 30 1.47 * 10-14 6.92 FUENTE: De Mihelcic (1999). Reproducido con autorización de John Wiley & Sons, Inc. La ecuación 3.20 permite determinar la concentración de H+, o bien de OH- si se conoce la otra. La tabla 3.4. muestra el rango de KW a temperaturas importantes en el medio ambiente. A 25° C en agua pura, el [H+] es igual a [OH-]; por lo que [H+] = 10-7 y el pH del agua pura es igual a 7.00. Sin embargo, a 15° C, el [H+] es igual a 10-7.18, por lo que el pH de una solución neutra a esta temperatura es igual a 7.18. 3.7.2 DEFINICIÓN DE ÁCIDOS Y BASES Y SUS CONSTANTES DE EQUILIBRIO Los ácidos y las bases son sustancias que reaccionan con los iones de hidrógeno [H+]. Un ácido se define como una especie que puede liberar o donar un ión de hidrógeno (también llamado protón). Una base se define como una especie química que puede aceptar o combinarse con un protón. La ecuación 3.21 muestra un ejemplo de un ácido (HA) asociado con una base conjugada (A-): HA 4 H+ + A- (3.21) Los ácidos que tienen una fuerte tendencia a disociarse (la reacción de la ecuación 3.21 va hacia la extrema derecha) se llaman ácidos fuertes, en tanto que los ácidos que tienen una tendencia menor a la disociación (la reacción de la ecuación 3.21 va sólo un poco hacia la derecha) se llaman ácidos débiles. La magnitud de la constante de equilibrio en la reacción de disociación es lo que indica la fuerza de un ácido. La constante de equilibrio para la reacción que se describe en la ecuación 3.21 es: Ka = 3H+ 43A-4 3HA4 (3.22) donde Ka = es la constante de equilibrio para la reacción cuando se añade un ácido al agua. En equilibrio, un ácido fuerte se disociará y mostrará INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC c03.indd 69 ALFAOMEGA 8/30/11 2:40:05 PM 70 Capítulo 3 Química Tabla / 3.5 Constantes de equilibrio de ácidos y bases comunes cuando se añaden a agua a 25° C Ácidos Nombre Bases pKa = −logKa Nombre pKb = -logKb HCl Clorhídrico -3 Cl Ión cloro 17 H2SO4 Sulfúrico -3 HSO4- Ión bisulfato 17 HNO3 Nítrico -1 NO3- Ión nitrato 15 HSO4 - Bisulfato 1.9 SO Ión sulfato 12.1 H3PO4 Fosfórico 2.1 H2PO4- Fosfato dihidrogenado 11.9 CH3COOH Acético 4.7 CH3COO- Ión acetato 9.3 H2CO3* Dióxido de carbono y ácido carbónico 6.3 HCO3- Bicarbonato 7.7 H2S Sulfhídrico 7.1 HS- Bisulfuro 6.9 Fosfato dihidrogenado 7.2 HPO Fosfato monohidrogenado 6.8 HCN Cianhídrico 9.2 CN- Ión cianuro 4.8 NH4+ Ión amonio 9.3 NH3 Amonio 4.7 HCO3- Bicarbonato 10.3 CO32- Carbonato 3.7 HPO Fosfato monohidrogenado 12.3 34 PO Fosfato 1.7 Amonia 23 NH2- Amida H2PO4 - 24 NH3 - 24 24 -9 FUENTE: De Mihelcic (1999). Reproducido con autorización de John Wiley & Sons, Inc. altas concentraciones de H+ y de A- y una concentración menor de HA. Esto significa que cuando al agua se agrega un ácido fuerte, resultará en un cambio mucho mayor de energía libre negativa que cuando se agrega un ácido más débil. Así, para los ácidos fuertes, la constante de equilibrio Ka será grande (y ¢G será muy negativa). De manera similar, el Ka para un ácido débil será pequeño (y ¢G será menos negativa). Al igual que el pH es igual -log[H⫹], pKa es el logaritmo negativo de la constante de disociación del ácido (esto es, pKa = -log(Ka)). En la tabla 3.5 se muestran valores de constantes de equilibrio para algunos ácidos y bases de importancia medioambiental. La tabla muestra que el pKa de un ácido débil es mayor que el pKa de un ácido fuerte. El pKa de un ácido tiene relación con el pH al cual el ácido se disociará. Los ácidos fuertes son aquellos que tienen un pKa por debajo de 2. Se puede considerar que se disocian casi completamente en agua con un rango de pH de 3.5 a 14. Se sabe que el HCl, el HNO3, el H2SO4 y el HClO4 son cuatro ácidos muy fuertes que con frecuencia aparecen en situaciones relacionadas con el medio ambiente. De la misma manera, sus bases conjugadas ALFAOMEGA c03.indd 70 INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC 8/30/11 2:40:05 PM 3.7 Química ácido-base e j e m p l o / 3.6 71 Equilibrio ácido-base ¿Cuál es el porcentaje total de amonia (ejemplo NH3 + NH4+) presente como NH3 con un pH de 7? El pKa de NH4+ es 9.3; por lo tanto, Ka = 10-9.3 = 3NH343H+4 solución 3NH4+4 El problema necesita 3NH34 (3NH4+4 + 3NH34) * 100% Para resolverlo se requiere otra ecuación independiente porque la expresión precedente tiene dos incógnitas. La expresión de equilibro para el sistema NH4+/NH3 brinda la segunda ecuación necesaria: 10-9.3 = 3NH34 * 3H+4 3NH4+4 = 3NH34 * 310-7 4 3NH4+4 Así, con pH = 7, [NH4+] = 200 * [NH3]. Esta expresión se puede sustituir en la primera expresión, lo que da lugar a 3NH34 (200 3NH34 + 3NH34) * 100% = 0.5% Con este pH neutro, casi el total de la amonia de un sistema se encontrará como ión amonio (NH4+). De hecho, ¡sólo 0.5% se encuentra como NH3! La modalidad de amonio total más tóxica para la vida acuática es NH3. Es tóxica para varias especies de peces a concentraciones por encima de 0.2 mg/L. Por ello, los desagües con un pH menor que 9 tienen la mayoría de amonia total en su forma NH4+ menos tóxica . Esta es una de la razones por las cuales algunos de los permisos para descargar amonia en las aguas residuales especifican que el pH de la descarga debe ser menor que 9. (Cl-, NO3-, SO42- y ClO4-) son tan débiles que se supone que nunca se encontrarán con protones, en el rango de pH de 3.5 a 14. 3.7.3 SISTEMA DE CARBONO, ALCALINIDAD Y CAPACIDAD AMORTIGUADORA La figura 3.6 muestra los importantes componentes del sistema de carbono. La concentración del bióxido de carbono disuelto en agua equilibrada con la atmósfera (la presión parcial del CO2 es de 10-3.5 atm) es de 10-5 mol/L. Se trata de una cantidad significativa de dióxido de carbono disuelto en agua. Esta reacción se puede escribir de la siguiente manera: CO2(g) 4 CO2(aq) (3.23) donde KH = 10-1.5 mol/L-atm. INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC c03.indd 71 ALFAOMEGA 8/30/11 2:40:05 PM 72 Capítulo 3 Química CO2 (gas) Atmósfera CO2 acuoso disuelto CO2(aq) + H2O 4 H2CO3 CO2 + H2O H2CO3 H2CO3 HCO3– + HCO3– CO3 2– + H CO32– + Ca2+ En su disolución en agua, el CO2 disuelto experimenta una reacción de hidratación al reaccionar con el agua para formar ácido carbónico: H + Columna de agua + CaCO3 (sólido) Sedimentos Figura 3.6 Componentes importantes del sistema de carbono De Mihelcic (1999). Reproducido con autorización de John Wiley & Sons, Inc. Discusión en clase Algunos científicos han propuesto que se agreguen grandes cantidades de hierro a los océanos del mundo para precipitar el carbón y así cambiar la química del sistema de carbón, a fin de que los océanos tomen más dióxido de carbono de la atmósfera. ¿Considera usted que la geoingeniería del medio ambiente es una solución sustentable para el actual problema mundial de la excesiva emisión de gases de efecto invernadero? (3.24) en donde K = 10-2.8. Esta reacción tiene implicaciones importantes para la química del agua que se encuentra en contacto con la atmósfera. Primero, el agua que está en contacto con la atmósfera (la lluvia, por ejemplo) tiene disuelto un ácido relativamente fuerte, el ácido carbónico. Así, el pH del agua de lluvia que no se ha visto afectada por las emisiones antropogénicas estará por debajo de 7. El pH del agua de lluvia “no contaminada” está alrededor de 5.6. Por lo tanto, la lluvia ácida, que por lo común se mide en valores de pH de 3.5 a 4.5, es aproximadamente de 10 a 100 veces más ácida que el agua de lluvia natural, pero no 10 000 veces más ácida porque el agua de lluvia natural no es neutra con un pH de 7.0. Además, debido a que el agua de lluvia natural es ligeramente ácida y la presión parcial del dióxido de carbono del suelo también puede ser alta desde su actividad biológica, el agua que hace contacto con rocas y minerales disuelve iones en la solución. Los constituyentes inorgánicos disueltos en el agua dulce y las sales disueltas en los océanos tienen su origen en los minerales de la atmósfera. El dióxido de carbono de la atmósfera brinda un ácido que reacciona con las bases de las rocas, provoca que se liberen los constituyentes de las rocas en el agua, donde permanecen disueltos, o bien, se precipitan hacia una fase sólida. Es difícil distinguir de manera analítica la diferencia entre CO2(aq) y el verdadero H2CO3. Por lo tanto, el término H2CO3* se ha definido como igual a la concentración de CO2(aq) más la concentración del verdadero H2CO3. Sin embargo, el H2CO3* puede estar cerca del CO2(aq) porque el verdadero H2CO3 sólo recupera aproximadamente 0.16% de H2CO3*. Así, la concentración de H2CO3* en las aguas en equilibrio con la atmósfera es aproximadamente de 10-5 M. El H2CO3* está en equilibrio con el ión bicarbonato de la siguiente manera: H2CO3* 4 HCO3- + H+ (3.25) donde Ka1 = 10-6.3. También, el bicarbonato está en equilibrio con el ión carbonato de la siguiente manera: (3.26) HCO3- 4 CO32- + H+ donde Ka2 = 10-10.3. De acuerdo con la definición dada de ácido y base, el bicarbonato puede actuar como ácido o como base. El bicarbonato y el carbonato son también bases comunes en agua. El contenido de carbón inorgánico total de una muestra de agua se define de la manera siguiente: Carbón inorgánico total = 3H2CO3*4 + 3HCO3-4 + 3CO32- 4 (3.27) En el rango de pH de la mayoría de las aguas naturales (pH 6-9), el H2CO3* y el CO32- son pequeños comparados con el HCO3-. Por lo tanto, el HCO3- es el componente predominante en la ecuación 3.27. ALFAOMEGA c03.indd 72 INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC 8/30/11 2:40:05 PM 3.8 Óxido-reducción 73 Tabla / 3.6 Explicación de la alcalinidad y la capacidad amortiguadora Término Definición Alcalinidad Medida de la capacidad del agua para neutralizar ácidos. Alcalinidad (mol/L) = 3HCO3- 4 + 23CO32- 4 + 3OH-4 - 3H+4 En la mayoría de las agua naturales cercana a un pH = 6-8, la concentración del bicarbonato (HCO3-) es significativamente mayor que la del carbonato (CO3-2) o del hidroxilo (OH-); por lo tanto, la alcalinidad total puede ser aproximada por la concentración de bicarbonato. Capacidad amortiguadora Habilidad del agua para resistir los cambios de pH cuando se añaden el material ácido o el alcalino. En la mayoría de los sistemas de agua dulce, la capacidad amortiguadora se debe principalmente a las bases (OH-, CO32-, HCO3-) y a los ácidos (H*, H2CO3*, HCO3-). La tabla 3.6 incluye definiciones y descripciones de dos términos importantes relacionados con el sistema de carbono: alcalinidad y capacidad amortiguadora. En la mayoría de las aguas dulces naturales, la alcalinidad se debe principalmente al HCO3-, el CO32- y el OH-. En algunas aguas naturales y en algunas aguas industriales, existen otras sales de ácidos débiles que podrían ser importantes para determinar la alcalinidad de una solución como los boratos, los fosfatos, el amoniaco y los ácidos orgánicos. Por ejemplo, el líquido donde se lleva a cabo la digestión anaerobia y las aguas negras municipales contienen grandes cantidades de bases como amoniaco (NH3), fosfatos (HPO42- y PO43-) y bases de varios ácidos orgánicos. Los álcalis de sílice (H3SiO4-) y el ácido bórico (B(OH)4-) pueden contribuir a la alcalinidad de los océanos. En la mayoría de las aguas naturales la capacidad de amortiguamiento se debe principalmente a las bases (OH-, CO32-, HCO3-) y los ácidos (H+, H2CO3*, HCO3-). Muchos lagos en Estados Unidos (por ejemplo, en Nueva Inglaterra y en la parte superior del medio oeste) tienen baja capacidad amortiguadora y en consecuencia experimentan depósitos ácidos (lluvia ácida). Esto se debe a que las cuencas geológicas que subyacen bajo estos lagos es tal, que la lenta disolución de las rocas y minerales subyacentes no favorece mucho la alcalinidad. 3.8 Óxido-reducción Algunas reacciones químicas ocurren porque se transfieren electrones entre diferentes especies químicas. Estas reacciones se llaman de óxidoreducción o reacciones redox. Las reacciones de óxido-reducción controlan el destino y la especiación de muchos metales y contaminantes orgánicos en medios naturales, y muchos procesos de tratamiento emplean INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC c03.indd 73 ALFAOMEGA 8/30/11 2:40:06 PM 74 Capítulo 3 Química Tabla / 3.7 Convenciones para asignar estado de oxidación a átomos comunes (H, O, N, S) en las moléculas 1. La carga total de una molécula = ∑ de las cargas (estado de oxidación) de sus átomos individuales. 2. Los átomos de la molécula en cuestión tienen el siguiente estado de oxidación; sin embargo, estos números se han de igualar a otros números en orden regresivo (aplicar a S un número diferente del número que se aplicó a N, y así sucesivamente) de manera que siempre se cumpla con la Convención 1. Átomo .mx/h ua ega.c ttp om om l.alfa H+ O Química redox en sedimentos Estado de oxidación +1 -2 N -3 S -4 química redox. También, muchos procesos biológicos son simples reacciones redox mediadas por microorganismos. El proceso de tratamiento de aguas negras más común implica reacciones redox que oxidan el carbono orgánico a CO2 (en tanto que reducen el oxígeno a agua) y oxidan y reducen varias formas de nitrógeno. Para las moléculas que se componen de átomos simples cargados, el estado de oxidación es simplemente la carga del átomo; por ejemplo, el estado de oxidación del Cu2+ es +2. En las moléculas que contiene múltiples átomos, a cada átomo se asigna un estado de oxidación de acuerdo con las convenciones que se exponen en la tabla 3.7. En una reacción redox, el estado de oxidación de una molécula o se va hacia arriba (en cuyo caso la molécula se oxida), o hacia abajo (en cuyo caso la molécula se reduce). De las especies oxidadas se puede decir que reaccionan con los electrones libres (e−) en medias reacciones como la siguiente: : / /v i r t electrón receptor (oxidante) + e- → electrón donador (reductor) (3.28) En esta reacción, las especies que ganan el electrón (el electrón receptor u oxidante) se reduce para formar la especie reducida correspondiente; las moléculas reducidas pueden donar electrones (el electrón donador) y sirven como reductores. Considere dos ejemplos. En el primero, el nitrato de amonia (estado de oxidación de -3) puede convertirse en gas N2 (estado de oxidación de 0) mediante nitrificación y desnitrificación. Además, hay importantes contaminantes atmosféricos que incluyen NO (estado de oxidación de +2) y NO2 (estado de oxidación de +4). Esta conversión de nitrógeno en diferentes compuestos ocurre mediante reacciones redox. En el segundo ejemplo, la lluvia ácida, cuya causa son las emisiones de SO2 (estado de oxidación del azufre de +4), el cual se oxida en la atmósfera como ión sulfato, SO42(estado de oxidación del azufre +6). El ión sulfato regresa a la superficie de la Tierra como depósitos secos o húmedos de ácido sulfúrico. ALFAOMEGA c03.indd 74 INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC 8/30/11 2:40:06 PM 3.9 Precipitación-disolución e j e m p l o / 3.7 75 Determinación de los estados de oxidación Determine los estados de oxidación del azufre en el sulfato (SO42-) y en el bisulfuro (HS-). solución Se espera que el azufre en el sulfato se encuentre más oxidado (debido a la presencia de oxígeno en la molécula) que en el bisulfuro (a causa de la presencia de hidrógeno). La carga total de -2 se debe mantener en el sulfato, y ya que la carga de cada átomo de oxígeno es -2 (vea la tabla 3.7), la carga del azufre en el sulfato debe ser -2 - 4(-2) = +6. A fin de mantener la carga total de -1 en el bisulfuro, la carga del azufre debe ser -1 - 1 (+1) = -2. Aquí, la carga en el H+ era +1 (vea la tabla 3.7). Como era de esperarse, el azufre que se encuentra en el sulfato está más oxidado que el azufre del bisulfuro. 3.9 Precipitación-disolución Las reacciones de precipitación-disolución implican la disolución de un sólido que forma especies solubles (o el proceso inverso en el cual las especies solubles reaccionan y salen de la solución a manera de sólidos cuando se precipitan). Algunos precipitados comunes son el hidróxido, el carbonato y los minerales de sulfuro. Cierta reacción que a veces ocurre en los hogares es la precipitación de la CaCO3. Si el agua es dura, este compuesto forma una capa en las teteras, los calentadores de agua y las tuberías. Mucho esfuerzo se consagra para prevenir la excesiva precipitación de CaCO3 en establecimientos municipales e industriales, y el proceso de retirar cationes bivalentes del agua se conoce como descalcificación del agua. La reacción más común en todas estas situaciones es la conversión de una sal sólida a un componente disuelto. En este ejemplo, el sólido es carbonato de calcio: CaCO3(s) 4 Ca2+ + CO32- (3.29) Aquí, el(los) subíndice (s) denota(n) que la especie es un sólido. La constante de equilibrio para dicha reacción se conoce como el producto de solubilidad, Ksp. Cuando la reacción de la ecuación 3.29 está en equilibrio, el Ksp es igual a Q: Ksp = C Ca2+ D C CO32- D C CaCO3(s) D = C Ca2+ D C CO32- D (3.30) Solubilidad se define como la cantidad máxima (expresada generalmente como masa) de una sustancia (el soluto) que se puede disolver en una unidad de volumen del solvente bajo condiciones específicas. Debido a que la actividad (la cual se supone igual a la concentración) de un sólido se define como igual a 1.0 (Regla 2 de la tabla 3.2), la constante de equilibrio, Ksp,es igual al producto de solubilidad. Así, si se sabe la constante de INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC c03.indd 75 ALFAOMEGA 8/30/11 2:40:06 PM 76 Capítulo 3 Química Tabla / 3.8 Reacciones comunes de precipitación-disolución, el producto de solubilidad asociado Ksp y su significado Ecuación de equilibrio Ksp a 25°C Significado CaCO3(s) 4 Ca2+ + CO32- 3.3 * 10-9 eliminación de la dureza, formación de depósitos MgCO3(s) 4 Mg2+ + CO32- 3.5 * 10-5 eliminación de la dureza, formación de depósitos Ca(OH)2(s) 4 Ca2+ + 2OH- 6.3 * 10-6 eliminación de la dureza Mg(OH)2(s) 4 Mg2+ + 2OH- 6.9 * 10-12 eliminación de la dureza Cu(OH)2(s) 4 Cu2+ + 2OH- 7.8 * 10-20 eliminación de los metales pesados Zn(OH)2(s) 4 Zn2+ + 2OH- 3.2 * 10-16 eliminación de los metales pesados Al(OH)3(s) 4 Al3+ + 3OH- 6.3 * 10-32 coagulación Fe(OH)3(s) 4 Fe3+ + 3OH- 6 * 10-38 coagulación, eliminación del hierro CaSO4(s) 4 Ca2+ + SO42- 4.4 * 10-5 desulfurización de los gases de salida FUENTE: De Mihelcic (1999). Reproducido con autorización de John Wiley & Sons, Inc. equilibrio y la concentración de una de las especies, la concentración de la otra especie se puede determinar. No se formará ningún precipitado si las concentraciones de los iones son menores que las de Ksp (en la ecuación 3.30, Ca2+ y CO32- son las especies). Se dice que esta solución está subsaturada. De la misma manera, si el producto de las concentraciones de los iones excede Ksp, la solución estará supersaturada, y las especies sólidas se precipitarán hasta que el producto de las concentraciones del ión sea igual a Ksp. La tabla 3.8 muestra algunos productos de solubilidad y las reacciones asociadas. 3.10 Adsorción, absorción y sorción La sorción es un término no específico que se puede referir al proceso de adsorción de un químico de una superficie sólida y al proceso de absorción (partición) de un químico en el volumen de un sólido, o a ambos. En el caso de los contaminantes orgánicos, la sorción es un proceso clave que determina el destino y el químico que es comúnmente absorbido en la fracción orgánica de una partícula debido a las energías que lo favorecen en este proceso. El sorbato (adsorbato o absorbato) es la sustancia que se transfiere desde la fase gaseosa o líquida a la fase sólida. El sorbente (adsorbente o absorbente) es el material sólido que aglutina al sorbato. Los sólidos que participan en este proceso pueden ser naturales (por ejemplo, la superficie del suelo, el sedimento en un puerto o en un río, material acuífero) o materiales antropogénicos (como el carbón activado). La figura 3.7 muestra un esquema de los procesos de sorción del naftaleno, desde la fase del agua, a un sólido natural como una partícula del ALFAOMEGA c03.indd 76 INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC 8/30/11 2:40:06 PM 3.10 Adsorción, absorción y sorción e j e m p l o / 3.8 77 Equilibrio precipitación-disolución ¿Cuál es el pH que se requiere para reducir las altas concentraciones de Mg2+ disuelto a 43 mg/L? El valor de Ksp para la siguiente reacción es 10-11.16. Mg(OH)2(s) 4 Mg2+ + 2OH- solución En esta situación, el magnesio disuelto de la solución se retira como un precipitado de hidróxido. Primero, la concentración de Mg2+ se convierte de mg/L a mol/L: 3Mg2+4 = 43 mg L * g 1 000 mg * 1 mol 24 g = 0.0018 M Después, se escribe la relación de equilibrio como 10-11.16 = 3Mg2+4 * 3OH-42 3Mg(OH)2(s) 4 Al sustituir los valores con los parámetros conocidos, 10-11.16 = 30.00184 * 3OH-42 1 Resuelva para [OH-] = 6.2 * 10-5 M. Esto da como resultado [H+] = 10-9.79 M, por lo que el pH = 9.79. A este pH, todo magnesio por encima de los 0.0018 M se precipitará como Mg(OH)2(s) porque la solubilidad del Mg2+ se verá sobrepasada. Naftaleno disuelto en fase acuosa Adsorción Sitio de la superficie del reactivo Partición Recubrimiento de la materia orgánica Superficie sólida Figura 3.7 Sorción de un químico orgánico (naftaleno) en una material como el suelo o una partícula del sedimento Esto ocurre normalmente cuando el sorbato se absorbe al sitio de la superficie del reactivo (adsorción), o bien, cuando absorbe o se parte en materia orgánica que recubre la partícula (el sorbente). El proceso de sorción influye en la movilidad, la degradación natural y la remediación ingenieril de contaminantes. De Mihelcic (1999). Reproducido con autorización de John Wiley & Sons, Inc. INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC c03.indd 77 ALFAOMEGA 8/30/11 2:40:06 PM 78 Capítulo 3 Química suelo. ¿Por qué se lleva a cabo la sorción? Desde el punto de vista de la termodinámica, las moléculas siempre optan por un estado menor de energía. Una molécula adsorbida a una superficie tiene un estado de energía menor en una superficie que en una fase acuosa. Por lo tanto, durante el proceso de equilibrio, la molécula se ve atraída a la superficie y a un estado menor de energía. La atracción de la molécula a la superficie se puede deber a fuerzas químicas y/o físicas. Las fuerzas electrostáticas son las que gobiernan las interacciones entre la mayoría de adsorbatos y adsorbentes. Tabla / 3.9 Términos comunes para describir la isoterma de sorción y otros fenómenos de partición Isoterma u otros términos de partición Por lo general, presente como: Símbolos y unidades Isoterma de Freundlich q = KC1/n (ecuación 3.31) q ⫽ masa del adsorbato absorbida por unidad de masa del adsorbente después del equilibrio (mg/g) Aplicación común Agua para beber y tratamiento de aire en el que se usan adsorbentes como el carbón activado. C ⫽ masa del adsorbato en fase acuosa tras el equilibrio (mg/L). K ⫽ parámetro de capacidad de isoterma de Freundlich ((mg/g)(L/mg)1/n). 1/n ⫽ parámetro de intensidad de isoterma de Freundlich (sin unidades). Isoterma lineal Caso especial de la isoterma de Freundlich en donde 1/n ⫽ 1 (por ejemplo, los sistemas diluidos) K= q C (ecuación 3.32) Normalización de K para el carbono orgánico* Koc = Coeficiente de partición del octanol-agua Kow = K foc (ecuación 3.33) 3A 4octanol 3A 4agua (ecuación 3.34) q y C ason las misma que la isoterma de Freundlich. Sistemas de dilución, en especial suelo, sedimento y aguas freáticas. K ⫽ coeficiente de partición (o distribución) de suelo- o sedimento-agua, también se expresa como KP o Kd (unidades de cm3/g o L/kg). K es la misma que la isoterma lineal (también se le llama KP o Kd). Suelo, sedimento y aguas freáticas. foc es la fracción de carbono orgánico para un suelo específico. Koc tiene unidades de cm3/g de carbono orgánico (o L/kg de carbono orgánico) y sedimento (1% de carbono orgánico es igual a un foc de 0.01). [A]octanol es la concentración del químico disuelto en octanol, (C8H17OH), y [A]agua es la concentración del mismo químico disuelto en el mismo volumen de agua. Kow no tiene unidades y normalmente se reporta como log Kow. Ayuda a determinar la hidrofobia de un químico. Se puede relacionar con otras propiedades medioambientales como Koc y una bioconcentración de factores. * Se ha mostrado que para los suelos y sedimentos con una fracción de carbono orgánico (foc ) mayor que 0.001 (0.1%) y una baja concentración del soluto en equilibrio (<10–5 molar o 1/2 de solubilidad acuosa), el coeficiente de partición suelo-agua (KP) puede normalizarse para el contenido de carbono orgánico en el suelo. ALFAOMEGA c03.indd 78 INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC 8/30/11 2:40:06 PM 3.10 Adsorción, absorción y sorción 79 Estas fuerzas incluyen interacciones dipolo-dipolo, interacciones de dispersión o fuerzas de London-van der Waals y enlace de hidrógeno. Durante la sorción a suelos y sedimentos, la partición hidrofóbica (fenómeno activado por los cambios de entropía) puede ser la responsable de la interacción de un químico orgánico hidrofóbico (que repele al agua) con la superficie. La tabla 3.9 brinda ejemplos de algunas isotermas de sorción comunes y su relación con fenómenos de partición. Una isoterma de sorción es una relación que describe la afinidad de un compuesto con un sólido en el agua o gas a temperatura constante (iso- significa constante y therm se refiere a la temperatura). Las dos isotermas de sorción que se cubren en la tabla 3.9 son la isoterma de Freundlich y la isoterma lineal. La figura 3.8 muestra la relación entre estas dos isotermas para rangos varios que van de 1/n. Aquí, 1/n es el parámetro de intensidad de la isoterma de Freundlich (sin unidades). Un problema con el valor del coeficiente de partición suelo-agua, K (ecuación 3.32, que se muestra en la tabla 3.9), es que es químico y sorbente específico. Así, aunque se puede medir K para todo sistema relevante, esto tomaría mucho tiempo y sería muy costoso. Afortunadamente, cuando el soluto es un químico neutro y orgánico no polar, el coeficiente de partición suelo-agua se puede normalizar para el carbono orgánico, en cuyo caso permanece químico-específico pero no como sorbente-específico por mucho tiempo. A Koc se le conoce como coeficiente de partición suelo-agua normalizado a carbono orgánico y tiene unidades de cm3/g de carbono orgánico o L/kg de carbono orgánico (vea la ecuación 3.33 en la tabla 3.9). q, mg/g 1/n < 1.0 1/n = 1.0 1/n > 1.0 C, mg/L Figura 3.8 Isoterma de Freundlich graficado para diferentes valores de 1/n. Para valores de 1/n menores que 1, la isoterma se considera favorable para la sorción porque los valores bajos de la concentración del sorbato en la fase líquida dan lugar a valores altos en la concentración en la fase sólida. Esto significa que la sorción es favorable para el sorbato desde el punto de vista energético. A concentraciones acuosas más altas, la habilidad de sorción del sólido en relación con el químico desciende a medida que los sitios de sorción activa se saturan con moléculas de sorbato. Para 1/n los valores mayores que 1, la isoterma se considera desfavorable para la sorción, debido a que se requieren los altos valores de la concentración del sorbato en la fase líquida para lograr que ocurra la sorción en el sorbente. Sin embargo, a medida que ocurre la sorción, la superficie se modifica debido al químico de sorción y se hace más favorable para la sorción adicional. Si el valor 1/n es igual a 1, la isoterma se llama isoterma lineal. De Mihelcic (1999). Reproducido con autorización de John Wiley & Sons, Inc. INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC c03.indd 79 ALFAOMEGA 8/30/11 2:40:07 PM 80 Capítulo 3 Química e j e m p l o / 3.9 Análisis de datos de la isoterma de adsorción Una isoterma de adsorción de éter metil tert-butílico (MTBE) se realizó en una muestra de carbón activado. Se llevó a cabo a 15° C usando 0.250 L de botellas de ámbar, el MTBE tenía una concentración inicial, C0, de 150 mg/L. Las tres columnas de la izquierda de la tabla 3.10 proveen los datos de la isoterma. Determine los parámetros de la isoterma de Freundlich (K y 1/n). solución Los valores de MTBE que se adsorbieron para cada punto (q) de la isoterma, y los valores logarítmicos de C y q se pueden determinar e integrar a la tabla 3.10 (las tres columnas de la izquierda). Para determinar los parámetros de la isoterma de Freundlich, inserte los log de los datos de la isoterma, log q versus log C, empleando la forma lineal de la ecuación 3.31 (tabla 3.9) expresada como log q = log K + a 1 n b log C Grafique log q y log C como se muestra en la figura 3.9, y utilice la regresión lineal para insertar los datos a fin de determinar K y 1/n. Tabla / 3.10 Datos y resultados de la isoterma utilizados en el ejemplo 3.9 Datos de la isoterma Concentración inicial de MTBE, C0 (mg/L) Masa de GAC, M (g) Concentración de la fase líquida en equilibrio de MTBE, C, mg/L q = (V/M) * (C0 - C) (mg/g) log q log C 150 0.155 79.76 113.290 2.0542 1.9018 150 0.339 42.06 79.602 1.9009 1.6239 150 0.589 24.78 53.149 1.7255 1.3941 150 0.956 12.98 35.832 1.5543 1.1133 150 1.71 6.03 21.048 1.3232 0.7803 150 2.4 4.64 15.142 1.1802 0.6665 150 2.9 3.49 12.630 1.1014 0.5428 150 4.2 1.69 8.828 0.9459 0.2279 ALFAOMEGA c03.indd 80 Resultados INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC 8/30/11 2:40:07 PM 3.10 Adsorción, absorción y sorción Log concentración en equilibrio de la fase adsorbida, mg/g (log q) e j e m p l o / 3.9 81 Continuación 2.5 2.0 1.5 1.0 y = 0.6906x + 0.761 2 R = 0.995 0.5 0.0 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 Log concentración en equilibrio de la fase líquida, mg/L (log C) Figura 3.9 Gráfica de los datos de la isoterma de Freundlich del ejemplo 3.9 para determinar K y 1/n. A partir de la figura 3.9, la forma lineal de la ecuación 3.31 que tiene valores para K y para 1/n se expresa como log K = 0.761 + (0.6906) log C Aquí, log K = 0.761, de modo que K = 100.761 = 5.77 (mg/g)(L/mg)1/n. Por lo tanto, K = 5.77 (mg/g)(L/mg)1/n y 1/n = 0.6906. Para sistemas con una cantidad de carbono orgánico relativamente mayor (mayor que 0.1%), Koc puede relacionarse en forma directa con el parámetro llamado coeficiente de partición octanol-agua, Kow, de un químico. Los valores de Kow oscilan sobre muchos órdenes de magnitud, así que Kow se reporta usualmente como log Kow. La tabla 3.11 enumera algunos valores típicos de log Kow para una amplia variedad de químicos. Los valores de Kow para químicos que tienen importancia medioambiental varían de 101 a 107 aproximadamente (el rango de log Kow es de 1-7). Mientras más alto sea el valor, es mayor la tendencia del compuesto a la partición del agua en una fase orgánica. Los químicos que tienen altos valores de Kow son hidrofóbicos (repelen el agua). La magnitud del Kow de un químico orgánico es un gran indicador del destino final que tendrá el químico en el medio ambiente. Por ejemplo, los valores de la tabla 3.11 indican que los químicos sumamente hidrofóbicos como 2,3,7,8-TCDD son más propensos a bioacumularse en el tejido adiposo de humanos y animales. A la inversa, químicos como el benceno, tricloroetileno (TCE), tetracloroetileno (PCE) y tolueno con frecuencia se identifican como contaminantes de las aguas freáticas, porque son relativamente solubles y se disuelven muy fácil en las descargas al agua subterránea que se infiltran verticalmente hacia mantos acuíferos subyacentes. A diferencia del pireno o 2,3,7,8-TCDD, en cuyo caso ambos son propensos a confinarse cerca de la superficie del suelo en el lugar del derrame. INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC c03.indd 81 ALFAOMEGA 8/30/11 2:40:07 PM 82 Capítulo 3 Química Tabla / 3.11 Ejemplos de log Kow para algunos químicos que tienen importancia para el medio ambiente Recuadro / 3.3 Químico log Kow ácido ftálico 0.73 benceno 2.17 tricloroetileno 2.42 tetracloroetileno 2.88 tolueno 2.69 ácido 2,4-diclorofenoxiacético 2.81 naftaleno 3.33 1,2,4,5,5-tetraclorobenceno 4.05 fenantreno 4.57 pireno 5.13 2,3,7,8-tetraclorodibenzo-p-dioxina 6.64 Comportamiento de partición de los químicos orgánicos y su destino y transporte en el medio ambiente No se ha puesto a prueba la toxicidad de muchos de los miles de químicos que se introducen en el mercado cada año, y cuando dichos químicos entran en el medio ambiente, su destino depende en gran parte de su estructura química y, en consecuencia, de sus propiedades químicas, incluyendo KH, Kow y Koa. Koa es el coeficiente de partición de octanol-aire, que es igual a la proporción del coeficiente de partición octanol-agua (Kow) a la constante de la ley de Henry sin unidades (KH). La tabla 3.12 compila estos valores para muchos químicos que tienen importancia en el medio ambiente. Tabla / 3.12 Logaritmos naturales de la constante de la ley de Henry adimensional (KH), coeficiente de partición octanol-agua (Kow), y coeficiente octanol-aire (Koa) de los contaminantes orgánicos Compuesto log KH log Kow log Koa 1,1,1-tricloroetano 0.16 2.49 2.33 3 1,1-dicloroetano ⫺0.61 1.79 2.40 6 1,1-dicloroeteno (cloruro de vinilideno) 0.10 1.48 1.38 2 1,2,4,5-tetraclorobenceno ⫺1.30 4.72 6.02 10 ALFAOMEGA c03.indd 82 Número en la figura 3.11 INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC 8/30/11 2:40:07 PM 3.10 Adsorción, absorción y sorción Recuadro / 3.3 83 Continuación Tabla / 3.12 Compuesto log KH log Kow log Koa Número en la figura 3.11 1,2-dicloroetano ⫺1.27 1.46 2.73 11 1,2-dicloropropano ⫺0.92 2.28 3.20 7 1,3,5-triclorobenceno ⫺0.36 4.19 4.55 4 2,3,7,8-tetraclorodibenzo-p-dioxina ⫺2.87 6.80 9.67 21 2,4-ácido diclorofenoxyacético (2,4-D) ⫺0.10 2.68 2.78 3 2-clorofenol ⫺3.24 2.19 5.43 23 3-clorofenol ⫺4.16 2.48 6.64 27 4-clorofenol ⫺4.43 2.42 6.85 27 4-n-nonilfenol ⫺2.89 5.76 8.65 22 acenafteno ⫺2.29 4.20 6.49 17 ácido acético ⫺4.95 ⫺0.25 4.70 29 alacloro ⫺6.04 2.95 8.99 31 aldicarb ⫺7.23 0.89 8.12 33 aldrín ⫺1.69 6.19 7.88 15 antraceno ⫺2.80 4.68 7.48 20 atrazina ⫺6.93 2.65 9.58 32 benceno ⫺0.65 2.17 2.82 6 benzo(a)pireno ⫺4.79 6.13 10.92 28 bromoformo ⫺1.62 2.67 4.29 12 cloroformo ⫺0.84 1.95 2.79 6 cis-1,2-dicloroetano ⫺0.66 1.86 2.52 6 cis-clorodano ⫺2.91 6.00 8.91 22 DDT ⫺3.30 6.36 9.66 24 dibenzo-p-dioxina ⫺2.32 4.30 6.62 17 diclorometano ⫺0.93 1.31 2.24 6 etil benceno ⫺0.50 3.20 3.70 5 (Continúa) INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC c03.indd 83 ALFAOMEGA 8/30/11 2:40:07 PM 84 Capítulo 3 Química Recuadro / 3.3 Continuación Logaritmos naturales de la constante de la ley de Henry adimensional (KH), coeficiente de partición octanol-agua (Kow), y coeficiente octanol-aire (Koa) de los contaminantes orgánicos Tabla / 3.12 Compuesto log KH log Kow log Koa Número en la figura 3.11 heptacloro ⫺1.03 4.92 5.95 10 hexaclorobenceno (HCB) ⫺1.44 5.80 7.24 12 hexacloroetano ⫺1.01 3.93 4.94 9 lindano ⫺3.94 3.78 7.72 26 m-diclorobenceno (1,3-DCB) ⫺0.86 3.47 4.33 8 metil etil cetona (butanona) ⫺2.60 0.29 2.89 19 metil butil terciario éter (MTBE) ⫺1.54 0.94 2.48 11 m-xyleno ⫺0.53 3.30 3.83 5 naftaleno ⫺1.74 3.33 5.07 14 nitrobenceno ⫺3.12 1.85 4.97 23 o-diclorobenceno (1,2-DCB) ⫺1.04 3.40 4.44 8 o-xyleno ⫺0.69 3.16 3.85 5 paratión ⫺5.31 3.81 9.12 30 PCB-101 ⫺1.83 6.36 8.19 15 PCB-180 ⫺2.36 7.36 9.72 18 PCB-28 ⫺1.89 5.62 7.51 16 p-diclorobenceno (1,4-DCB) ⫺1.04 3.45 4.49 8 fenantreno ⫺2.85 4.57 7.42 20 p-xyleno ⫺0.55 3.27 3.82 5 pireno ⫺3.32 5.13 8.45 25 tetracloroetileno (percloroetileno PCE) 0.08 2.88 2.80 3 tetraclorometano (tetracloro de carbono) 0.04 2.77 2.73 3 ⫺0.60 2.69 3.29 7 0.41 4.21 3.80 1 ⫺0.59 2.09 2.68 6 tolueno (metilbenceno) toxafeno trans-1,2-dicloroetano ALFAOMEGA c03.indd 84 INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC 8/30/11 2:40:07 PM 3.10 Adsorción, absorción y sorción Recuadro / 3.3 85 Continuación Tabla / 3.12 Compuesto log KH log Kow log Koa Número en la figura 3.11 trans-clordano ⫺2.86 6.00 8.86 22 tricloroetileno (tricloroeteno TCE) ⫺0.35 2.42 2.73 6 0.04 1.27 1.23 2 ⫺3.63 3.81 7.44 26 cloruro de vinil (cloroeteno) ␣-hexaclorociclohexano (␣-HCH) ua : / /v i r t 3 .mx/h log Koc (cm /g de carbono orgánico) ega.c ttp om om La figura 3.10 muestra cómo Koc y Kow están correlacionadas de forma lineal para un conjunto de 72 químicos que abarca un amplio rango de hidrofobicidad. Kow también se ha correlacionado con otras propiedades medioambientales como factores de bioconcentración y de toxicidad acuática. Entonces, Koc puede relacionarse con el sitio específico del coeficiente de partición suelo-agua (Kp) al conocer el contenido de carbono orgánico del sistema, con el uso de la ecuación 3.33 (tabla 3.9). Como se demostró en la figura 3.11, se puede predecir el lugar del medio ambiente en donde es más probable que se instale un líquido, así como sus maneras principales de transporte ambiental, con base en sus propiedades químicas, si se asume que los químicos no experimentarán degradaciones una vez que entren en el medio ambiente (es decir, que sean persistentes) y que alcanzarán su equilibrio en la atmósfera, las aguas superficiales (océanos y agua dulce) y suelos y sedimentos del medio ambiente global. l.alfa FUENTE: Valores compilados de Beyer et al. (2002), Montgomery (1993) y Schwartzenbach et al. (2003). “¿A dónde va el POP?” 7 log Koc = 0.903 × log Kow + 0.094 6 2 r = 0.91 5 n = 72 4 3 2 1 1 2 3 4 log Kow 5 6 7 Figura 3.10 Gráfica de dispersión de log Koc (cm3/g de carbono orgánico) versus log Kow de 72 químicos La relación se da entre la ecuación log(Koc[cm3/g]) = 0.903 log(Kow) + 0.094 (n = 72, r2 = 0.91). Las líneas gruesas representan 90% del intervalo de confianza para la correlación. Para hallar los valores de Koc se debería consultar el conjunto de datos sometido a una verificación de calidad, o bien usar una correlación apropiada, validada estadísticamente para estimar el valor de Koc. De Baker et al (1997). Derechos reservados WEF, reproducido con autorización. INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC c03.indd 85 ALFAOMEGA 8/30/11 2:40:08 PM 86 Capítulo 3 Química 1 1 2 3 4 6 7 5 8 9 10 11 13 14 0 17 20 23 27 –2 18 22 21 25 24 26 –3 –4 28 29 –5 30 –6 31 32 33 0 1 2 3 4 5 6 7 log KOA 8 log KH 19 –1 12 1615 9 10 –7 11 –8 12 aviadores saltadores únicos saltadores múltiples nadadores Figura 3.11 Principales modos de transporte en el medio ambiente de contaminantes orgánicos hipotéticos de persistencia perfecta Se identifican los compuestos con el número que se muestra en la tabla 3.12. Los químicos que presentan un valor alto en la constante de la ley de Henry (KH) y un bajo coeficiente de partición octanol-aire (Koa) (denominados aviadores) se transportan por el mundo en la atmósfera. Los químicos que tienen un bajo valor para la constante de la ley de Henry y bajos coeficientes de partición octanol-aire (llamados nadadores) se difunden por el mundo en la superficie del agua. Los químicos que tienen valores intermedios para la constante de la ley de Henry y para el coeficiente octanol-aire suelen estar presentes en suelos y sedimentos (llamados saltadores únicos), o bien en fases múltiples (conocidos como saltadores múltiples). Debido a que el agua no viaja tan rápido como el aire, los nadadores no se transportan tan velozmente como los aviadores. e j e m p l o / 3.10 Determinación de Koc a partir de Kow El log Kow para el antraceno es 4.68. ¿Cuál es el coeficiente de partición suelo-agua del antraceno normalizado a carbono orgánico? solución Use la correlación apropiada entre log Koc y log Kow (tal como la que se da en la figura 3.10). Advierta que esta correlación requiere log Koc, no Kow: log Kow = 0.903(4.68) + 0.094 = 4.32 Por lo tanto, Koc = 104.32 cm3/g de carbono orgánico. ALFAOMEGA c03.indd 86 INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC 8/30/11 2:40:08 PM 3.10 Adsorción, absorción y sorción e j e m p l o / 3.11 87 Uso de Koc para pronosticar la concentración acuosa Existe contaminación de antraceno en los sedimentos de un puerto, y la porción sólida de los sedimentos está en equilibrio con el agua capilar. Si el contenido de carbono orgánico de los sedimentos es 5% y la concentración de antraceno en el sedimento sólido es de 50 ␮g/kg, ¿cuál es la concentración en equilibrio de antraceno en el agua capilar? En el ejemplo 3.10, el log Koc para el antraceno se estimó en 4.32. solución El contenido de carbono orgánico (OC) de 5% significa que la fracción de carbono orgánico, foc, es 0.05. Use la ecuación 3.33 (de la tabla 3.9) para hallar el coeficiente de partición de sedimento específico, K: K cm3 g sedimento = 104.32 cm3 * g OC 0.05 g OC g sedimento = 1 045 cm3/g sedimento El equilibrio de concentración en la fase acuosa, C, se deriva entonces de la expresión de equilibrio que se dio en la ecuación 3.32 (tabla 3.9): 50 C= q K = g kg sedimento kg * 1 000 g 1 045 cm 3 * cm3 mL * 1 000 mL L = 0.048 g L g sedimento Advierta que la concentración del antraceno en la fase acuosa es relativamente baja comparada con la concentración en la fase de sedimento (50 ppbm en los sedimentos y 0.048 ppbm en el agua capilar). Esto se debe a que el antraceno es hidrofóbico. Su solubilidad acuosa es baja (y el Kow es alto), por lo que prefiere la partición en la fase sólida. Además, la fase sólida tiene un alto contenido de carbono orgánico. El contenido de carbono orgánico en la arena de grava acuífera sería mucho menor (un foc muy bajo); por lo tanto, menos antraceno se partiría de la fase acuífera a la fase sólida. e j e m p l o / 3.12 Partición de un químico entre las fases aire, agua y suelo Un estudiante usa un reactor para simular el medio ambiente durante una demostración en clase. El reactor sellado de 1 L contiene 500 mL de agua, 200 mL de suelo (1% de carbono orgánico y una densidad de 2.1 g/cm3) y 300 mL de aire. La temperatura del reactor es de 25° C. Después de añadir al reactor 100 μg TCE el estudiante lo deja reposar hasta que se alcanza el equilibrio en las tres fases. El valor de la constante de la ley de Henry para el TCE es 10.7 L-atm/mol a 25° C y el TCE tiene un log Kow de 2.42. Si se supone que el TCE no sufre alguna degradación química ni biológica durante la incubación, INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC c03.indd 87 ALFAOMEGA 8/30/11 2:40:08 PM 88 Capítulo 3 Química e j e m p l o / 3.12 Continuación ¿cuál es la concentración de TCE en equilibrio en la fase acuosa? ¿Cuál es la masa de TCE en las fases acuosa, aire y de sorción después de haber alcanzado el equilibrio? solución 1. Lleve a cabo un balance simplificado de la masa que es igual al total de la masa de TCE más la masa del TCE en cada fase en equilibrio: Total de la masa de TCE acumulado = [masa del TCE acuoso] + [masa del TCE gaseoso] + [masa de sorción del TCE] 100 ␮g = [Vaq * Caq ] + [Vaire * Caire ] + [Msuelo * Csorción] El problema pide Caq. Los tres parámetros conocidos son Vaq = 500 mL, Vaire = 300 mL y la masa del suelo = Msuelo = Vsuelo * densidad del suelo = 200 mL * cm3/mL * 2.1 g/cm3 = 420 g. Las tres incógnitas son Caq, Caire y Csorción; sin embargo, se puede relacionar Caire con Caq mediante la constante de la ley de Henry y Csorción con Caq mediante el coeficiente de partición suelo-agua. 2. Convierta la constante de la ley de Henry a su forma adimensional. KH = 10.7 L-atm/mol (por las constantes de las unidades se puede deducir que la constante de la ley de Henry en esta reacción sigue la siguiente dirección: Caq 4 Caire). Convierta a la forma adimensional con el uso de la ley del gas ideal (vea la tabla 3.3). 10.7 L-atm mol 0.08205 L-atm mol-K = 0.44 (298 K) La constante de la ley de Henry es 0.44 y es igual a Caire/Caq , así que Caire = 0.44 Caq. 3. Determine el coeficiente de partición suelo-agua. Recuerde, K = Koc * foc y 1% de carbono orgánico significa foc = 0.01. En vista de que no se conoce Koc ni K, calcule Koc a partir de Kow: log Koc = 0.903 * 2.42 + 0.094 = 2.28. Por lo tanto, Koc = 102.28 y K = 102.28 * 0.01 = 1.9 cm3 g Csorción = 1.9 cm3 g * Caq De la misma forma, sustituya en el balance de la masa para que todas las concentraciones estén en términos de Caq: 100 g = 3500 mL * Caq 4 + 3300 mL * 0.44 Caq 4 + c 420 g * ALFAOMEGA c03.indd 88 1.9 cm3 g * mL cm3 * Caq d INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC 8/30/11 2:40:08 PM 3.11 Cinética 89 e j e m p l o / 3.12 Continuación 100 g = Caq e500 mL + 3300 mL * 0.44 4 + c 420 g * 100 1.9 cm3 g * mL cm3 df g = Caq 3500 mL + 132 mL + 798 mL 4 Caq = 0.070 g/mL = 0.070 mg/mL = 70 ppbm La masa total de TCE en la fase acuosa es 35 ␮g, en la fase gaseosa es de 9.2 ␮g, en la sorción hacia el suelo es de 55.8 ␮g. La masa del químico hallada en cada una de las tres fases es una función de los efectos combinados de la partición de una fase a otra. La cantidad del químico que sufre una partición a cada una de las fases se basa en las propiedades fisicoquímicas de la sustancia química (por ejemplo, la constante de la ley de Henry, log Kow) y las propiedades del suelo/sedimento (foc). Esto es muy importante al determinar hacia qué parte del medio ambiente o del sistema de ingeniería emigra un químico, así como para decidir cuál es el método de tratamiento que habrá de seleccionarse. Los químicos que tienen un alto valor en la constante de la ley de Henry (adimensional) y un bajo coeficiente de partición octanol-aire suelen presentarse en la atmósfera principalmente en equilibrio. Se les llama aviadores porque, de acuerdo con sus propiedades, se transportarán por el mundo a través de la atmósfera. Los químicos que tienen un bajo valor en la constante de la ley de Henry y un bajo coeficiente de partición octanol-aire suelen existir en principio en las aguas superficiales. Se les conoce como nadadores porque se transportan por el mundo en las superficies del agua. Debido a que el agua no viaja tan rápido como el aire (la velocidad de un río normalmente es menos de 5 m/s, en tanto que la velocidad del viento se encuentra en el rango de 1-30 m/s), los nadadores no se transportan tan velozmente como los aviadores. Los químicos que tienen un valor intermedio en la constante de la ley de Henry y en su coeficiente octanol-aire, suelen presentarse en sedimentos y suelos (saltadores únicos) o en múltiples fases (saltadores múltiples). Los químicos de la figura 3.11 se seleccionaron porque incluyen compuestos que se abordan en este capítulo y los siguientes. Regrese a esta sección para revisar la forma de transporte de estos químicos en el medio ambiente, así como su destino, además del tipo de tratamiento que mejor se adapta a un contaminante dado. Por ejemplo, si se introduce en el medio ambiente el cloruro de vinil (compuesto 2) y hace contacto con la atmósfera, se pronostica que será un aviador y que para retirarlo en su fase gas necesitará tratamiento. 3.11 Química cinética En la química medioambiental, el enfoque de la química cinética se basa en la proporción de las reacciones. Implica conceptos como el de velocidad de reacción, reacciones de orden cero y de primer orden, vida media y factores que afectan la velocidad de reacción. INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC c03.indd 89 Contaminantes orgánicos persistentes http://www.chem.unep.ch/pops Discusión en clase ¿Debería prohibirse un químico como el DDT en el planeta entero? ¿O debería considerarse como una solución viable a la injusta carga inflingida a muchas partes del mundo en vías de desarrollo, especialmente África? Piense en soluciones equitativas que tomen en cuenta a generaciones futuras de seres humanos y vida silvestre. ALFAOMEGA 8/30/11 2:40:08 PM 90 Capítulo 3 Química 3.11.1 VELOCIDAD DE REACCIÓN La velocidad de reacción se expresa en parámetros medioambientales mensurables de los que depende dicha velocidad de reacción. De especial atención son las concentraciones de los reactantes, de las cuales depende la velocidad de reacción. Otros parámetros que también influyen en la velocidad de reacción son la temperatura y la presencia de catalizadores (como los microorganismos). La velocidad de una reacción irreversible y la forma exacta de tal velocidad dependen del mecanismo de la reacción. Considere la hidrólisis del diclorometano (DCM). En esta reacción, una molécula de DCM reacciona con un ión hidróxido (OH-) para producir clorometanol (CM) y cloro en forma de ión. Cl H C Cl – H + OH H Cl – H + Cl C OH Para que ocurra la reacción que aquí se describe, una molécula de DCM debe colisionar y reaccionar con una molécula de OH-. La velocidad de una reacción binaria irreversible es proporcional a la concentración de cada especie o químico. Para la hidrólisis de DCM, puede escribirse de la siguiente manera R = k[DCM][OH-] = -d[DCM]/dt = -d[OH-]/dt = -d[CM]/dt = d[Cl-]/dt (3.35) donde R es la velocidad de reacción, k es la constante de velocidad para esta reacción en particular, [DCM] es la concentración del diclorometano, [OH-] es la concentración del ión hidróxido, [CM] es la concentración del clorometanol, [Cl-] es la concentración del ión cloro y + es el tiempo. Los signos negativos de la ecuación 3.35 indican que la concentración de los productos decrece con el tiempo. El miembro izquierdo de la ecuación 3.35 escrito en negritas se refiere a la velocidad de reacción, e indica que la reacción depende de la concentración de los reactantes. La velocidad de reacción en este caso se llamaría de primer orden con respecto a DCM y de primer orden en relación con OH-. El término primer orden indica que cada especie se eleva a la primera potencia. La velocidad de reacción de segundo orden implica el producto de dos especies, cada una elevada a la primera potencia. En vista de que la reacción se ha descrito como irreversible, se supuso que la concentración de los productos no influyeron en la velocidad en sentido progresivo. Para generalizar estos términos, se ha inventado una velocidad de reacción hipotética para una reacción genérica irreversible de a moles de la especie A que reacciona con b moles de la especie B y que da lugar a productos P. La velocidad de reacción se escribe como R = -k[A]a [B]b (3.36) Se puede decir que esta reacción es de orden a con respecto a A y de orden b con respecto a B. El orden total de la reacción sería ( a + b ). Esta reacción ALFAOMEGA c03.indd 90 INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC 8/30/11 2:40:08 PM 3.11 Cinética 91 se llama reacción elemental porque el orden de reacción se controla por la estequiometría de la reacción; es decir, que a es igual al coeficiente estequiométrico molar de la especie A, y b es igual al coeficiente estequiométrico molar de B. El orden de la reacción debería determinarse de manera experimental, porque a menudo no corresponde a la reacción estequiométrica. Esto ocurrió porque en el mecanismo los pasos de la reacción no siempre corresponden con lo que se muestra en la ecuación de reacción. La reacción de hidrólisis del diclorometano basada en la colisión puede compararse con algunas transformaciones biológicas de químicos orgánicos que ocurren en el tratamiento de plantas o en medioambientes naturales en donde están presentes suelos y sedimentos. En algunas de estas situaciones se observan transformaciones de orden cero. Se le llama reacción de orden cero a la que no depende de la concentración del compuesto en cuestión. La cinética de orden cero puede deberse a varios factores, entre ellos la difusión de velocidad limitada del oxígeno del aire a fase acuosa, la cual puede ser más lenta que la demanda de oxígeno que tenga el microorganismo que se encuentre biodegradando el químico. Otra forma de explicar la observación de una cinética de orden cero es el lento movimiento de velocidad limitada de un químico (el que requiere el microorganismo para su energía y crecimiento) que tiene baja solubilidad de agua (en el rango de ppbm y ppmm) en un aceite o de la fase suelo/sedimento a la fase acuosa, donde el químico estará luego disponible para que el organismo lo utilice. Uno de los químicos en los que se ha observado cinética de orden cero de biodegradación es el 2,4-D, herbicida comúnmente utilizado en los hogares o por los agricultores. El 2,4-D se puede transportar hasta un río o lago por escorrentía horizontal o por migración vertical hacia las aguas freáticas conectadas hidráulicamente al lago o al río. El hallazgo es que han desaparecido en el agua de acuerdo con la cinética de orden cero. La velocidad de reacción para este tipo de reacción se puede escribir como R = -d[2,4-D]/dt = k (3.37) 3.11.2 REACCIONES DE ORDEN CERO Y DE PRIMER ORDEN Muchas situaciones medioambientales se puede describir como cinética de orden cero o de primer orden. La figura 3.21 compara las principales diferencias entre estos dos tipos de cinética. En esta sección se abordarán a profundidad estas expresiones cinéticas, primero al construir una reacción química genérica en la que el químico C se convierta en algunos productos desconocidos: C : productos (3.38) La velocidad de reacción que describe el descenso de la concentración del químico C con respecto al tiempo es: d[C]/dt = -k[C]n (3.39) Aquí, [C] es la concentración de C, t es el tiempo, k es la constante de velocidad de reacción que tiene unidades que dependen del orden de reacción, y el orden de reacción, n, normalmente es un entero (0, 1, 2). INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC c03.indd 91 ALFAOMEGA 9/13/11 6:25:04 PM 92 Capítulo 3 Química Orden de reacción Velocidad de reacción Orden cero d [C ] = −k dt Forma integrada de la velocidad de reacción Gráfica de concentración versus tiempo [C 0] [C] = [C 0] − kt [C] =k Gráfica lineal de concentración versus tiempo Vida media, t El mismo que [C] vs. tiempo 0.5[C 0] k Unidades ejemplo de constante de velocidad, k mol/L-s mg/L-s Tiempo Primer orden d[C] = −k[C ] dt [C 0] [C ] = [C 0]e −kt In[C 0] [C ] =k In[C] Tiempo 0.693 k s−1, min−1, h−1, day−1 Tiempo Figura 3.12 Resumen de expresiones de velocidad de reacción de orden cero y primer orden Advierta la diferencia entre cada una de estas expresiones. De Mihelcic (1999). Reproducido con autorización de John Wiley & Sons, Inc. REACCIÓN DE ORDEN CERO Si n es 0, la ecuación 3.39 se trans- forma en (3.40) d[C]/dt = -k Ésta es la velocidad de reacción de una reacción de orden cero. Aquí, la tasa de tiempo a la cual desaparece C es de orden cero con respecto a C, y el orden total de reacción es de orden cero. Se puede adaptar la ecuación 3.40 para integrar las condiciones siguientes; a tiempo 0, la concentración de C es igual a C0, y en un tiempo futuro t, la concentración es igual a C: t C 3 C0 d3C4 = - k 3 0 dt (3.41) La integración de la ecuación 3.41 da lugar a [C] = [C]0 - kt (3.42) La reacción será de orden cero si al graficar los datos de la concentración y los del tiempo resulta una línea recta (ilustrada en la figura 3.12). La pendiente de la recta resultante es la constante de velocidad de reacción k, de orden cero, la cual tiene unidades de concentración/tiempo (por ejemplo, mol/litro-día). REACCIÓN DE PRIMER ORDEN Si n = 1, la ecuación 3.39 se trans- forma en: d[C]/dt = -k[C] (3.43) Ésta es la velocidad de reacción para una reacción de primer orden. Aquí, la tasa a la que desaparece C en el tiempo es de primer orden con respecto a [C], y el orden total de reacción es de primer orden. ALFAOMEGA c03.indd 92 INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC 8/30/11 2:40:09 PM 3.11 Cinética 93 La ecuación 3.43 se puede adaptar para integrar las mismas dos condiciones que se usaron en la ecuación 3.40 a fin de obtener una expresión que describa la concentración de C en el tiempo: ega.c .mx/h ua om om : / /v i r t Aquí, k es la constante de velocidad de reacción de una reacción de primer orden, y tiene unidades de tiempo-1 (por ejemplo, hr-1, día-1). Una reacción es de primer orden cuando el logaritmo natural de gráfica que relaciona la concentración y el tiempo da como resultado una línea recta. La pendiente de esta línea recta es de constante de velocidad de reacción de primer orden, k, como lo ilustra la figura 3.12. Algunos aspectos importantes hay que destacar en torno a las reacciones químicas de orden cero y de primer orden. Primero, cuando se comparan las concentraciones de dos reacciones en el tiempo (como se muestra en la figura), la velocidad de reacción de primer orden (pendiente de concentración versus tiempo) disminuye con el tiempo, en tanto que en la reacción de orden cero la pendiente permanece constante con el tiempo. Esto indica que la velocidad de reacción de la reacción de orden cero es independiente de la concentración del químico (vea la ecuación 3.42), mientras que la velocidad de reacción de una reacción de primer orden depende de la concentración del químico (vea la ecuación 3.44). De esta forma, un químico cuya desaparición depende de seguir la cinética de concentración, como la de primer orden, desaparecerá más lentamente a medida que su concentración disminuye. l.alfa (3.44) ttp [C] = [C]0 e-kt Cinética de hidrólisis de hierro 3.11.3 REACCIONES DE SEUDOPRIMER ORDEN Hay muchas circunstancias en las que la concentración de una partícula en reacción se mantiene constante durante una reacción. Por ejemplo, si la concentración de un reactante es mucho más alta al inicio que la concentración de otro reactante, es imposible que la reacción cause un cambio significativo e j e m p l o / 3.13 Uso de la velocidad de reacción ¿Cuánto le tomará disminuir 99% a la concentración de monóxido de carbono (CO) de una habitación después de que la fuente se ha retirado y se han abierto las ventanas? Suponga que la constante de velocidad de reacción de primer orden para cuando se retira el CO (debido a la dilución que provoca la entrada de aire limpio) es de 1.2/h. No ha ocurrido reacción química. solución Ésta es una reacción de primer orden, así que utilice la ecuación 3.44. Sea [CO]0 la concentración inicial de CO. Cuando 99% del CO se ha ido, [CO] = 0.01 * [CO]0. Por lo tanto, 0.01 * [CO]0 = [CO]0 e-kt donde k = 1.2/h. Despeje t, que es igual a 3.8 h. INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC c03.indd 93 ALFAOMEGA 8/30/11 2:40:09 PM 94 Capítulo 3 Química en la concentración de la sustancia que tiene alta concentración inicial. Alternativamente, si se amortigua la concentración de una sustancia con un valor constante (por ejemplo, el pH de un lago no cambia porque se ve amortiguado por la alcalinidad de la disolución y precipitación del sólido CaCO3), entonces la concentración de la especie amortiguada no cambiará, incluso si la sustancia participa en una reacción. En estas situaciones se usa una reacción de seudoprimer orden. Se puede ejemplificar como si fuera una reacción. Considere la siguiente reacción elemental irreversible: (3.45) aA + bB 4 cC + dD La velocidad de reacción es: (3.46) R = -k[A]a [B]b Si la concentración de A no cambia significativamente durante la reacción por alguna de las razones que se han explicado previamente (es decir, [A0] W [B0] o [A] ⬵ [A0]), se puede suponer que la concentración de A permanece constante y que puede incorporarse a la velocidad de reacción constante, k. La velocidad de reacción se transforma entonces en (3.47) R = -k’[B]b en donde k’ es la velocidad de reacción constante de seudoprimer orden y es igual a k[A0]a. Esta manipulación simplifica por mucho la velocidad de reacción para la desaparición de la sustancia B: (3.48) d[B]/dt = -k’[B]b Si b es igual a 1, entonces la solución a la ecuación 3.48 es idéntica a la de la ecuación 3.44. En este caso, la expresión de seudoprimer orden se puede escribir como sigue: (3.49) [B] = [B0]e-k’t e j e m p l o / 3.14 Reacción de seudoprimer orden El lago Silbersee se localiza en la ciudad alemana de Nuremberg. La calidad de su agua ha disminuido por las altas concentraciones de hidrógeno sulfúrico (que huele a huevo podrido) que se origina de un vertedero cercano. Para combatir el problema, las autoridades de la ciudad han decidido airear el lago para intentar oxidarlo del oloroso H2S al inoloro ión sulfato, de acuerdo con la siguiente reacción de oxidación: H2S + 2O2 4 SO42- + 2H+ Se ha determinado de manera experimental que la reacción sigue la cinética de primer orden con respecto a las concentraciones de oxígeno y de hidrógeno sulfúrico: d[H2S]/dt = -k[H2S] + [O2] ALFAOMEGA c03.indd 94 INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC 8/30/11 2:40:09 PM 3.11 Cinética 95 e j e m p l o / 3.14 Continuación La actual tasa de aireación mantiene la concentración del oxígeno del lago en 2 mg/L. Experimentalmente se determinó la constante de velocidad de reacción k y resultó 1000 L/mol-día. Si la aireación inhibiera completamente la respiración anaeróbica y detuviera así la producción de sulfuro, ¿cuánto tardaría en reducir la concentración de H2S del lago de 500 ␮M a 1 ␮M? solución El oxígeno disuelto en el lago se mantiene a un valor constante y por lo tanto es una constante. Puede combinársele con la tasa constante para hacer una velocidad de reacción de seudoprimer orden. De esta manera, [H2S] + [H2S]0 e-k’t donde k’ = k[O2] 1 000L 1 M = 500 M * e Despeje el tiempo: t = 100 días. E - mol-día * 2 mg L * g mol 1 000 mg * 32g * tF ttp ua ega.c .mx/h : / /v i r t 0.5[C]0 = [C0] - kt1/2 om om A menudo es útil expresar una reacción en términos del tiempo que se requiere para que reaccione la mitad de la concentración inicial. La vida media, t1/2, se define como el tiempo que se necesita para que la concentración de un químico disminuya a la mitad (por ejemplo, [C] = 0.5 * [C]0). La relación entre la vida media y la constante de velocidad de reacción depende del orden de la reacción, previo como se mostró en la figura 3.12. Para las reacciones de orden cero, la vida media puede relacionarse con una constante de la velocidad de reacción, k. Para hacerlo, sustituya [C] = 0.5 * [C0] en la ecuación 3.42: l.alfa 3.11.4 VIDA MEDIA Y SU RELACIÓN CON LA CONSTANTE DE VELOCIDAD Descomposición radiactiva y explosión de rosetas de maíz (3.50) La ecuación 3.50 se puede resolver para la vida media: t1/2 = 0.5 * [C0 ] (3.51) k De la misma forma, para la reacción de primer orden se puede relacionar la vida media con la constante de velocidad de reacción, k. En este caso, sustituya [C] = 0.5 * [C0] en la ecuación 3.44: 0.5[C0] = [C0] e-kt INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC c03.indd 95 (3.52) ALFAOMEGA 8/30/11 2:40:09 PM 96 Capítulo 3 Química e j e m p l o / 3.15 Conversión de constante de velocidad de reacción a vida media Según la lista, bajo la superficie las vidas medias del benceno, el TCE y el tolueno son 69, 231 y 12 días, respectivamente. ¿Cuál es la constante de velocidad de reacción en reacciones de primer orden para los tres químicos? solución El modelo sólo acepta constantes de velocidad de reacción que dependan de la concentración y que sean de primer orden. Por lo tanto, para resolver el problema, convierta la vida media a una constante de velocidad de reacción de primer orden con el empleo de la ecuación 3.53: Para el benceno, t1/2 = 0.693 = k 0.693 69 días = 0.01/día De manera similar, kTCE = 0.058/día y ktolueno = 0.058/día. e j e m p l o / 3.16 Uso de la vida media para determinar decaimiento de primer orden Tras el accidente nuclear de Chernobyl, la concentración de 137Cs en la leche era proporcional a la concentración de 137Cs en el pasto que las vacas consumían. La concentración del pasto era, a su vez, proporcional a la concentración del suelo. Suponga que la única reacción en la cual se perdió 137Cs del suelo fue mediante decaimiento radiactivo y que la vida media de este isótopo es de 30 años. Calcule la concentración de 137Cs en la leche de vaca después de 5 años si la concentración en la leche poco después del accidente era de 12 000 becquerelios (Bq) por litro. (Nota: El becquerel o becquerelio es una medida de radiactividad; 1 becquerel es igual a 1 desintegración radiactiva por segundo.) solución Debido a que la vida media es igual a 30 años, la constante de velocidad de reacción k se puede determinar a partir de la ecuación 3.53: k = 0.693 t1/2 = 0.693 30 años = 0.023/año Por lo tanto: C 137Cs D t =5 = C 137Cs D t =0 exp(- kt ) = 12 000 Bq/L * exp a ALFAOMEGA c03.indd 96 - 0.023 año * 5 añosb = 10 700 Bq/L INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC 8/30/11 2:40:09 PM 3.11 Cinética 97 La vida media para una relación de primer orden se da por t1/2 = 0.693 k (3.53) 3.11.5 EFECTO DE LA TEMPERATURA EN LAS CONSTANTES DE VELOCIDAD DE REACCIÓN Las constantes de velocidad de reacción normalmente se determinan y se compilan para temperaturas entre 20° C y 25° C. Sin embargo, las aguas freáticas en general tienen temperaturas que oscilan entre los 8° C y los 12° C, y las aguas superficiales, las aguas negras y los suelos por lo común presentan temperaturas que van de 0° C a 30° C. Así, al enfrentarse a una temperatura diferente, se debe determinar si la temperatura tiene un efecto importante, y en segundo lugar, si es importante, determinar cómo convertir la constante de velocidad de reacción a la nueva temperatura. La ecuación de Arrhenius se usa para ajustar las constantes de velocidad de reacción cuando la temperatura cambia. Se escribe como k = Ae-(Ea/RT) (3.54) en donde k es la constante de velocidad de reacción de un orden particular, A se llama al factor preexponencial (que tiene las mismas unidades que k), Ea es la energía de activación (kcal/mol), R es la constante de la ley de los gases ideales y T es la temperatura (K). La energía de activación, Ea, es la energía que se necesita para que la colisión dé lugar a una reacción. El factor preexponencial se relaciona con el número de colisiones en el tiempo, así que es diferente para las reacciones en fase gaseosa y en fase líquida. El factor preexponencial, A, presenta una pequeña dependencia de la temperatura en muchas reacciones; sin embargo, la mayoría de las situaciones medioambientales se verifican en un rango de temperaturas relativamente reducido. Su valor depende en gran medida del número de moléculas que colisionan en la reacción. Por ejemplo, las reacciones intramoleculares e j e m p l o / 3.17 Efecto de la temperatura en la constante de velocidad de reacción del CBOD La constante de velocidad de reacción para la técnica de medición de demanda biológica de oxígeno (CBOD) a 20° C es 0.1/día. ¿Cuál es la constante de velocidad de reacción a 30° C? Suponga que ® = 1.072. solución Con el uso de la ecuación 3.55, k30 = 0.1/día[1.072(30° C - 20° C)] = 0.2/día Este ejemplo demuestra que, en el caso del tratamiento de aguas negras que usan sistemas biológicos, con frecuencia se observará una duplicación de la reacción biológica por cada 10° C de incremento en la temperatura. INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC c03.indd 97 ALFAOMEGA 8/30/11 2:40:09 PM 98 Capítulo 3 Química muestran valores de A que pueden ser más grandes, por varios órdenes, que las reacciones bimoleculares. Una gráfica de ln(k) versus 1/T puede determinar Ea y A. Después de conocer Ea y A para una reacción en particular, se emplea la ecuación 3.54 para ajustar la constante de velocidad de reacción para los cambios en la temperatura. La ecuación Arrhenius es la base para otra relación comúnmente usada entre las constantes de velocidad de reacción y la temperatura, en el caso de procesos biológicos sobre estrechos rangos de temperaturas. Normalmente se usa la expresión siguiente para convertir la constante de velocidad de reacción, k, de la demanda bioquímica de oxígeno carbonosos (CBOD) de una temperatura a otras temperaturas: (3.55) kT1 = kT2 * ®(T2-T1) en donde ® es el coeficiente de temperatura adimensional. De hecho, ® es igual a exp{Ea , [R * T1 * T2]}, como se aprecia a partir de la ecuación de Arrhenius. ® es dependiente de la temperatura y se encuentra en el rango de 1.056 a 1.13 para el decaimiento biológico de los drenajes municipales. 3.11.6 CINÉTICA DE REACCIÓN FOTOQUÍMICA Protección de la capa de ozono y el Protocolo de Montreal http://ozone.unep.org/ La mejor manera de describir las reacciones fotoquímicas es con el uso del enfoque cinético. Estas reacciones ocurren a través de la reacción directa o indirecta de las moléculas ante la luz, y se catalizan con químicos que se dan de manera natural en el medio ambiente o por químicos que emiten las actividades humanas. Un ejemplo de fotoquímica en nuestra vida diaria es la decoloración de los tintes de las telas expuestas a la luz solar. Otro ejemplo es la reacción fotoquímica que quizá sea la más importante del mundo: la fotosíntesis. La luz se diferencia de acuerdo con su longitud de onda. La tabla 3.13 muestra el espectro electromagnético completo. La luz se puede ver por pequeños paquetes de energía llamados fotones, que son absorbidos o emitidos por la materia. La energía de un fotón, E (en unidades joules), se calcula de la siguiente manera: E = hc (3.56) Tabla / 3.13 Espectro electromagnético Las reacciones fotoquímicas que implican rayos UV son causas fundamentales del agujero de ozono y la formación del esmog urbano. La luz infrarroja es importante en la comprensión del efecto invernadero. ALFAOMEGA c03.indd 98 Longitud de onda (nm) Rango 650 rayos X 50–400 ultravioleta (UV) 400–750 luz visible (400-450 ⫽ violeta y 620-750 ⫽ roja) 7750 infrarrojo INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC 8/30/11 2:40:10 PM 3.11 Cinética en donde h es igual a la constante de Planck (6.626 * 10−34 J-s), c es la velocidad de la luz (3 * 108 m/s) y ␭ es la longitud de onda específica de la luz. La ecuación 3.56 muestra que los fotones con longitud de onda más corta son los que contienen mayor energía. Tal energía luminosa la absorbe una molécula. La molécula que absorbe energía luminosa ve su propia energía incrementada por excitación rotacional, vibracional y electrónica. Típicamente, la molécula tiene entonces poco tiempo (una fracción de segundo) ya sea para usar la energía en una reacción fotoquímica, o para perderla, lo más probable como calor. Todos los átomos y las moléculas tienen una cierta longitud de onda que le favorece para absorber luz. Esto es, un átomo o una molécula absorberá luz dentro de un rango específico de longitud de onda. Los gases de efecto invernadero como vapor de agua, CO2, N2O y CH4 absorben la energía que emite la Tierra como luz infrarroja, mientras que la mayoría de los componentes de la atmósfera (N2, O2, Ar) son incapaces de absorber la luz infrarroja. La absorción de esta energía que ha liberado la Tierra es la que contribuye, en parte, al calentamiento de la superficie del planeta. Las emisiones antropogénicas de gases de efecto invernadero como CO2, CH4 y CFC han incrementado la cantidad de energía que será absorbida. Otro ejemplo de moléculas que absorben energía luminosa lo constituye la filtración de rayos ultravioleta que penetra en la atmósfera de la Tierra. Las moléculas de O2 localizadas sobre la estratosfera (la región de la atmósfera que está entre 15 y 50 km por encima de la superficie terrestre) filtran (absorben) la mayoría de los rayos UV que llegan en un rango de 120-220 nm, y otros gases como el N2 filtran la luz UV de longitud de onda por debajo de 220 nm a fin de que no alcance la superficie de la Tierra. Las moléculas de ozono (O3) filtran toda la luz UV que se encuentre en el rango de 220-290 nm en la estratosfera, con un poco de ayuda de las moléculas de O2. Sin embargo, tan sólo el O3 por sí mismo filtra una fracción de la luz UV que está en el rango de 290-320 nm, y el resto logra llegar a la superficie de nuestro planeta. La sobreexposición a esta porción del espectro de luz resulta en cáncer de la piel maligno y benigno, así como daños en el sistema inmunológico de seres humanos e inhibir el crecimiento de plantas y animales. La mayor parte de la luz UV que oscila entre 320-400 nm logra llegar a la superficie de la Tierra, pero por fortuna este tipo de luz UV es el menos dañino para los sistemas biológicos del planeta. Recuadro / 3.4 O· + O2 : O3 (3.57) El (O·) que se requiere en la ecuación 3.57 se deriva de la reacción del O2 con fotones de UV (␭ = 241 nm) de acuerdo con la siguiente reacción: O2 + fotón UV : 2 O· c03.indd 99 Para saber más acerca del ozono http://ozone.unep.org Discusión en clase El agotamiento del ozono de la estratosfera es un problema de salud pública fundamental en Nueva Zelanda. ¿Por qué no lo es en Estados Unidos? Durante la discusión, considere las diferencias que hay en geografía, demografía, cultura y gobierno. El ciclo de ozono en la estratosfera El O3 de la estratosfera se forma mediante la reacción atómica del oxígeno (O·) con el oxígeno dimolecular (O2) de acuerdo con la siguiente reacción: INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC 99 (3.58) Sin embargo, en la estratosfera, la mayor parte del oxígeno existe como O2, así que hay sólo muy poco O· disponible. Por lo tanto, aun cuando hay poco O· en la estratosfera en relación con el O2 , las pocas cantidades de O· que se han creado aquí reaccionarán con el abundante O2 para formar ozono (O3), según la ecuación 3.57. Las ecuaciones 3.57 y 3.58 explican la formación natural de ozono en la estratosfera. También ofrecen una reflexión acerca de por qué la concentración de ozono es mucho más alta en la estratosfera (niveles de ppmv) en comparación con la troposfera (niveles de ppbv ). Esto se debe a que estratosfera contiene mucho más O· que la troposfera, en ALFAOMEGA 8/30/11 2:40:10 PM 100 Capítulo 3 Química Recuadro / 3.4 Continuación donde no se produce O· en grandes cantidades por mecanismos naturales, sino por condiciones inducidas por los seres humanos, como el esmog (analizado más adelante en este sección). El ozono se destruye de manera natural en la estratosfera por la reacción del ozono con los fotones UV si ␭ = 320 nm: O3 + fotón UV : O2 + O· (3.59) Las moléculas simples de oxígeno pueden entonces: ya sea reaccionar con el O2 para formar más O3, o bien, destruir el O3 para crear O2. Por fortuna, la reacción de destrucción tiene una factor exponencial relativamente alto, así que su destrucción natural ocurre a una velocidad baja. En la estratosfera, el ozono se destruye continuamente, y la cantidad de especies que destruyen el ozono y que se desplazan hacia la estratosfera ha aumentado en años recientes debido a la actividad humana. Muchos de los procesos que destruyen el ozono comparten un mecanismo general, si se usa X como las especies reactivas, como sigue: X + O3 : XO + O2 XO + O· : X + O2 (3.60) (3.61) O· + O3 : 2O2 (3.62) La reacción total: Las especies X actúan como catalizadores, aceleran la reacción que se da entre el O3 y el O. Se han clasificado las especies de X más comunes en tres categorías: radicales OH (H·, OH·, OOH·), radicales NO (NO·, NO2·) y radicales de ClO (Cl·, ClO·). Cerca de la estratosfera, los radicales OH son responsables de hasta 70% del total de la destrucción del ozono. Los radicales libres de átomos de cloro son catalizadores muy eficientes para la destrucción del ozono. Así, la mayor amenaza para el O3 de la estratosfera la constituyen los químicos que contienen cloro. Afortunadamente, 99% del Cl de la estratosfera se almacena en forma no reactiva, como el HCl y el nitrato de cloro (ClONO2). La cantidad de cloro presente en la estratosfera se ha incrementado en decenios recientes, sin embargo, y durante la primavera antártica, mucho de este cloro almacenado se ha liberado en formas catalíticas activas, Cl· y ClO·. Un químico que contiene cloro de manera natural es el clorometano (CH3Cl), que se forma sobre los océanos del mundo y que puede trasladarse hacia la estratosfera. Las moléculas de CH3Cl pueden reaccionar con los fotones UV (de longitud de onda 200-280 nm) para producir radicales libres de cloro, Cl·. La principal fuente antropogénica de cloro proviene de la liberación de clorofluorocarbono (CDC) a la estratosfera y su consiguiente producción de radicales libres de cloro. Los CFC (que en el mundo comercial se conocen como freón) se usaban ampliamente en el hemisferio norte a principios del decenio de 1930. Los tres CFC más comunes utilizados eran el CFC-12 (CF2Cl2, que se utilizaban mucho como refrescante y refrigerante, y se empotraban a manera de espuma plástica rígida), el CFC-11 (CFCl3, usado para soplar agujeros en plásticos suaves como colchones, bajoalfombras y asientos de auto) y el CFC-13 (CF2Cl-CFCl2, que servía para limpiar tableros de circuitos). Los CFC son relativamente estables en la troposfera, pero después de ser transportados hacia la estratosfera, pueden sufrir reacciones fotoquímicas que liberan radicales libres de cloro, Cl·. Por ejemplo, la desintegración del CFC-12 ocurre de la siguiente manera: CF2Cl2 + fotón UV (200-280 nm) : CF2Cl· + Cl· (3.63) En consecuencia, se puede liberar otro Cl· del CF2Cl·. Términos clave • absorción • base • ácido • actividad • adsorción • bióxido de carbono disuelto • capacidad de amortiguamiento • cinética • alcalinidad • coeficiente de partición ALFAOMEGA c03.indd 100 • coeficiente de partición octanolagua (Kow) • coeficiente de partición octanolaire (Koa) • coeficiente de partición sedimentoagua INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC 8/30/11 2:40:10 PM Términos clave • presión de saturación • primer orden • Ka • primera ley de la termodinámica • Kb • química ácido-base • reacción binaria • isoterma de Freundlich • coeficientes de actividad • concentración • Kw • constante de equilibrio (K) • constante de la ley de Henry, (KH) • donador del electrón • ley de Henry • Kp • ley de conservación de la masa • ley de Henry adimensional (sin unidades) • ley de Raoult • energía de activación • metilación • energía libre de Gibbs • equilibrio • orden cero • orden total • equilibrio aire-agua • oxidación-reducción • • • • • oxígeno disuelto equilibrio local estado de oxidación estequiometría fotosíntesis • fuerza iónica INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC c03.indd 101 • isoterma lineal • coeficiente de partición suelo-agua • coeficiente de partición sueloagua normalizado al carbono orgánico (Koc) • coeficiente de temperatura sin unidades • ecuación de Arrhenius 101 • partición hidrofóbica • pH • pKa • • • • • reacción elemental reacciones redox receptor del electrón relación van’t Hoff segunda ley de la termodinámica • • • • seudoprimer orden sistema de carbono sistema ideal solubilidad del producto (Ksp) • sorción • termodinámica • velocidad de reacción • vida media • volatilización • precipitación-disolución ALFAOMEGA 8/30/11 2:40:10 PM c a p í t u l o / Tres 3.1 ¿Cuántos gramos de NaCl sería necesario agregar a una muestra de 1 L de agua (pH = 7) para que la fuerza iónica sea igual a 0.1 M? 3.2 En ocasiones se usa el químico 1,4-diclorobenceno (1,4DCB) como desinfectante en baños públicos. A 20° C (68° F), la presión de saturación es de 5.3 * 10 -4 atm. a) ¿Cuál sería la concentración en el aire en unidades de g/m3? El peso molecular de 1,4-DCB es de 147 g/mol. b) Un desinfectante alternativo es el 1-bromo-4-clorobenceno (1,4-CB). El punto de ebullición del 1,4-CB es de 196° C, mientras que el punto de ebullición del 1,4-DCB es de 180° C. ¿Cuál es el compuesto que causaría las más altas concentraciones en el aire de los baños? (Explique su respuesta.) 3.3 Los puntos de ebullición del cloroformo (un anestésico), del carbono tetracloro (que solía ser común en las tintorerías) y del tetracloroetileno (que antes se usaba como agente desengrasante) son 61.7° C, 76.5° C y 121° C. La presión de saturación del químico es directamente proporcional a la inversa del punto de ebullición del químico. Si se derramara una gran cantidad de estos compuestos en el medio ambiente, ¿cuál de ellos presentaría las concentraciones más altas en el aire que circunda el sitio, según su pronóstico? (Explique su respuesta.) 3.4 ¿Cuál sería la concentración de saturación (mol/L) Problemas 3.7 La constante de la ley de Henry para el H2S es 0.1 mol/L-atm y H2S(aq) Δ HS- + H+ donde Ka = 10-7. Si se le bombea gas H2S puro en un vaso de precipitados de agua, ¿cuál es la concentración de HS- a un pH de 5 en a) mol/L, b) mg/L y c) ppmm? 3.8 Determine el pH de equilibrio de una solución acuosa para las siguientes sustancias sean ácidos fuertes o bases: a) 15 mg/L de HSO4-, b) 10 mM NaOH y c) 2500 ␮g/L de HNO3. 3.9 ¿Cuál sería el pH si se añadieran 10-2 moles de ácido hidrofluorídico (HF) a 1 L de agua pura? El valor de pKa de HF es 3.2. 3.10 Cuando se agrega Cl2 gaseoso al agua durante el proceso de desinfección del agua para beber, se hidroliza con el agua para forma HOCl. El poder desinfectante del ácido HOCl es 88 veces mejor que su base conjugada, OCL-. El valor de pKa para el HOCl es 7.5. a) ¿Cuál porcentaje del total del poder desinfectante (HOCl + OCL-) existe en la forma ácida a un pH = 6? b) ¿Y a un pH = 7? 3.11 a) ¿Cuál es la solubilidad (en mol/L) de CaF2 en agua pura a 25° C? b) ¿Cuál es la solubilidad de CaF2 si la temperatura se eleva a 10° C? c) ¿La solubilidad de CaF2 se incrementa, decrece o permanece igual si la fuerza iónica se eleva? (Explique su respuesta? del oxígeno (O2) en un río en invierno cuando la temperatura del aire es 0° C y si la constante de la ley de Henry a esta temperatura es 2.28 * 10-3 mol/L-atm? ¿Cuál sería la respuesta en unidades de mg/L? 3.12 En una planta de tratamiento de aguas negras se 3.5 El log de la constante de la ley de Henry (en unidades agrega FeCl3(s) para retirar el exceso de fosfato de un afluente. Suponga que ocurre la siguiente reacción: de L-atm/mol y medida a 25° C) para el tricloroetileno es 1.03; para el tetracloroetileno, 1.44; para el 1,2-dimetilbenceno, 0.71, y para el paratión, −3.42. a) ¿Cuál es la ley de Henry adimensional para cada uno de estos químicos? b) Ordene los químicos según la facilidad que tienen para cambiar de agua a aire. 3.6 La constante de la ley de Henry adimensional para el tricloroetileno (TCE) a 25° C es de 0.4. Se prepara un frasco sellado que tiene un volumen de aire de 4 mL por encima de un volumen acuoso de 36 mL. El TCE se añade a la fase acuosa de manera que inicialmente tiene una concentración en fase acuosa de 100 ppb. Después de que el sistema se equilibra, ¿cuál será la concentración (en unidades de ␮g/L) de TCE en la fase acuosa? ALFAOMEGA c03.indd 102 FeCl3(s) Δ Fe3+ + 3ClFe3+ + PO43- Δ FePO4(s) La constante de equilibrio para la segunda reacción es 1026.4. ¿Cuál es la concentración de Fe3+ necesaria para mantener la concentración de fosfato por debajo del límite de 1 mg P/L? 3.13 Un método para retirar los metales del agua es el de elevar el pH y provocar que se precipiten como sus hidróxidos metales. a) Calcule la liberación de energía de la siguiente reacción: Cd2+ + 2OH- Δ Cd(OH)2(s) INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC 8/30/11 2:40:10 PM Problemas b) El pH del agua estaba inicialmente en 6.8 y luego se elevó a 8.0. ¿Se redujo la concentración de cadmio por debajo de 100 mg/L durante el pH final? Suponga que la temperatura del agua es de 25° C. dt = -k3Fe3+ 43PO43-4 a) ¿Cuál es el orden de reacción con respecto a PO43-? b) ¿Cuál es el orden de reacción total? 3.14 El naftaleno tiene un log Kow de 3.33. Calcule su coeficiente de partición suelo-agua normalizado a carbono orgánico y con 95% de intervalo de confianza que usted mismo determine. 3.19 La amonia (NH3) es un constituyente común de 3.15 La atrazina, herbicida usado generalmente en el maíz, es un contaminante común en ciertas regiones de Estados Unidos. El log Kow de la atrazina es 2.65. Calcule la fracción del total de atrazina que absorberá el suelo dado que el contenido de carbono orgánico es de 2.5%. La densidad bruta del suelo es de 1.25 g/cm3; lo que significa que cada centímetro cúbico de suelo (éste más el agua) contiene 1.25 g de partículas de suelo. La porosidad es de 0.4. NH3 + HOCl : NH2Cl + H2O 3.16 Una reacción de primer orden que tiene como resultado la destrucción de un contaminante tiene una velocidad de reacción de 0.1/día. a) ¿Cuántos días transcurrirán para que se destruya 90% del químico? b) ¿Cuánto tiempo tomará que se destruya el 99% del químico? c) ¿Y el 99.9%? muchas aguas naturales y de aguas negras. Cuando una planta tratadora de aguas se ocupa del agua que contiene amonia, ésta reacciona con el desinfectante ácido hipocloro (HOCl) en solución para formar monocloroamina (NH2Cl) de la siguiente manera: La velocidad de reacción en este caso es d3NH34 dt = -k3HOCl43NH34 a) ¿Cuál es el orden de reacción con respecto a NH3? b) ¿Cuál es el orden de reacción total? c) Si la concentración de HOCl se mantiene constante y es igual a 10-4 M y la velocidad de concentración es igual a 5.1 * 106 L/mol-s, calcule el tiempo que se necesita para reducir la concentración de NH3 a la mitad de su valor original. 3.17 Se ha aislado la cepa de una bacteria que puede cometabolizar el tetracloroetano (TCA). Se puede usar dicha cepa en la remediación biológica de sitios peligrosos contaminados con TCA. Suponga que la tasa de biodegradación es independiente de la concentración de TCA (es decir, una reacción de orden cero). En un reactor biológico, la tasa de remoción de TCA fue 1 ␮g/L-min. ¿Qué tiempo de retención de agua se necesitará para reducir la concentración de 1 mg/L de la sustancia que entra a 1 ␮g/L de la sustancia que sale del reactor? Suponga que el reactor se mezcló por completo. mide durante un estudio de calidad de aire, y desciende de 5 ppmv a 2 ppmv en cuatro min con cierta intensidad de luz en particular. a) ¿Cuál es la velocidad de reacción de primer orden? b) ¿Cuál es la vida media del NO2 durante este estudio? c) ¿Cómo tendría que cambiar la velocidad de reacción a fin de incrementar el tiempo que se necesita para hacer descender la concentración del NO2 de 5 ppmv a 2 ppmv en 1.5 min? 3.18 Suponga que se retira PO43- de las aguas negras 3.21 Si la velocidad de reacción para la degradación de municipales mediante precipitación con Fe3+ de acuerdo con la siguiente reacción: PO43- + Fe3+ : FePO4(s). La velocidad de reacción es INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC c03.indd 103 d3PO43-4 103 3.20 La concentración del dióxido de nitrógeno (NO2) se un químico de demanda bioquímica de oxígeno (DOB) a 20° C es 0.23/día, ¿cuál es el valor a 5° C y 25° C? Suponga que ® es igual a 1.1. ALFAOMEGA 8/30/11 2:40:11 PM 104 Capítulo 3 Química Referencias Baker, J. R., J. R. Mihelcic, D. C. Luehrs y J. P. Hickey. 1997. “Evaluation of Estimation Methods for Organic Carbon Normalized Sorption Coefficients”. Water Environment Research 69:136–145. Mihelcic, J. R. 1999. Fundamentals of Environmental Engineering. Nueva York: John Wiley & Sons. Beyer, A., F. Wania, T. Gouin, D. Mackay y M. Matthies. 2002. “Selecting Internally Consistent Physicochemical Properties of Organic Compounds”. Environ. Toxicol. Chem. 21:941–953. Wania, F. 2006. “Potential of Degradable Organic Chemicals for Absolute and Relative Enrichment in the Arctic”. Environ. Sci. & Technol. 40:569–577. ALFAOMEGA c03.indd 104 Schwarzenbach, R. P., P. M. Gschwend y D. M. Imboden. 2003. Environmental Organic Chemistry. Nueva York: John Wiley & Sons. INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC 8/30/11 2:40:11 PM c a p í t u l o / Cuatro Procesos físicos Richard E. Honrath Jr., James R. Mihelcic, Julie Beth Zimmerman, Alex S. Mayer En este capítulo los lectores aprenderán acerca de los procesos físicos que influyen en la transportación de los contaminantes en el medio ambiente y los procesos utilizados para controlar y tratar las emisiones de contaminantes. El capítulo comienza con un estudio sobre el uso de los balances de materia y energía, y los procesos de advección y dispersión. La sección final de este capítulo profundiza esta noción de procesos de transportación mediante un vistazo al movimiento de partículas en fluidos, específicamente la velocidad a la que se precipita una partícula y se descarga en las aguas freáticas. Secciones principales 4.1 Balances de masa 4.2 Balances de energía 4.3 Procesos de transportación de masa Objetivos de aprendizaje 1. Emplear de la ley de conservación de la materia para hacer un balance de masa que incluya la velocidad a la cual se produce o desaparece un químico. 2. Determinar si en ciertas situaciones el estado es o no estacionario y aplicar esta información al balance de masa. 3. Diferenciar entre reactores batch, reactores de mezcla perfecta y reactores tubulares. 4. Relacionar el tiempo de retención de un reactor con su volumen y flujo. 5. Distinguir formas de energía y escribir balances de energía. 6. Vincular un balance de energía con el efecto invernadero. 7. Relacionar el cambio de temperatura con el nivel del mar bajo diferentes panoramas de población, crecimiento económico y administración de energía. 8. Diferenciar y emplear los procesos de transportación de advección, dispersión y difusión. 9. Aplicar las leyes de Fick, de Stoke y de Darcy a problemas medioambientales. 105 c04.indd 105 8/30/11 2:44:34 PM 4.1 Balances de masa La ley de conservación de la masa (o de la materia) establece que la masa no se crea ni se destruye. La conservación de la masa y la conservación de la energía constituyen la base para dos herramientas utilizadas con frecuencia: el balance de masa y el balance de energía. En esta sección se aborda el balance de masa, en tanto que el balance de energía es el tema de la sección 4.2. El principio de conservación de la masa significa que si se incrementa la cantidad de un químico en algún lugar (por ejemplo, en un lago), entonces tal incremento no pudo ser el resultado de una formación “mágica”. El químico tuvo que haber sido transportado hasta el lago desde algún otro lugar, o bien, debió producirse mediante una reacción química o biológica de otros compuestos que ya estaban presentes en el lago. De manera similar, si las reacciones produjeron el incremento de la masa de este químico, también debieron haber causado un descenso correspondiente de la masa de otro(s) compuesto(s). En términos de sustentabilidad, se puede considerar el mismo principio de balance de masa en términos del uso de materiales finitos y fuentes de energía. Por ejemplo, el uso de fuentes de energía basadas en fósiles (petróleo, gas y carbón) debe mantener un balance de masa. Como consecuencia, a medida que se usan estas fuentes para producir energía, la fuente original se va agotando, y los desperdicios que genera se emiten al aire, tierra y agua. En tanto que la masa de carbono permanece constante, gran parte de ella se libera en forma de petróleo, gas o carbón y se convierte en bióxido de carbono, un gas de efecto invernadero. La conservación de la masa brinda una base para consolidar un presupuesto de masa de cualquier químico. En el caso de un lago, este presupuesto lleva cuenta de las cantidades del químico que entran o que salen del lago y las cantidades que se forman o se destruyen por reacción química. Este presupuesto puede balancearse en un periodo dado, de manera muy parecida a como se balancea una cuenta de cheques. La ecuación 4.1 describe el balance de masa: masa en tiempo t + ¢t = masa en tiempo t + a masa que entra masa que sale de t a t + ¢t b - a de t a t + ¢t b masa neta del producto químico producido a partir de otros + P compuestos por las reacciones Q entre t y t + ¢t (4. (4.1) Cada término de la ecuación 4.1 tiene unidades de masa. Esta forma de balance es la más útil cuando el inicio y el fin del periodo (Δt) de un balance son claros, de manera que se puede determinar el cambio de la masa durante el periodo del balance. En los problemas medioambientales, usualmente es más conveniente trabajar con valores de flujo de masa (la tasa a la cual la masa entra y sale del sistema). Para desarrollar una ecuación en términos de flujo de masa, la ecuación de balance de masa se divide entre Δt para generar una ecuación que contenga unidades de masa por unidad de tiempo. Al dividir la ALFAOMEGA c04.indd 106 INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC 8/30/11 2:44:36 PM 4.1 Balances de masa 107 ecuación 4.1 entre Δt y mover el primer término de la derecha (masa en tiempo t) hacia el lado izquierdo, da lugar a: (masa en tiempo t + ¢t) - (masa en tiempo t) ¢t - a masa que sale de b t a t + ¢t + = a masa que entra de b t a t + ¢t producción neta del químico P de t a t + ¢t Q ¢t ¢t (4.2) ¢t Advierta que cada término de la ecuación 4.2 tiene unidades de masa/ tiempo. El lado izquierdo de la ecuación 4.2 es igual a Δm/Δt. Hacia el límite, a medida que Δt → 0, el lado izquierdo se convierte en dm兾dt, velocidad a la que cambia la masa del químico en el lago. A medida que Δt → 0, el primer término del lado derecho de la ecuación 4.2 se convierte en la velocidad a la cual la masa entra en el lago (el flujo de masa en el lago), y el segundo término se convierte en la tasa a la cual la masa sale del lago (el flujo de masa fuera del lago). El último término de la ecuación 4.2 es la velocidad neta a la cual el químico se produce o se pierde. · se refiere al flujo de masa en unidades de masa/tiempo. El símbolo m Al sustituir el flujo de masa, la ecuación se puede escribir para balances de masa de la siguiente manera: velocidad velocidad neta de acumulación = (flujo de masa - (flujo de masa + de producción entrante) saliente) P de masa Q P química Q o dm # # # = mentrante - m saliente + m reacción dt (4.3) La ecuación 4.3 es la que gobierna los balances de masa utilizados de principio a fin en toda la ciencia y la ingeniería relacionadas con el medioambiente. 4.1.1 CONTROL DE VOLUMEN El balance de masa es significativo sólo en términos de una región específica · · del espacio, la cual se ve limitada por términos m ym . Esta región entrante saliente se llama control de volumen. En el ejemplo anterior se utilizó un lago como control de volumen y se incluyeron flujos de masa que entraban y salían del lago. En teoría, puede usarse cualquier volumen de cualquier forma y localización como control de volumen. En la realidad, sin embargo, algunos controles de volumen son más útiles que otros. El atributo más importante del control de volumen es · · que tiene límites por encima de los cuales se puede calcular m ym . entrante saliente INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC c04.indd 107 ALFAOMEGA 8/30/11 2:44:36 PM 108 Capítulo 4 Procesos físicos 4.1.2 TÉRMINOS DE LA ECUACIÓN DE BALANCE DE MASA PARA UN CMFR Qentrante, Centrante Q, C Figura 4.1 Diagrama esquemático de un reactor de flujo de mezcla perfecta (CMFR). La barra agitadora es el símbolo que indica que el CMFR es una mezcla De Mihelcic (1999). Reproducido con autorización de John Wiley & Sons, Inc. Un tanque de mezcla perfecta es una analogía de muchos de los controles de volumen implicados en situaciones medioambientales. Por ejemplo, en el caso del lago quizá sería razonable suponer que los químicos que se desechan en el lago se encuentran mezclados uniformemente en el lago entero. Un sistema así se llamaría reactor de flujo de mezcla perfecta (CMFR). También se usan otros términos más comunes como el de reactor de tanque continuo (CSTR), La figura 4.1 muestra un diagrama esquemático de un CMFR. La exposición siguiente describe cada término en una ecuación de balance de masa para un compuesto hipotético dentro del CMFR. VELOCIDAD DE ACUMULACIÓN DE MASA (dm/dt) La tasa a la cual se da el cambio de la masa al interior del control de volumen, dm兾dt, se conoce como la velocidad de acumulación de masa. Para medir directamente la velocidad de acumulación de masa se requeriría determinar el total de la masa del compuesto que está dentro del control de volumen y que es el objeto del balance de masa en cuestión. Por lo general esto es muy difícil, pero pocas veces es necesario. Si el control de volumen es una mezcla perfecta, entonces la concentración del compuesto es la misma en todo el control de volumen, y la masa del control de volumen es igual al producto de tal concentración, C, y al volumen, V. (Para asegurarse de que C ⫻ V tiene unidades de masa/ tiempo, exprese C en unidades de masa/volumen.) Al expresar la masa como C ⫻ V, la velocidad de acumulación de masa es igual a d(VC) dm = dt dt (4.4) En la mayoría de los casos (y en todos los casos en este texto), el volumen es constante y puede trasladarse al exterior de la derivada, lo que resulta en dm dC = V dt dt (4.5) En cualquier situación en que se haga un balance de masa, una vez que ha transcurrido cierto tiempo, las condiciones se aproximarán al estado estacionario, lo que significa que las condiciones ya no cambiarán con el tiempo. Bajo un estado estacionario, la concentración (y por ende la masa) que está dentro del control de volumen permanece constante. En este caso, dm/dt = 0. Sin embargo, si no ha transcurrido el tiempo suficiente desde el cambio del flujo, la concentración de las entradas, el término de una reacción o algún otro problema o condición, la masa del control de volumen cambiará con el tiempo, y el balance de masa estará en un estado no estacionario. El tiempo que debe transcurrir antes de que se alcance el estado estacionario depende de las condiciones del problema. Para entender el por qué, considere cómo alcanza el estado estacionario el agua de dos grandes lavabos inicialmente vacíos. En el primero, sólo se abre el grifo de agua a la mitad y se abre ligeramente el desagüe. En un principio, la masa de agua se incrementará en el lavabo conforme pasa el tiempo, ya que el flujo del grifo excede la tasa del flujo de desagüe. Las condiciones están cambiando, así que se trata de una situación no estacionaria. Sin embargo, a medida que se eleva el nivel de agua en el lavabo, la tasa de desagüe se incrementará y en algún momento el flujo de desagüe igualará al flujo del grifo de ALFAOMEGA c04.indd 108 INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC 8/30/11 2:44:36 PM 4.1 Balances de masa agua. En ese punto, el nivel de agua cesará de aumentar y la situación habrá alcanzado un estado estacionario. Si se repite este experimento con un segundo lavabo, pero esta vez se deja el desagüe completamente abierto, el flujo de desagüe se incrementará rápido e igualará al grifo de agua mientras el nivel del agua en el lavabo es aún bajo. En este caso, el estado estacionario se alcanzará más rápido. En general, la velocidad a la cual se llega al estado estacionario depende de los términos de la magnitud del flujo de masa en relación con el total de la masa en el control de volumen. Determinar si un problema de balance de masa se encuentra en estado estacionario o no es casi como un arte. No obstante, si las condiciones del problema recién han cambiado, entonces probablemente el problema se encuentra en un estado no estacionario. Y viceversa, si las condiciones han permanecido constantes por largo tiempo, es probable que sea un problema en estado estacionario. Tratar un problema estacionario como no estacionario siempre llevará a la respuesta correcta, en tanto que tratar un problema no estacionario como si fuera estacionario, no. Mas esto no significa que todos los problemas deben abordarse como si fueran no estacionarios. Las soluciones a los estados no estacionarios son generalmente más difíciles, así que resulta ventajoso identificar los estados estacionarios cada vez que se presenten. En términos de emisiones al medio ambiente, los estados estacionarios con frecuencia se igualan a la capacidad de la naturaleza de asimilar los desechos a la velocidad a la que éstos se emiten. Por ejemplo, en el caso de las emisiones de bióxido de carbono provenientes de la quema de combustibles fósiles, un estado estacionario en la velocidad de las emisiones igualaría el total de todas las tasas de eliminación de la atmósfera. Éstas incluyen la correspondiente a los océanos y la pequeña fracción que le corresponde a las plantas mediante la fotosíntesis, y que no se balancea por la respiración, que emite bióxido de carbono. En algún momento, a medida que la concentración de bióxido de carbono de la atmósfera se eleva, la tasa que corresponde a los océanos se balanceará con la tasa de emisiones de la quema de combustibles fósiles. No obstante, para que eso ocurra, la concentración tendría que incrementarse significativamente, y el bióxido de carbono disuelto se habría convertido en una mezcla en todo el océano. Debido a que estos procesos toman siglos o milenios, las emisiones de bióxido de carbono se acumulan en la atmósfera, y desde allí contribuyen al efecto invernadero. Puede ocurrir una situación similar en la liberación de químicos industriales al medio ambiente. Actualmente, cuando se seleccionan, diseñan o se manufacturan químicos que terminarán desechándose en el medio ambiente con frecuencia se ignora el efecto que tendrán y el daño que puede causar su asimilación. En muchos casos, resulta la acumulación en el medio ambiente en un sistema que no es un estado estable. Esto representa una preocupación particular cuando los químicos que se bioacumulan (se acumulan en los organismos) incrementan su concentración a medida que se presentan en organismos en estados superiores de la cadena alimenticia. e j e m p l o / 4.1 109 Aire al interior de los grandes edificios http://www.epa.gov/iaq/largebldgs/ Emisiones de gases de efecto invernadero provenientes de los transportes http://www.epa.gov/otaq/climate Determinar si un problema es un estado estacionario Para cada uno de los siguientes problemas de balance de masa, determine si se trata de un balance de masa en estado estacionario o no. INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC c04.indd 109 ALFAOMEGA 8/30/11 2:44:36 PM 110 Capítulo 4 Procesos físicos e j e m p l o / 4.1 Continuación 1. Imagine un balance de masa de cloro (Cl−) disuelto en un lago. Hay dos ríos que traen el cloro al lago, y hay uno que lo retira. No ocurren reacciones químicas significativas, ya que el cloro es soluble y no es reactivo. ¿Cuál es la concentración anual promedio del cloro en el lago? 2. A fin de destruir el contaminante, se lleva a cabo una reacción de degradación dentro del tanque de mezcla perfecta. La concentración de la sustancia que entra y el flujo se mantienen constantes, y el sistema ha estado operando por varios días. ¿Cuál es la concentración del contaminante en su salida, dado que el flujo de entrada y la concentración, así como del decaimiento de primer orden, son de velocidad constante? 3. La fuente del contaminante en el problema 2 se ha retirado, lo que resulta en un declive instantáneo de la concentración del entrante, que llega a cero. ¿Cuánto tiempo tomará que la concentración de salida alcance 10% de su valor inicial? solución 1. Se puede suponer que en un año, el cauce del río y las concentraciones sean relativamente constantes. En vista de que las condiciones no cambian, y de que se requiere un solo valor independiente de tiempo para la concentración del cloro, se trata de un problema de estado estacionario. 2. Una vez más, las condiciones del problema son constantes y han permanecido así por largo tiempo, así que el problema está en estado estacionario. Tome en cuenta que la presencia o ausencia de una reacción química no brinda ninguna información que indique si el problema está o no en estado estacionario. 3. Dos claves revelan que el problema aborda un estado no estacionario. Primero, las condiciones han cambiado recientemente: la concentración de entrada descendió a cero. Segundo, la solución requiere calcular el tiempo, lo que significa que las condiciones han variado con el tiempo. . FLUJO DE MASA ENTRANTE (m entrante) A menudo se conoce la velocidad de flujo volumétrica, Q, de cada cauce de entrada que se agrega al control de volumen. En la figura 4.1, la tubería tiene una velocidad de flujo de Qentrante, con la concentración correspondiente del químico en Centrante. La masa de flujo al CMFR se obtiene entonces de la siguiente ecuación: . (4.6) mentrante = Qentrante × Centrante Si no resulta claro en primera instancia cómo Q × C da como resultado el flujo de masa, considere las unidades de cada término: . m =Q×C masa = _________ volumen × _________ masa _______ tiempo tiempo volumen Advierta que la concentración se debe expresar en unidades de masa/volumen. ALFAOMEGA c04.indd 110 INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC 8/30/11 2:44:36 PM 4.1 Balances de masa Si no se conoce la velocidad del flujo volumétrico, se puede calcular mediante otros parámetros. Por ejemplo, si se conocen la velocidad del fluido v y el área transversal A de la pipa, entonces Q = v × A. En algunas situaciones, la masa puede entrar al control de volumen mediante emisión directa. En este caso, es común que las emisiones estén expresadas en unidades de flujo de masa/tiempo, que se pueden usar en el balance de masa directamente. Por ejemplo, si el balance de masa se lleva a cabo para el contaminante del aire de una ciudad, monóxido de carbono (CO), se usarían cálculos del total de emisiones de CO (en unidades de tonelada/día) de automóviles y plantas de energía de la ciudad. Otra forma de describir el flujo es en términos de densidad de flujo, J, por el área a través de la cual ocurre el flujo. J tiene unidades de masa/ área-tiempo y se exponen más ampliamente bajo el tema de difusión. Este tipo de notación de flujo es más útil entre el aire y el agua en la superficie de un lago. Con frecuencia, el flujo de masa se compone de varios términos. Por ejemplo, un tanque puede tener más de una entrada, o el aire de una ciudad puede recibir CO que provenga de los vientos que soplan de otras áreas urbanas, además de provenir de sus propias emisiones. En estos . casos, mentrante es la suma de todas las contribuciones individuales de flujos de masa que entren. 111 Para saber más sobre Chesapeake Bay http://www.chesapeakebay.net/ Programa del estuario de Tampa Bay http://www.tbep.org . FLUJO DE MASA SALIENTE (m saliente) En la mayoría de los casos, existe un solo flujo de salida de un CMFR. Entonces, el flujo de masa que . sale mentrante se puede calcular como se hizo en la ecuación 4.6: . (4.7) msaliente = Qsaliente × Csaliente En el caso de los controles de volumen de mezcla perfecta, la concentración es constante en todos lados. Por lo tanto, la concentración de flujo que sale del control de volumen se expresa simplemente como C, y . (4.8) m saliente = Qsaliente × C VELOCIDAD NETA DE . REACCIÓN DE UN QUÍMICO . . (m reacción) El término mreacción o mrxn se refiere a la tasa neta de producción de un compuesto a partir de una reacción química o biológica. Tiene unidades de masa/tiempo. Por lo tanto, si otros compuestos reaccionan para formar el . compuesto mrxn será mayor que cero; si el compuesto reacciona para formar . otro(s) compuesto(s), el resultado será una pérdida, mrxn será negativo. Aunque el término de la reacción química de un balance de masa tiene unidades de masa/tiempo, las tasas de reacción química usualmente se . expresan en términos de concentración, no de masa. Así, para calcular mrxn, se multiplica la tasa de cambio de la concentración por el volumen del CMFR para obtener la tasa de cambio de masa dentro del control de volumen: ( ) . dC m rxn = V × ___ dt sólo reacción (4.9) en donde (dC兾dt)sólo reacción se obtiene de la constante para la reacción y es igual a la tasa de cambio de concentración que ocurriría si la reacción tuviera lugar en aislamiento, sin flujos de entrada ni de salida. INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC c04.indd 111 ALFAOMEGA 8/30/11 2:44:36 PM 112 Capítulo 4 Procesos físicos La masa cuyo origen fue una reacción puede adoptar varias formas. Las siguientes son las más comunes: • Compuesto conservador. Los compuestos que no tienen formación ni pérdida química al interior de un control de volumen se llaman compuestos conservadores. Éstos no se ven afectados por reacciones . químicas ni biológicas, así que (dC兾dt )sólo reacción = mreacción = 0. Para estos compuestos se usa el término conservador porque su masa verdaderamente se conserva: lo que entra es igual a lo que sale. • Decaimiento de orden cero. La velocidad a la que se pierde un com- puesto es constante. Para un compuesto con decaimiento de orden . cero, (dC兾dt )sólo reacción es igual a −k y mrxn es igual a −Vk. Se abordan las reacciones de orden cero en el capítulo 3. • Decaimiento de primer orden. Para un compuesto con decaimiento de primer orden, la velocidad de pérdida del compuesto es directamente proporcional a su concentración: (dC兾dt)sólo reacción es igual a −kC. . Para tal tipo de compuesto, mrxn es igual a −VkC. Se abordan las reacciones de primer orden en el capítulo 3. • Producción a una tasa que depende de la concentración de otros compuestos del CMFR. En esta situación, el químico se produce debido a reacciones que implican otros compuestos dentro del CMFR, y (dC兾dt )sólo reacción es mayor que cero. PASOS PARA PROBLEMAS DE BALANCE DE MASA La solución de problemas de balance de masa que implican un CMFR generalmente será sencilla si se hace con cuidado. La mayor parte de las dificultades para resolver problemas de balance de masa provienen de la incertidumbre relacionada con la ubicación de los límites del control de volumen o de los valores de los términos individuales del balance de masa. Por ello, los siguientes pasos ayudarán a la resolución de los problemas de balance de masa: 1. Dibuje un diagrama esquemático de la situación e identifique el control de volumen y todos los flujos que entren y que salgan. Todas las masas de los flujos que se conocen o que habrán de ser calculadas deben atravesar los límites del control de volumen, y es razonable suponer que se trata de un control de volumen de mezcla perfecta. 2. Escriba la ecuación de balance de masa en su forma general: . . dm = m. ___ − msaliente + mrxn entrante dt 3. Determine si el problema se encuentra en estado estacionario (dm兾dt = 0) o en estado no estacionario (dm兾dt = V × dC兾dt). . . conservador (mrxn debe determinarse con base en las reacciones cinéticas de la ecuación 4.9). . . 5. Reemplace mentrante y msaliente con los valores conocidos o requeridos tal y como se describió. 4. Determine si el compuesto que se balancea es conservador mrxn = 0 o no 6. Finalmente, resuelva el problema. Esto requerirá solucionar problemas de estado no estacionario con ecuaciones diferenciales y problemas en estado estacionario con ecuaciones algebraicas. ALFAOMEGA c04.indd 112 INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC 8/30/11 2:44:36 PM 4.1 Balances de masa 113 Tabla / 4.1 Resumen de ejemplos de CMFR . Número de ejemplo Forma de dm/dt Forma de mreacción Ejemplo 4.2 estado estacionario conservadora Ejemplo 4.3 estado estacionario decaimiento de primer orden Ejemplo 4.4 estado no estacionario decaimiento de primer orden Ejemplo 4.5 estado no estacionario conservadora FUENTE: De Mihelcic (1999). Reproducido con autorización de John Wiley & Sons, Inc. ttp ua ega.c .mx/h : / /v i r t e j e m p l o / 4.2 om om El análisis de reactores se refiere al uso de balances de masa para analizar las concentraciones de contaminantes en un control de volumen, ya sea en una reacción química, o bien, un sistema natural que se simula mediante un reactor químico. Se pueden dividir los reactores ideales en dos tipos: reactores de mezcla completa (CMFR) o reactores tubulares (PFR). Los CMFR se usan como modelo de embalses medioambientales de mezcla perfecta. Los PFR, que se describen en la sección 4.1.5, se comportan esencialmente como tuberías y se usan como modelo para situaciones como las del transporte río abajo, en donde el fluido no se mezcla a contracorriente, en dirección río arriba. Esta sección presenta diversos ejemplos que implican CMFR en diferentes combinaciones de estados estacionario o no estacionario y de compuestos conservadores y no conservadores como se muestra en el resumen de la tabla 4.1. El ejemplo 4.2 demuestra el uso de análisis con CMFR para la determinación de la concentración de una sustancia que fue el resultado de la mezcla de dos o más flujos influyentes. Los ejemplos 4.3 a 4.5 se refieren al tanque que se describió en la figura 4.1, y demuestran situaciones en estados estacionario y no estacionario, con y sin decaimiento químico de primer orden. Se pueden usar cálculos análogos a los usados en los ejemplos 4.3 a 4.5 para determinar la concentración de los contaminantes presentes en el tratamiento de un reactor, la velocidad a la que se incrementan las concentraciones de los contaminantes al interior de un lago como resultado de una nueva fuente de contaminación, o el periodo durante el cual los niveles de contaminantes decaen en un lago o en un reactor una vez que se ha retirado la fuente. l.alfa 4.1.3 ANÁLISIS DE REACTORES: EL CMFR Simuladores CMFR y FPR CMFR en estado estacionario con químico conservador: el problema de la mezcla La tubería de un planta municipal de tratamiento de aguas negras descarga 1.0 m3/s de un desecho tratado de manera deficiente y que contiene 5.0 mg/L de compuestos de fósforo (que se reportaron como mg P/L) en un río cuyo cauce es de 25 m3/s y una concentración de fósforo previa de 0.010 mg P/L (vea la figura 4.2). ¿Cuál es la concentración de fósforo resultante (en mg/L) en el río, justo corriente abajo del desagüe de la planta? INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC c04.indd 113 ALFAOMEGA 8/30/11 2:44:36 PM 114 Capítulo 4 Procesos físicos e j e m p l o / 4.2 Continuación Qu Qd Río Cu Cd Planta de tratamiento con tubería de desagüe Qe Ce Figura 4.2 El problema de la mezcla del ejemplo 4.2 El área al interior de las líneas punteadas indica el control de volumen. De Mihelcic (1999). Reproducido con autorización de John Wiley & Sons, Inc. solución Para resolver este problema, aplique dos balances de masa: uno para determinar la velocidad de flujo volumétrico (Qd) río abajo y el segundo para especificar la concentración de fósforo (Cd) río abajo. Primero, debe seleccionarse un control de volumen. Para asegurarse de que los flujos de entrada y de salida atraviesan los límites del control de volumen, su salida debe atravesar la corriente del río en ambos sentidos (río arriba y río abajo), al igual que su tubería de desagüe. La figura 4.2 muestra el control de volumen seleccionado al interior de la línea punteada. Se supone que se ha llegado a un punto suficientemente lejano río abajo para que las aguas de desecho y las aguas del río se hayan mezclado perfectamente antes de abandonar el control de volumen. Mientras se cumpla esta condición, no importa qué tan lejos río abajo se extienda el análisis del control de volumen. Antes de comenzar el análisis, determine si se trata de un problema en estado estacionario o no y si el término de la reacción química será o no cero. Debido a que la enunciación del problema no menciona el tiempo, y parece razonable suponer que tanto el río como el caudal de agua de desecho han estado fluyendo por algún tiempo y continuarán haciéndolo, se trata de un problema en estado estacionario. Además, en este caso lo que ocupa es la concentración que resulta de la rápida mezcla del río y de los flujos afluentes. Por lo tanto, se puede definir un pequeño control de volumen y asegurar que la degradación química o biológica son insignificantes durante el tiempo que pasaron en el control de volumen, así que este problema se aborda como en estado estacionario. 1. Determine la velocidad del flujo río abajo, Qd. Para hallar Qd, lleve a cabo un balance de masa en la masa total del agua del río. En este caso, la “concentración” de agua del río en unidades (masa兾volumen) es simplemente la densidad del agua, ρ: ALFAOMEGA c04.indd 114 INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC 8/30/11 2:44:37 PM 4.1 Balances de masa e j e m p l o / 4.2 115 Continuación . . dm = m. ___ − msaliente + mrxn entrante dt = ρQentrante − ρQsaliente + 0 . donde el término mrxn se ha establecido en cero porque la masa del agua se conserva. Debido a que es un problema en estado estacionario, dm兾dt = 0. Por lo tanto, mientras la densidad ρ se mantenga constante, Qentrante = Qsaliente y (Qu + Qe ) = 26 m3兾s = Qd. 2. Determine la concentración de fósforo río abajo proveniente de la tubería de desagüe, Cd. Para hallar Cd, use la ecuación estándar de balance de masa en condiciones de estado estacionario y sin formación ni decaimiento químico: . . dm = m. ___ − msaliente + mrxn entrante dt 0 = (CuQu + CeQe) − CdQd + 0 Despeje Cd: CuQu + CeQe Cd = ___________ Qd (0.010 mg兾L)(25m3兾s) + (5.0 mg兾L)(1.0 m3兾s) = ______________________________________ 26 m3/s = 0.20 mg兾L e j e m p l o / 4.3 CMFR en estado estacionario con decaimiento de primer orden El CMFR que se muestra en la figura 4.1 se utiliza para tratar desechos industriales mediante una reacción que destruye el contaminante según la química cinética de primer orden, en la que k = 0.216兾día. El volumen del reactor es de 500 m3, la velocidad del flujo volumétrico de la única entrada y salida es de 50 m3兾día y la concentración del contaminante que entra es de 100 mg兾L. ¿Cuál es la concentración de salida tras el tratamiento? solución El control de volumen obvio es el tanque en sí mismo. El problema pide que se resuelva una única concentración constante, y todas las condiciones son constantes. Por lo tanto, se trata de un problema en estado estacionario (dm兾dt = 0). La ecuación de balance de masa con un término de decaimiento . de primer orden ([dC兾dt]sólo reacción = −kC y mrxn = −VkC) es INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC c04.indd 115 ALFAOMEGA 8/30/11 2:44:37 PM 116 Capítulo 4 Procesos físicos e j e m p l o / 4.3 Continuación . . dm = m. ___ − msaliente + mrxn entrante dt 0 = QCentrante − QC − VkC Despeje C: Q C = Centrante × ______ Q + kV 1 = Centrante × __________ V 1 + k × __ ( Q ) Tras sustituir los valores dados, la solución numérica es C = 100 mg>L * = 32 mg>L e j e m p l o / 4.4 50 m3>día 50 m3>d + (0.216>día)(500m3) CMFR en estado no estacionario con decaimiento de primer orden El proceso de manufactura que genera los desechos del ejemplo 4.3 ha tenido que detenerse y a partir de t = 0, la concentración Centrante que penetra el CMFR se establece en 0. ¿Cuál es la concentración de salida como una función del tiempo después de que la concentración se ha establecido en 0? ¿Cuánto tiempo le toma a la concentración del tanque alcanzar 10% de su valor inicial en estado estacionario? solución Una vez más, el tanque es el control de volumen. En este caso, el problema es evidentemente de estado no estacionario, porque las condiciones cambian en función del tiempo. La ecuación de balance de masa es dm # # # = mentrante - msaliente + mrxn dt dC V = 0 - QC - kCV dt Despeje dC兾dt: Q dC = - a + kbC V dt ALFAOMEGA c04.indd 116 INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC 8/30/11 2:44:37 PM 4.1 Balances de masa e j e m p l o / 4.4 117 Continuación Para determinar C en función del tiempo, debe resolverse la ecuación diferencial que precede. Adaptar e integrar: Ct t Q dC - a + k bdt = dt V L0 LC0 La integración da lugar a ln C - ln C0 = - a Q + kbt V Debido a que ln x – ln y es igual a ln (x兾y), se puede reescribir esta ecuación como ln a que da lugar a Q C b = - a + kbt V C0 Ct = e - (Q>V + k)t C0 Se puede verificar que la solución es razonable al considerar lo que pasa a t = 0 y t = q. Cuando t = 0, el término exponencial es igual a 1, y C = C0, como se esperaba. Cuando t : q, el término exponencial se aproxima a 0, y la concentración desciende a 0 (otra vez como se esperaba), ya que Centrante es igual a 0. Ahora es posible insertar los valores para determinar la dependencia de C del tiempo. El ejemplo 4.3 ofrece Q y V. La concentración inicial es igual a la concentración antes de que Centrante se estableciera en 0, y que resultó ser 32 mg兾L en el ejemplo 4.3. La inserción de estos valores da lugar a la concentración de salida como función del tiempo: Ct = 32 mg>L * exp c - a = 32 mg>L * exp a- 50 m3>día 3 + 500 m 0.316 tb día 0.216 bt d día La solución se grafica en la figura 4.3a. ¿Cuánto tiempo le tomará a la concentración alcanzar 10% de su valor estacionario inicial? Esto es, a qué valor de t corresponde Ct兾C0 = 0.10? El tiempo en que Ct兾C0 = 0.10, 0.316 C tb = 0.10 = exp adía C0 INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC c04.indd 117 ALFAOMEGA 8/30/11 2:44:37 PM 118 Capítulo 4 Procesos físicos e j e m p l o / 4.4 Concentración (mg/L) 40 Continuación (a) C = 32 mg/L × exp(–0.316/día × t ) 30 20 10 0 0 10 20 Tiempo (días) 30 40 30 40 a) (b) C = 100 mg/L [1 – exp(–0.10/día × t )] Concentración (mg/L) 100 80 60 40 20 0 0 10 20 Tiempo (días) b) Figura 4.3 Perfiles de concentración contra tiempo para las soluciones de los ejemplos 4.4 y 4.5 a) Decaimiento de primer orden en la concentración que resulta de retirar los minutos en el tiempo cero. El decaimiento en la concentración es el resultado de la suma de las pérdidas de la reacción química . . (mrxn) y del término de flujo de masa de salida (msaliente). b) Aproximación exponencial a condiciones de estado estacionario cuando se arranca el reactor con una concentración inicial igual a cero. En ausencia de un término de pérdida en la reacción química, la concentración del reactor se aproxima exponencialmente a la concentración que entra. De Mihelcic (1999). Reproducido con autorización de John Wiley & Sons, Inc. Tras tomar el logaritmo natural en ambos lados 0.316 In 0.10 = -2.303 = - _____ t día Por lo tanto, t = 7.3 días. ALFAOMEGA c04.indd 118 INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC 8/30/11 2:44:37 PM 4.1 Balances de masa e j e m p l o / 4.5 119 CMFR en estado no estacionario, sustancia conservadora El CMFR que se describe en la figura 4.1 está lleno de agua limpia antes de arrancar. Después de encendido, se le añade un caudal de agua de desecho que contiene 100 mg兾L de un contaminante conservador a una velocidad de flujo de 50 m3兾día. El volumen del reactor es de 500 m3. ¿Cuál es la concentración que sale del reactor como una función del tiempo después del arranque? solución Una vez más, el tanque sirve como control de volumen. Se mencionó que . el contaminante es conservador, de manera que m rxn = ␾. El problema pide la concentración en función del tiempo, así que el balance de masa debe ser un estado no estacionario. La ecuación de balance de masa es dm dt V # # # = mentrante - msaliente + mrxn dC = QCentrante - QC + 0 dt Se despeja dC/dt: Q dC = - a b(C - Centrante ) dt V Debido al término adicional a la derecha (Centrante), esta ecuación no puede resolverse inmediatamente. Sin embargo, con un cambio en las variables, se puede transformar la ecuación de balance de masa en una forma más simple que se puede integrar directamente, con el mismo método del ejemplo 4.4. Sea y = (C - Centrante). Entonces, dy兾dt = (dC/dt) - d(Centrante兾dt). Debido a que Centrante es constante dCentrante兾dt = 0, así que dy/dt = dC/dt. Por lo tanto, la última ecuación es equivalente a dy Q = - y dt V Adaptar e integrar: y(t) Ly(0) t dy Q - dt = y L0 V La integración da lugar a: ln a Q y(t) b = - t y(0) V o y(t) = e - (Q>V)t y(0) INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC c04.indd 119 ALFAOMEGA 8/30/11 2:44:37 PM 120 Capítulo 4 Procesos físicos e j e m p l o / 4.5 Continuación Al reemplazar y con (C - Centrante) resulta la siguiente ecuación: C - Centrante = e - (Q>V)t C0 - Centrante Debido a que hay presencia de agua limpia en el tanque en el momento del arranque C0 = 0: C - Centrante = e - (Q>V)t -Centrante Adaptar y despejar C: C - Centrante = - Centrante e -(Q/V)t C = Centrante * A 1 - e -(Q/V)t B Ésta es la solución a la pregunta que se planteó en el problema. Advierta lo que pasa a medida que t S q: e-(Q/V)t S 0 y C S Centrante. Esto no es de sorprender, ya que la sustancia es conservadora. Si el reactor se deja funcionar el tiempo suficiente, su concentración alcanzará en algún momento la concentración de entrada. Esta última ecuación (graficada en la figura 4.3b) da C en función del tiempo. Se puede usar para determinar cuánto le tomará a la concentración llegar a 90%, por decir algo, del valor de entrada. 4.1.4 REACTOR BATCH Un reactor que no tiene flujos de entrada o de salida se llama reactor batch. Es esencialmente un tanque en el que se ha permitido que ocurra una reacción. Una vez que se ha tratado un lote, se vacía el reactor, y se puede entonces tratar un segundo lote, ya que no hay flujos mentrante = 0 y msaliente = 0. Por lo tanto, la ecuación de balance de masa se reduce a dm # = mrxn dt (4.10) o dC dC = Va b dt dt sólo reación (4.11) dC dC = a b dt dt sólo reacción (4.12) dC = - kC dt (4.13) V Al simplicar: Así, en un reactor batch, el cambio de la concentración a lo largo del tiempo es simplemente el resultado de una reacción química. Por ejemplo, para una reacción de decaimiento de primer orden, r = -kC. Así, ALFAOMEGA c04.indd 120 INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC 8/30/11 2:44:37 PM 4.1 Balances de masa 121 o Ct ___ =e (4.14) -kt C0 4.1.5 REACTOR TUBULAR El reactor tubular (PFR) se usa para modelar transformaciones químicas de compuestos que se transportan en sistemas que parecen tuberías. Se muestra un diagrama esquemático de PFR en la figura 4.4. Las tuberías de un PFR pueden representar un río, la región entre dos montañas entre las cuales pasa el aire o una variedad de otros conductos naturales o de ingeniería a través de los cuales pasan flujos de líquido o de gas. Por supuesto, en este modelo la tubería puede representar incluso una tubería. La figura 4.5 ilustra ejemplos de PFR de un sistema de ingeniería (figura 4.5a) y de un sistema natural (figura 4.5b). A medida que el líquido fluye por el PFR, se mezcla en dirección radial, pero la mezcla no ocurre en la dirección del eje. Es decir, cada recarga de fluido hecha por el pistón se considera una entidad separada que va bajando por la tubería. Sin embargo, el tiempo transcurre a medida que el fluido (líquido o gas) se mueve corriente abajo. Así, hay una dependencia implícita del tiempo, incluso en estado estacionario, en los problemas que implican un PFR. No obstante, debido a que la velocidad del fluido (v) en el PFR es constante, el tiempo y la distancia recorrida hacia abajo (x) son intercambiables y t = xⲐv. Esto es, el fluido de un movimiento de pistón siempre toma un tiempo igual Ubicación inicial del pistón Ubicación ulterior del pistón Q Csaliente Q Centrante Figura 4.4 Diagrama esquemático de un reactor tubular De Mihelcic (1999). Reproducido con autorización de John Wiley & Sons, Inc. Aire que sale W A S H I N G T O N Medio de soporte ia mb olu oC í R The Dalles Presa Dalles O R E G O N am elle Portland Río ll Wi Aire que entra a) b) Figura 4.5 Ejemplos de reactores tubulares en sistemas de ingeniería y sistemas naturales a) Se usan biofiltros empacados en forma de torre para retirar emisiones de aire olorosas, como el ácido sulfúrico (H2S), de las emisiones en fase gas. Los biofiltros consisten de una columna empacada con un medio de soporte como rocas, anillos de plástico o carbón activado, en donde se cultiva una biopelícula. El agua o el aire contaminado pasan a través del filtro, y la degradación bacteriana da como resultado la buscada reducción de las emisiones del contaminante. b) El río Columbia fluye 1 200 millas desde su manantial de origen en Canadá hasta el océano Pacífico. Antes de llegar al océano, el río Columbia fluye hacia el sur de Estados Unidos y da lugar a la frontera entre Oregon y Washington. Se muestra un trecho del río cercano a The Dalles, Washington, donde alguna vez el río se angostaba y caía sobre una serie de rápidos, conocidos como les Dalles, o la cañada, por los primeros exploradores franceses. De entonces data la gran presa que se construyó cerca de The Dalles. La sección del río corriente abajo y la presa podrían modelarse como un reactor tubular. De Mihelcic (1999). Reproducido con autorización de John Wiley & Sons, Inc. INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC c04.indd 121 ALFAOMEGA 9/13/11 6:26:45 PM 122 Capítulo 4 Procesos físicos Cuenca del río Mississippi http://www.epa.gov/msbasin/ a xⲐv para viajar la distancia x en el reactor. Se puede aplicar esta observación con las formulaciones de balance de masa que se acaban de dar para determinar cómo las concentraciones químicas varían a través del flujo de un PFR. Para desarrollar la ecuación que gobierna la concentración como una función de la distancia dentro del PFR, se analizará la evolución de la concentración en el tiempo de un único fluido en el pistón. Se supone que el pistón está bien mezclado en dirección radial pero que no se mezcla en lo absoluto con el fluido que está antes ni después. A medida que el flujo recorre corriente abajo, ocurre decaimiento químico y la concentración disminuye. El balance de masa para la masa que se encuentra al interior de este pistón en movimiento es la misma que para el reactor batch: Programa Golfo de México http://www.epa.gov/gmpo/ . dm # # # = mentrante - msaliente + mrxn dt dC dC V = 0 - 0 + Va b dt dt sólo reacción (4.15) (4.16) . en donde m entrante y m saliente se han establecido iguales a cero porque no hay intercambio de masa a través de las fronteras del pistón. Se puede usar la ecuación 4.16 para determinar la concentración como una función del transcurso del tiempo dentro del PFR para cualquier reacción cinética. En el caso de decaimiento de primer orden, V(dC兾dt)sólo reacción = -VkC y dC = - VkC dt (4.17) Ct = exp ( -kt) C0 (4.18) V lo que da como resultado: En general, es deseable expresar la concentración a la salida del PFR en términos de la concentración de entrada y longitud o volumen del PFR, en lugar del tiempo que pasó adentro. En un PFR de longitud L, cada pistón viaja por un periodo ␪ = L兾v = L * A兾Q, donde A es el área transversal del PFR y Q es la velocidad de flujo. El producto de la longitud y el área transversal es simplemente el volumen del PFR, así que la ecuación 4.18 es equivalente a Csaliente kV = exp ab Centrante Q (4.19) La ecuación 4.19 no depende del tiempo. Aunque la concentración al interior de un pistón dado cambia con el tiempo a medida que viaja pistón abajo, la concentración a una cierta localización dada dentro del PFR es constante con respecto al tiempo, debido a que todas las tandas de flujo que llegan a dicha localización han pasado el mismo tiempo en el PFR. COMPARACIÓN DEL PFR CON EL CMFR El CMFR ideal y el PFR son fundamentalmente diferentes y por lo tanto se comportan de manera distinta. Cuando un paquete de fluidos entra al CMFR, se mezcla inmediatamente a todo lo largo y ancho del volumen entero del CMFR. A diferencia del PFR, en el que cada paquete de fluidos que entra se mantiene separado durante su paso a través del reactor. Para destacar estas diferencias, se considerará un ejemplo en el que intervenga la adición continua ALFAOMEGA c04.indd 122 INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC 8/30/11 2:44:38 PM 4.1 Balances de masa Q Centrante V Q Centrante 123 Q Csaliente V Q Csaliente (a) (b) Figura 4.6 Comparación de a) un reactor de flujo de mezcla perfecta con b) un reactor tubular. De Mihelcic (1999). Reproducido con autorización de John Wiley & Sons, Inc. de contaminantes a cada reactor, en la que se lleve a cabo su destrucción al interior del reactor de acuerdo con la química cinética de primer orden. Se describen los dos reactores en la figura 4.6. Este ejemplo supone que se conocen la concentración que entra (Centrante), la velocidad de flujo (Q) y la constante de velocidad de reacción de primer orden (k) y son las mismas en ambos reactores. Considere dos problemas comunes: 1. Si se conoce el volumen V (el mismo para ambos reactores), ¿cuál es la concentración de salida final (Csaliente) que proviene del CMFR y del PFR? 2. Si se especifica la concentración de salida, ¿cuál ha de ser el volumen del reactor RFMP y PFR? La tabla 4.2 sintetiza los resultados de esta comparación y enumera las variables de entrada. Los resultados que se muestran en la tabla 4.2 indican que, para reactores con el mismo volumen, el PFR es más eficiente que el CMFR, y que para concentraciones de salida iguales se requiere un PFR de menor tamaño. ¿Por qué? La respuesta está relacionada con la diferencia fundamental entre los dos reactores (los paquetes de fluidos que entran en el PFR viajan con la corriente sin mezclarse), en tanto que los paquetes que entran en el CMFR se Tabla / 4.2 Comparación del desempeño de un CMFR y un PFR* Ejemplo 1. Determine Csaliente si V = 100 L, Q = 5.0 L/s, k = 0.05/s. CMFR Csaliente = Centrante >(1 + kV>Q) Csaliente >Centrante = 0.50 PFR Csaliente = Centrante exp (- kV>Q) Csaliente >Centrante = 0.37 Ejemplo 2. Determine V, si Csaliente/Centrante = 0.5, Q = 5.0 L/s, k = 0.05/s. CMFR V = (Centrante >Csaliente - 1) * (Q>k) V = 100 L PFR V = - (Q>k) ln (Csaliente >Centrante ) V = 69 L *El ejemplo 1 compara la concentración de salida (Csaliente) para un CMFR y un PFR del mismo volumen; el ejemplo 2 compara el volumen que se requiere para cada tipo de reactor si hace falta retirar un porcentaje dado. FUENTE: De Mihelcic (1999). Reproducido con autorización de John Wiley & Sons, Inc. INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC c04.indd 123 ALFAOMEGA 8/30/11 2:44:38 PM 124 Capítulo 4 Procesos físicos mezclan de inmediato con los fluidos de baja concentración dentro del reactor. Debido a que la velocidad de la reacción química es proporcional a la concentración, la velocidad de reacción química se ve reducida en un CMFR, en relación con la de un PFR. Este efecto es visible en la figura 4.7. El flujo de masa que proviene de la reacción es igual a -VkC en ambos reactores. Sin embargo, en el PFR la concentración disminuye exponencialmente a medida que los flujos de pistón pasan a través de él como lo muestra la curva continua de la figura 4.7. El flujo de masa promedio que proviene de la reacción en el PFR es simplemente el valor promedio de esta curva (el valor indicado con la línea punteada en al figura 4.7). A diferencia de la disminución de la velocidad de destrucción, indicada con la línea punteada en la figura 4.7, y que es el resultado de la reducción de la concentración inicial del CMFR que se da a medida que el fluido que entra se mezcla y de inmediato diluye el fluido. 1.0 Flujo de masa proveniente de la reacción = –VkC (mg/L-s) (VkCt) en un pistón de fluido que viaja a través del PFR 0.8 Valor promedio de (VkCt) en el PFR 0.6 (VkCt) en el CMFR 0.4 0.2 0 0 5 10 15 Tiempo en el(los) reactor(es) 20 Figura 4.7 El por qué de la mayor eficiencia de destrucción de un PFR bajo condiciones de decaimiento de primer orden Se muestra la velocidad de destrucción química (mrxn = -VkC como una función del tiempo que ha permanecido en el reactor en el caso de un PFR (línea continua) y un CMFR (línea punteada) bajo las condiciones dadas en el ejemplo 1 de la tabla 4.2. En vista de que la concentración cambia cada vez que un nuevo flujo de pistón pasa a través del PFR (C = Centrante exp[-k ¢t], el valor de mrxn cambia. La velocidad de destrucción promedio en el PFR se muestra con una línea de guiones. La velocidad de destrucción química es constante en todo el CMFR y es igual a -VkC. Debido a la alta concentración de entrada se diluye inmediatamente después de entrar al CMFR, la velocidad de reacción es menor que la que se encuentra en la mayor parte del PFR y es menor que el promedio de velocidad de reacción del PFR. De Mihelcic (1999). Reproducido con autorización de John Wiley & Sons, Inc. ALFAOMEGA c04.indd 124 INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC 8/30/11 2:44:38 PM 4.1 Balances de masa 125 Respuesta a los picos de entrada. Los CMFR y los PFR también difieren en su respuesta a los picos de las concentraciones de entrada. En muchos sistemas de contaminación controlados, las concentraciones o flujos de entrada no son constantes. Por ejemplo, el flujo hacia la planta tratadora de aguas negras municipal varía de manera dramática durante el día. A menudo es necesario garantizar que un incremento temporal en las concentraciones de entrada no dará como resultado una concentración de salida excesiva. Y, como se verá en el capítulo 8, la tecnología de desarrollo de bajo impacto, como las celdas de bio-retención, está diseñada para almacenar primero agua pluvial de un área urbana desarrollada y luego liberarla de nuevo al medio ambiente a baja velocidad, lo que reduce los picos en las concentraciones de entrada y reduce la posibilidad de desbordar las instalaciones de las plantas de tratamiento de aguas negras. Cuando no existen técnicas de reducción en el origen, se necesita el uso de un CMFR para eliminar los picos en las concentraciones de salida, resultado de la mezcla que se da al interior de los CMFR pero no en los PFR. Tome en consideración el efecto de una duplicación temporal de las concentraciones que entran a un CMFR y a un PFR: cada uno de ellos está diseñado para reducir la concentración de entrada en la misma cantidad de acuerdo con el flujo, la velocidad de decaimiento de primer orden y el grado requerido de destrucción que son iguales a los valores dados en el ejemplo 2 de la tabla 4.2. En la figura 4.8 se muestran los cambios que resultan en la concentración de salida para el CMFR y el PFR. La concentración del fluido que sale del CMFR empieza a elevarse inmediatamente después de que la concentración de entrada se incrementa, a medida que el flujo más concentrado se mezcla en todo el CMFR. Sin embargo, la concentración de salida no se duplica de inmediato como respuesta a la duplicación de la concentración de entrada, porque el flujo que entra con una mayor concentración se diluye debido al volumen del fluido de menor concentración que está en el interior del CMFR. La concentración de salida del CMFR se incrementa exponencialmente y en algún momento se duplicará, pero el pico en la concentración de entrada no dura lo suficiente para que esto ocurra. A diferencia de la concentración de salida que proviene del PFR, que no cambia hasta que ha pasado suficiente tiempo para que el primer lote de fluido de concentración mayor haya atravesado el PFR a todo lo largo. En ese momento, la concentración de salida se duplica y permanece elevada durante un periodo igual a la duración del pico de entrada. Decidir entre un RFMP y un RFP tiene otras implicaciones medioambientales. Si resulta que el diseño de un reactor es más eficiente que otro para ciertas condiciones de operación, el uso del reactor cuyo diseño es más eficiente puede reducir los requerimientos de energía, el desperdicio de producción y el uso de materiales de operación. Seleccionar un CMFR o un PFR. La selección de un CMFR o de un PFR en un sistema de ingeniería se basa en las consideraciones que acaban de describirse: control de eficiencia como una función del tamaño del reactor y su respuesta a los cambios de las condiciones de entrada. En muchos casos, la elección óptima es un CMFR para reducir la sensibilidad a los picos, seguido de un PFR para un uso eficiente de los recursos materiales. Decidir entre un CMFR o un PFR tiene otras implicaciones ambientales. Si el diseño de un reactor se encuentra más eficiente puede eliminar los requerimientos de energía, los desperdicios de producción y el uso de materiales operativos. En los sistemas naturales, la elección se basa en si el sistema se mezcla o no (si se mezcla, se usaría un CMFR como modelo del sistema), o bien, si el flujo INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC c04.indd 125 ALFAOMEGA 8/30/11 2:44:38 PM 126 Capítulo 4 Procesos físicos 0.12 Concentración de salida Csaliente del PFR 0.10 Csaliente del CMFR 0.06 0.04 0.02 Concentración de entrada Csaliente 0.08 2.0 Pico en Centrante Concentración de entrada 1.0 0.0 0.0 –40 –20 0 20 Tiempo (s) 40 60 80 Figura 4.8 Respuesta de un CMFR y de un PFR a un incremento temporal en la concentración de entrada La concentración que entra, que se muestra en el recuadro inferior de la figura, se incrementa a 2.0 durante el periodo t = 0-15 s. Se muestran como un función del tiempo las concentraciones que resultan y que salen del CMFR y el PFR del ejemplo 2, en la tabla 4.2, antes, durante y después de la duplicación temporal de la concentración de entrada. Se muestra la concentración de salida del CMFR como una línea discontinua; la concentración que sale del PFR se muestra con una línea continua. La concentración máxima que se alcanzó en el flujo que sale del CMFR es menor que la que se alcanzó en el flujo que sale del PFR porque el incremento en la concentración de entrada se diluyó a causa del volumen del fluido de menor concentración que se hallaba dentro del CMFR. De Mihelcic (1999). Reproducido con autorización de John Wiley & Sons, Inc. e j e m p l o / 4.6 Volumen necesario en un PFR Determine el volumen necesario en un PFR para obtener el mismo grado de reducción de contaminante que en el CMFR del ejemplo 4.3. Suponga que la velocidad de flujo y la tasa de decaimiento de primer orden permanecen inalteradas (Q = 50 m3兾día y k = 0.216兾día). solución El CMFR del ejemplo 4.3 logró una disminución del contaminante de Csaliente兾Centrante = 32兾100 = 0.32. A partir de la ecuación 4.19, Csaliente ______ =e -(kV兾Q) Centrante ALFAOMEGA c04.indd 126 INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC 8/30/11 2:44:38 PM 4.1 Balances de masa e j e m p l o / 4.6 Continuación o: Despeje V: 127 0.32 = exp - a 0.216>día * V V = ln 0.32 * 50 m3>día b 50 m3>día -0.216>día = 264 m3 Como era de esperarse, este volumen es menor que los 500 m3 necesarios para el CMFR del ejemplo 4.3. se da corriente abajo sin mezclarse (lo que requiere el uso de un PFR). En algunos casos es necesario usar el CMFR y el PFR. Un ejemplo común de esto es el flujo que desemboca en un río. Se usa un reactor CMFR para definir un problema en el que hay mezcla, como se hizo en el ejemplo 4.2. Esto establece la concentración de entrada para un PFR, la cual se usa como modelo de degradación del contaminante a medida que fluye corriente abajo. (Este tipo de problema se investiga en el capítulo 8 para el oxígeno disuelto en los ríos.) 4.1.6 TIEMPO DE RETENCIÓN Y OTRAS EXPRESIONES PARA V/Q Varios términos (entre los que se incluye tiempo de retención, tiempo de detención y tiempo de residencia) se refieren al periodo promedio pasado en un control de volumen dado, ␪. El tiempo de retención se obtiene así: = V Q (4.20) donde V es el volumen del reactor y Q es la velocidad a la cual sale del reactor el flujo volumétrico total. Los ejemplos 4.7 y 4.8 ilustran el cálculo y aplicación del tiempo de retención. ejemplo/4.7 Tiempo de retención en un CMFR y en un PFR Calcule los tiempos de retención en el CMFR del ejemplo 4.3 y el PFR del ejemplo 4.6. solución Para el CMFR, = 500 m3 V = 10 día = Q 50 m3/día = 264 m3 V = = 5.3 días Q 50 m3/día Para el PFR, INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC c04.indd 127 ALFAOMEGA 8/30/11 2:44:38 PM 128 Capítulo 4 Procesos físicos ejemplo/4.8 Tiempos de retención para los Grandes Lagos La figura 4.9 ilustra la región de los Grandes Lagos. Calcule los tiempos de retención para el Lago Michigan y el Lago Ontario, con el uso de los datos que se dan en la tabla 4.3. solución Para el Lago Michigan 4 900 * 109 m3 ␪ = _____________ = 136 años 36 * 109 m3Ⲑaño Tabla / 4.3 Volumen y cauce de los Grandes Lagos Lago Volumen 109 m3 Efluente 109 m3/año Superior 12 000 67 Michigan 4 900 36 Huron 3 500 161 Erie 468 182 Ontario 1 634 211 FUENTE: De Mihelcic (1999). Reproducido con autorización de John Wiley & Sons, Inc. Para el Lago Ontario, 1 634 * 109 m3 ␪ = ______________ = 8 años 212 * 109 m3Ⲑaño Estos valores indican que el Lago Michigan cambia por completo su volumen de agua cada 136 años y que el Lago Ontario lo cambia cada 8 años. El cauce mayor y el volumen menor del Lago Ontario resultan en un tiempo de retención significativamente menor. Esto significa que las concentraciones de contaminante pueden incrementarse en el Lago Ontario mucho más rápido que en el Lago Michigan, y que descenderán más rápido en el Lago Ontario si se elimina la fuente de contaminación, a condición de que el flujo que sale de los lagos sea la cuenca del contaminante dominante. Pueden usarse estos valores de ␪ para determinar si sería apropiado modelar los lagos como CMFR en un problema de balance de masa. Los lagos templados se mezclan generalmente dos veces por año. Por lo tanto, en el periodo que se necesita para que los lagos Michigan y Ontario se desagüen, los lagos se habrán mezclado varias veces. Sería apropiado, entonces, modelar los lagos como CMFR en balances de masa que impliquen contaminantes que no decaigan en forma significativa en menos de un año más o menos. ALFAOMEGA c04.indd 128 INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC 8/30/11 2:44:39 PM 4.2 Balances de energía 94°W 92° 90° 88° 86° 84° 82° 80° 78° 76° 74°W Leyenda 0–100 m 100–200 m Mayor a 200 m C A LAGO SUPE CH AN R I 48° Á O Lago Nipissing Sault Ste. Marie 46° NSIN SCO WI Bahía Georgian LAGO HURON S St. Clair River Chicago Windsor S N U OI S Lake St. Clair Toledo N I INDI A D NA O S Hamilton Cataratas del Niágara O LAG IE ER Cleveland K E MICHIGAN Detroit LI LAGO ONTARIO Toronto D O 44° Buffalo Erie A N U E V R Green Bay A IL D 50 100 150 200 250 kilómetros 0 25 50 75 100 125 150 175 millas St. Marys River IG Milwaukee T A RIO R LAGO MICHIG AN MIN MI Superior 0 A T Isla Royale Duluth N N NE S O O Thunder Bay TA 54° N Profundidades por debajo del nivel del lago Litoral Lago Nipigon 129 Y O 42° NIA SYLVA PENN OHIO Figura 4.9 Los Grandes Lagos de Norteamérica Los Grandes Lagos son una parte importante de la herencia física y cultural de Estados Unidos. Contienen aproximadamente 18% del suministro mundial de agua dulce, lo que los hace el mayor sistema disponible de agua dulce superficial (sólo las capas de hielo polares contienen más agua dulce). Los primeros humanos llegaron al área hace aproximadamente 10 000 años. Hace unos 6 000 años comenzaron las minas de cobre a lo largo de la costa sur del Lago Superior, y se establecieron comunidades de cazadores y pescadores en toda la región. Se estima que en el siglo xvi, la población oscilaba entre los 60 000 y los 117 000 habitantes, un nivel que provocaba pocos disturbios de origen humano. Actualmente, entre canadienses y estadounidenses, la población excede los 33 millones. El aumento de los asentamientos humanos y la explotación durante los últimos 200 años han causado muchas alteraciones al ecosistema. Hoy, el flujo de salida de los Grandes Lagos es menos de 1% anual. Por lo tanto, los contaminantes que entren en los lagos vía aire, descargas directas o fuentes de contaminación no determinadas permanecen en el sistema por un tiempo mayor. De Mihelcic (1999). Reproducido con autorización de John Wiley & Sons, Inc. 4.2 Balances de energía La sociedad moderna depende del uso de la energía. Tal uso requiere transformaciones en la forma de energía y control de los flujos de energía. Por ejemplo, cuando se quema carbón en una planta, la energía química del carbón se convierte en calor y da lugar a la energía eléctrica de las plantas generadoras. En un momento dado, la energía eléctrica volverá a convertirse en calor, o bien en trabajo. Sin embargo, los flujos de energía y su transformación también pueden causar problemas medioambientales. Por ejemplo, la energía calorífica termal proveniente de las plantas eléctricas puede provocar incrementos en la temperatura de los ríos cuyas aguas se usan como enfriadores, y los gases de efecto invernadero que contaminan la atmósfera alteran INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC c04.indd 129 ALFAOMEGA 8/30/11 2:44:39 PM 130 Capítulo 4 Procesos físicos el equilibrio de energía de la Tierra y pueden causar incrementos significativos en la temperatura global, el consumo de combustibles fósiles para producir energía está asociado con emisiones de contaminantes El movimiento de energía y los cambios en su forma se puede rastrear con el uso de balances de energía, que son análogos a los balances de masa. La primera ley de la termodinámica establece que la energía no puede producirse ni destruirse. La conservación de la energía brinda una base para los balances de energía, exactamente de la misma manera en que la ley de conservación de la materia da un sustento al balance de masa. Sin embargo, todo balance de energía se trata como conservador; en tanto que sean consideradas todas las formas de energía (y en ausencia de reacciones nucleares), no hay un término en los balances de energía que sea análogo al de reacción química en los balances de masa. Energía y medio ambiente http://www.epa.gov/energy/ 4.2.1 FORMAS DE ENERGÍA Las formas de energía se pueden dividir en dos tipos: internas y externas. La energía que es parte de la estructura molecular o de la organización de una sustancia dada es interna. La energía que resulta de la localización o movimiento de una sustancia es externa. Ejemplos de energía externa son la energía potencial gravitacional y la energía cinética. La energía potencial gravitacional es la que se gana cuando se mueve una masa a una ubicación más alta en la Tierra. La energía cinética es la que resulta de mover los objetos. Cuando se lanza una roca a un acantilado y se acelera rumbo al suelo, se conserva la suma de las energías cinética y potencial (si se desprecia la fricción); a medida que la roca cae, pierde energía potencial pero aumenta su velocidad y gana así energía cinética. La tabla 4.4 muestra la representación matemática de formas comunes de energía frecuentes en la ingeniería ambiental. El calor es una forma de energía interna resultado del movimiento aleatorio de los átomos. El calor es, por lo tanto, una forma de energía cinética, aunque se le considera por separado porque no es posible ver el movimiento de los átomos. Cuando se calienta un pocillo de agua, se le añade energía al Tabla / 4.4 Algunas formas comunes de energía Representación o cambio de la energía Energía calorífica interna ¢E = masa * c * ¢T Energía química interna ¢E = ¢Hrxn a volumen constante Potencial gravitacional ¢E = masa * ¢ altura Energía cinética masa * (velocidad)2 E = __________________ 2 Energía electromagnética E = constante de Planck * frecuencia de fotón FUENTE: De Mihelcic (1999). Reproducido con autorización de John Wiley & Sons, Inc. ALFAOMEGA c04.indd 130 INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC 8/30/11 2:44:39 PM 4.2 Balances de energía 131 agua. Esa energía se almacena en forma de energía interna, y el cambio en la energía interna del agua se expresa de la siguiente manera: cambio en la energía interna = (masa del H2O) * c * ¢T (4.21) donde c es la capacidad de calor, o calor específico del agua, en unidades de energía/masa-temperatura. La capacidad de calor es una propiedad de un material dado. Para el agua, la capacidad de calor es de 4 184 J/kg-C (1 Btu/lb-F). Recuadro / 4.1 Otro sistema para clasificar la energía: renovable y no renovable Se pueden describir las fuentes de energía como renovables y no renovables. Las fuentes de energía renovable se pueden reemplazar a una velocidad igual o más rápida que la velocidad a la cual se usan (la fuente está disponible continuamente). El Sol, el viento y las mareas son ejemplos de almacenes de abastecimiento de energía renovable. Por otro lado, las fuentes de energía no renovable se consumen más rápido de lo que pueden recuperarse. Los almacenes de abastecimiento basados en fósiles se consideran no renovables porque no pueden reabastecerse tan rápido como se consumen (la fuente es finita). Las fuentes de energía renovables y no renovables caen en una de las categorías enumeradas en la tabla 4.4. Por ejemplo, la energía que contienen los combustibles fósiles está presente en la forma de energía química interna, el poder del viento proviene de la energía cinética y la energía solar usa energía electromagnética. La energía química interna refleja la energía que existe en los enlaces químicos de una sustancia. Esta forma de energía se compone de dos partes: 1. La fuerza de los enlaces atómicos de una sustancia. Cuando ocurre una reacción química, si la suma de las energías internas del producto es menor que la de los reactantes, ha ocurrido un reducción de la energía química interna. Debido a la conservación de la energía, este sobrante debe aparecer en alguna forma diferente. Por lo general, la energía se libera en forma de calor. El ejemplo más común de ello es la combustión de carbono, en la que los hidrocarbonos y el oxígeno reaccionan para formar bióxido de carbono y agua. La energía de los enlaces químicos del bióxido de carbono y del agua son mucho menores que los de los hidrocarbonos, así que la combustión libera una cantidad significativa de calor. 2. La energía de las interacciones entre las moléculas. Se forman sólidos y líquidos como resultado de las interacciones entre moléculas adyacentes. Estos enlaces son mucho más débiles que los enlaces químicos entre los átomos de una molécula, pero de todas maneras son importantes en muchos balances de energía. La energía que se requiere para romper estos enlaces se conoce como calor latente. Existen tabulaciones de los valores de calor latente para varias sustancias en los cambios de fase de sólido a líquido y de líquido a gas. El calor latente de condensación para una sustancia dada es igual al calor que se libera cuando una unidad de masa de solidifica. (Una vez más, se requiere una cantidad igual de energía para fundir una sustancia.) INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC c04.indd 131 El debate sobre la energía nuclear Con: http://www.nrdc.org/nuclear/plants/ contents.asp Pro: http://www.energy.gov/sciencetech/ climatechange.htm Discusión en clase Algunos defienden la energía nuclear como una fuente de energía que reemplaza los combustibles fósiles. Otros la ven como un riesgo para la seguridad y como la generadora de problemas relacionados con el almacenamiento de desechos. Si se usa la definición de desarrollo sustentable, ¿la energía nuclear desempeña un papel en nuestra transformación hacia un futuro sostenible? ALFAOMEGA 8/30/11 2:44:39 PM 132 Capítulo 4 Procesos físicos 4.2.2 CONDUCCIÓN DE UN BALANCE DE ENERGÍA De manera análoga a la ecuación de balance de masa (ecuación 4.3), la siguiente ecuación se puede usar para conducir balances de energía: cambio en la energía interna más la energía = flujo de energía P que entra Q P externa por unidad Q de tiempo flujo de energía Q que sale P o # # dE = Eentrante - Esaliente dt (4.22) El uso de esta relación se ilustra en los ejemplos 4.9 y 4.10. Este mismo enfoque se puede usar para calcular balances de calor y para investigar la eficiencia energética de diferentes productos, procesos y sistemas. En el capítulo 14 se usará un balance de calor para la toma de decisiones acerca de la eficiencia energética de un edificio. e j e m p l o / 4.9 Calentamiento de agua: escenario 1 Un calentador de agua eléctrico de 40 gal calienta agua de la llave a una temperatura de 10° C. El nivel de calentamiento se establece al máximo para que varias personas tomen duchas consecutivas. Si al nivel máximo de calentamiento, el calentador usa 5 kW de electricidad y el flujo de agua es continuo 2 gal/min, ¿cuál es la temperatura del agua que sale del calentador? Suponga que el sistema se encuentra en estado estacionario y que el calentador tiene una eficiencia de 100%; es decir, que está perfectamente aislado y que se usa toda la energía para calentar el agua. solución El control de volumen es el calentador. Debido a que el sistema se encuentra en estado estacionario, dE/dt es igual a cero. El flujo de energía que añade el calentador eléctrico calienta el agua que entra hasta la temperatura de salida. El balance de energía es, por lo tanto, # # dE = 0 = Eentrante - Esaliente dt El flujo de energía que entra al calentador proviene de dos fuentes: el calor que contiene el agua que entra y el elemento eléctrico. El contenido de calor del agua que entra al calentador es el producto de la masa del agua, la capacidad de calor y la temperatura de entrada. La energía adicional que agrega el calentador se da como 5 kW. El flujo de agua que sale del calentador es simplemente la energía interna . del agua que deja el sistema (m H O * c * Tsaliente). No hay conversión neta 2 ALFAOMEGA c04.indd 132 INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC 8/30/11 2:44:39 PM 4.2 Balances de energía e j e m p l o / 4.9 133 Continuación a otras formas de energía. Por lo tanto, se puede escribir el balance de energía de la siguiente manera: # # 0 = (mH2O cTentrante + 5 kW) - mH2O cTsaliente Cada término de esta ecuación es un flujo de energía en unidades de energía/tiempo. Para resolver, convierta cada término a las mismas unidades, en este caso, watts (1W es igual a 1 JⲐs y 1 000 W = 1 kW). Además, la velocidad del flujo del agua (gal/min) ha de ser convertida en unidades de masa de agua por unidad de tiempo con el uso de la densidad del agua. Si se combinan el primer término y el tercero, # 0 = mH2O c(Tsaliente - T entrante ) + 5 kW (4.23) 0 = 2 gal H 2O min = 3.16 * 104 * 1.0 kg 4 184 J 5 000 J 3.785 L 60 s * * * * (Tentrante - Tsaliente ) + s L kg * °C gal min J J * (Tentrante - Tsaliente ) + 3.00 * 105 min * °C min Despeje Tsaliente: Tsaliente = Tentrante + 9.5°C = (10 + 9.5) = 19.5°C ¡Se trata de una ducha de agua fría! Pero es lógico, a mucha gente le ha tocado tomar tal ducha fría después de que otros usuarios han agotado el agua caliente del tanque. e j e m p l o / 4.10 Calentamiento de agua: escenario 2 El ejemplo 4.9 demostró que es necesario esperar hasta que el agua del tanque se haya recalentado (¡con suerte con energía solar!) antes de tomar una ducha de agua caliente. ¿Cuánto le tomará a la temperatura alcanzar 54° C si no se usara agua caliente durante el periodo de calentamiento y la temperatura inicial del agua fuera 20° C? solución En este caso, suponga que el consumidor no está aprovechando la ventaja de la energía solar, la única entrada de energía es la eléctrica y no hay energía que se escape del tanque. Por lo tanto, la velocidad a la que se incrementa la energía interna es igual a la velocidad a la cual se usa la energía eléctrica: # # # dE = Eentrante - Esaliente = Eentrante - 0 dt INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC c04.indd 133 ALFAOMEGA 8/30/11 2:44:39 PM 134 Capítulo 4 Procesos físicos e j e m p l o / 4.10 Continuación En la tabla 4.4, ≤E ⫽ masa ⫻ c ⫻ ≤T, así que se puede expresar la relación de la siguiente forma: (masa del H 2O) * c * ¢T dE = dt ¢t y: # (masa del H 2O) * c * ¢T = Eentrante = 5 000 J/s ¢t Se puede resolver esta expresión con el cambio en el tiempo, ≤T, dado que ≤T es igual a 54 - 20 = 34° C: ¢t = = (masa del H 2O) * c * ¢T 5 000 J/s a40 gal H 2O * 1.0 kg J 3.785 L * b a 4 184 b(54 - 20° C) gal L kg * °C 5 000 J/s = 4.3 * 103 s = 1.2 h M. Eric Honeycutt/iStockphoto. Aunque se ha despreciado la pérdida de calor en los ejemplos 4.9 y 4.10, en la vida real la pérdida de calor a menudo afecta significativamente la eficiencia de energía de los procesos, sistemas y productos. Por ejemplo, la pérdida de energía a través de un calentador de agua cuyo aislamiento sea deficiente, requiere de energía adicional para mantener el agua a la temperatura deseada y puede representar una fracción significativa del total de la energía requerida. De manera similar, las ventanas de una casa que no están aisladas adecuadamente con frecuencia actúan como conductos para la pérdida de calor, lo que incrementa la cantidad de energía requerida para mantener una temperatura confortable. El uso de dicha energía adicional, y que en gran parte podría evitarse, es significativa: la energía que se usa para compensar las indeseables pérdidas y ganancias de calor a través de las ventanas de las construcciones residenciales y comerciales cuestan a Estados Unidos decenas de miles de millones de dólares anuales. Sin embargo, cuando se seleccionan y se instalan de manera adecuada, las ventanas pueden ayudar a minimizar los costos domésticos de calefacción, aire acondicionado y electricidad. En el capítulo 14 se explora con más profundidad esta idea mediante la exposición de los valores de resistencia (valores R), balances de calor y eficiencia de energía. e j e m p l o / 4.11 Contaminación térmica proveniente de las plantas de energía La segunda ley de la termodinámica establece que la energía calorífica no puede convertirse en trabajo con una eficiencia de 100%. Como resultado, una fracción significativa del calor que liberan las plantas generadoras de energía eléctrica se pierde en forma de desperdicio de calor; en las grandes ALFAOMEGA c04.indd 134 INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC 8/30/11 2:44:39 PM 4.2 Balances de energía e j e m p l o / 4.11 135 Continuación plantas modernas, esta pérdida equivale entre 65 a 70 por ciento del total de calor que se libera de la combustión. Una típica planta de energía eléctrica de carbón produce 1 000 MW de electricidad al quemar combustible cuyo contenido de energía es de 2 800 MW; 340 MW se pierden como calor por la chimenea, dejando 2 460 MW para activar las turbinas que manejan un generador que produce electricidad. Sin embargo, la eficiencia térmica de las turbinas es sólo de 42%. Esto significa que 42% de este poder energético se destina al generador, pero el resto (58% de 2 460 = 1 430 MW) constituye calor desperdiciado que debe retirarse mediante agua utilizada como enfriador. Suponga que para retirar el exceso de calor se usa agua de un río adyacente, cuyo cauce total es de 100 m3Ⲑs. ¿Cuánto se elevará la temperatura del río como resultado de la adición de este calor? solución Este problema es similar al ejemplo 4.9, porque una cantidad específica de calor se agrega a una corriente de agua y debe determinarse la elevación de la temperatura que resulta de ello. Aquí, Tentrante representa la temperatura del agua río arriba y Tsaliente representa la temperatura después del calentamiento: # # dE = Eentrante - Esaliente dt 0= a 1 430 MW de calor de # b + (mH2O * c * TH2O entrante ) la planta de energía # -(mH2O * c * TH2O saliente ) Si se adapta, mH2O * c * (Tsaliente - Tentrante ) = 1 430 MW El resto de este problema consiste esencialmente en conversión de unida. des. Para obtener m H O se requiere multiplicar la velocidad de flujo volumé2 trico del río dado por la densidad del agua (aproximadamente 1 000 kg兾m3). También se necesita la capacidad calorífica del agua, c = 4 184 J兾kg-°C. Así, a100 kg J m3 b * ¢T = 1 430 * 106 J/s * 1 000 3 b * a4 184 s kg * °C m Si se despeja ¢T: ¢T = 3.4°C Es importante considerar este incremento en la temperatura, ya que la constante de la ley de Henry para el oxígeno cambia con la temperatura. Como resultado, en aguas más cálidas puede haber una disminución de la concentración de oxígeno disuelto en el río, lo cual puede ser dañino para la vida acuática. INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC c04.indd 135 ALFAOMEGA 8/30/11 2:44:40 PM 136 Capítulo 4 Procesos físicos La temperatura promedio de la Tierra se determina por un equilibrio entre la energía proveniente del Sol y la energía que la Tierra irradia hacia el espacio. La energía que se irradia al espacio se emite en forma de radiación infrarroja. Como se ilustra en la figura 4.10, la atmósfera absorbe parte de esta radiación infrarroja. Los gases responsables de esta absorción se llaman gases de efecto invernadero; sin ellos, la Tierra no sería habitable como se demuestra en el recuadro 4.2. © Mehmet Salih Guler/iStockphoto. La Tierra refleja parte de la radiación a la atmósfera. La superficie de la Tierra emite radiación infrarroja. Parte de la radiación infrarroja pasa a través de la atmósfera, y las moléculas de los gases de efecto invernadero absorben otra parte y la reenvían en todas direcciones. Esto provoca el calentamiento de la superficie de la Tierra y de la atmósfera baja. Atmósfera La superficie de la Tierra absorbe la mayor parte de la radiación y se calienta. La radiación solar pasa a través de la atmósfera. Figura 4.10 El efecto invernadero Nueva versión del dibujo Our Changing Planet: The FY 1996 U.S. Global Change Research Program, reporte del Subcomité de Investigación del Cambio global, Comité de Investigación sobre el Medio Ambiente y los Recursos Naturales del Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología (suplemento del Presupuesto del presidente del año fiscal 1996). ALFAOMEGA c04.indd 136 INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC 8/30/11 2:44:40 PM 4.2 Balances de energía Recuadro / 4.2 Equilibrio de la energía de la Tierra y el efecto invernadero Las actividades humanas han alterado de manera creciente el equilibrio de la energía de la Tierra, principalmente a través de la adición de bióxido de carbono proveniente de la combustión de combustibles fósiles a la atmósfera. Calcule la temperatura global promedio de la Tierra sin gases de efecto invernadero y muestre el efecto que dichos gases tienen en el equilibrio de la Tierra. por el total de la superficie terrestre 4␲Re2. (Se usa aquí la superficie total de la esfera porque la energía se irradia hacia fuera de la Tierra durante el día y durante la noche.) # Esaliente = 4 Re2 T4 . Para resolver . el balance de energía, se establece que E entrante es igual a E saliente: 4 R e2 T4 = 0.7S R e2 Solución . El segundo término, E saliente, es igual a la energía que la Tierra irradia al espacio. La energía que emite una unidad cuadrada de superficie terrestre está dada por la ley de Boltzmann: a Flujo de energía b = por unidad de área T4 en donde ␴ es la constante de .Boltzmann y es igual a 5.67 * 10-8 W兾m2-K4. Para obtener E saliente, ese valor se multiplica # Esaliente = 4 R e2 T4 - E invernadero . La reducción del E saliente que resulta de la absorción de los gases de efecto invernadero es suficiente para causar una temperatura más elevada en la superficie. Es obvio que es un fenómeno eminentemente natural, ya que las temperaturas superficiales estaban muy por encima de los 255 K mucho antes de que los hombres empezaran a quemar combustibles fósiles. Sin embargo, las actividades humanas (principalmente el quemar combustibles fósiles) están cambiando la composición atmosférica a un grado significativo e incrementan la magnitud del efecto invernadero. ega.c .mx/h INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC om om La figura 4.11 muestra las concentraciones de bióxido de carbono en la atmósfera, el gas de efecto invernadero más importante. Las crecientes concentraciones atmosféricas de bióxido de carbono –así como otros gases como metano, óxido nitroso, clorofluorocarbonos y ozono de la troposfera, que han emergido a causa de las actividades humanas– incrementan el valor de Einvernadero. Esto exacerba el efecto invernadero, lo que se conoce como efecto invernadero antropogénico, que equivale a un incremento en el flujo de energía hacia la Tierra de aproximadamente 2 W兾m2. Las proyecciones indican que tal incremento podría llegar a ser tan alto como 5 W兾m2 durante los próximos 50 años. l.alfa # Eentrante = 0.7 S R e 2 0.7S 4 El insertar los valores para S y ␴ da lugar a la temperatura promedio anual de la Tierra: T = 255 K o −18° C. ¡Demasiado frío! De hecho, la temperatura global de la superficie de la Tierra, promediada, es mucho más cálida: 287 K. La causa de esta diferencia es la presencia de gases en la atmósfera, los cuales absorben la radiación infrarroja que emite la Tierra e impiden que llegue al espacio. Estos gases, entre los que se incluyen vapor de agua, CO2, CH4 y N2O, se despreciaron en el balance inicial. Para incluir su influencia, se puede añadir un nuevo término en el balance de energía: el flujo de energía que estos gases absorbieron y se retuvieron. Si el impacto de los gases . de efecto invernadero es Einvernadero, entonces el término E saliente corregido es ua El flujo de energía que entra es igual a la energía solar que la Tierra intercepta. A la distancia que la Tierra se encuentra del Sol, la radiación de éste es de 1 368 W兾m2, referida como S. La Tierra intercepta una cantidad de energía igual a S veces el área transversal de la Tierra: S * ␲re2 . Sin embargo, debido a que la Tierra refleja otra vez al espacio aproximadamente 30% de esta energía, Eentrante es igual a 70% de este valor: T4 = : / /v i r t # # dE = 0 = Eentrante - Esaliente dt Se simplifica: ttp Se puede escribir un balance de energía si la Tierra entera es el control de volumen. En este sistema, el objetivo es calcular la temperatura promedio anual de la Tierra. En periodos de al menos un año, es prudente suponer que el sistema se encuentra en estado estacionario. El balance de energía es c04.indd 137 137 Equilibrio de la energía global ALFAOMEGA 8/30/11 2:44:41 PM Concentración de CO2 en la atmósfera (partes por millón) 138 Capítulo 4 Procesos físicos 380 360 340 320 1960 1970 1980 Año 1990 2000 Figura 4.11 Tendencia del promedio global de la concentración de bióxido de carbono Estas medidas de CO2 se registraron en el observatorio de Mauna Loa, Hawai, por la Administración Nacional del Océano y la Atmósfera. Se atribuye el incremento anual de aproximadamente 0.5% por año a la combustión de combustibles fósiles y a la deforestación. El ciclo anual es el resultado de la fotosíntesis y de la respiración, que provoca un descenso del CO2 durante el verano, estación de crecimiento y un incremento durante el invierno. (Nueva versión del dibujo a partir de datos del NOAA; http://www.esrl.noaa.gov/gmd/ccgg/trends/). Discusión en clase Use los escenarios y resultados que se enumeran en la tabla 4.5 para determinar cómo la población y el uso continuo de combustibles fósiles afecta el calentamiento de la Tierra y los incrementos en el nivel del mar. A medida que los gases de efecto invernadero absorben energía, debe haber algún otro término en el balance de energía que actúe para mantener el estado estacionario. Si la radiación solar que absorbe la Tierra permanece constante, entonces la temperatura promedio de la Tierra debe aumentar. La magnitud del incremento resultante depende de la respuesta de un complejo sistema climático global, que incluye cambios en las nubes y en la circulación de los océanos. Los actuales modelos de clima global pronostican que el efecto invernadero antropogénico causará un aumento en la temperatura promedio del planeta (en relación con 1990) de entre 1.1° C y 6.4° C hacia 2099 (IPCC, 2007). Producto de ello habrá alteraciones del clima a nivel global y regional, y se pronostica que incluirán un aumento de lluvias y la frecuencia de tormentas graves, aunque algunas regiones del planeta pueden experimentar sequías más a menudo o incluso un enfriamiento regional provocado por los cambios en los patrones de circulación atmosférica y oceánica. En la tabla 4.5 se muestran los diferentes y variados escenarios que se pronostican en torno al crecimiento de la economía y de la población, las tecnologías y su eficiencia material y energética, así como los patrones de consumo y los cambios que se esperan en la temperatura y en el nivel del mar. 4.3 Procesos de transporte de masa Los procesos de transporte trasladan los químicos desde el lugar donde se generaron, lo que causa un impacto lejos de la fuente de contaminación. Además, los procesos de transporte se usan para designar el tratamiento ALFAOMEGA c04.indd 138 INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC 8/30/11 2:44:41 PM 4.3 Procesos de transportación de masa 139 Tabla / 4.5 Cambios en la temperatura y aumentos en el nivel del mar resultado de varios escenarios futuros Los escenarios incluyen crecimientos económico y de la población, desarrollo de tecnologías energéticas y materiales eficientes y patrones de consumo para 2090 al 2099. Escenario Cambio en la temperatura (°C para 2090 a 2099 en relación con 1980-1999) Incremento en el nivel del mar (m para 2090 al 2099 en relación con 1980-1999) Mejor estimación Rango posible Rango basado en el modelo* B1: rápido crecimiento económico encaminado a la economía de servicios e información; picos en el crecimiento de la población hacia mediados de siglo y luego disminuciones; reducción en la intensidad de los materiales; tecnologías energéticas eficientes y limpias; soluciones globales sostenibles que incluyen mejorar la igualdad. 1.8 1.1–2.9 0.18–0.38 A1T: rápido crecimiento económico; picos en el crecimiento de la población hacia mediados de siglo y luego disminuciones; rápida introducción de tecnologías nuevas y eficientes; convergencia entre las regiones; fuentes de energía que no son de origen fósil. 2.4 1.4–3.8 0.20–0.45 B2: soluciones locales sostenibles; población en continuo crecimiento; niveles intermedios de desarrollo económico; cambios tecnológicos menos rápidos y más diversos. 2.4 1.4–3.8 0.20–0.43 A1B: igual que A1T excepto por un equilibrio entre fuentes de energía de origen fósil y no fósil. 2.8 1.7–4.4 0.21–0.48 A2: autosustentabilidad y preservación de la identidad local; población en continuo crecimiento; desarrollo económico de orientación principalmente regional; lento crecimiento económico fragmentado per cápita, así como cambio tecnológico. 3.4 2.0–5.4 0.23–0.51 A1Fl: igual que A1T pero sin las intensas fuentes de energía de tipo fósil. 4.0 2.4–6.4 0.26–0.59 * Se excluyen futuros cambios rápidos y dinámicos en el flujo del hielo de las grandes regiones glaciales de Groenlandia y Antártica. FUENTE: IPCC (2007). de sistemas. Aquí, el análisis tiene dos propósitos: comprender los procesos que causan el transporte de contaminantes y presentar y aplicar fórmulas matemáticas utilizadas para calcular los flujos resultantes de contaminantes. 4.3.1 ADVECCIÓN Y DISPERSIÓN Los procesos de transporte en el medio ambiente pueden dividirse en dos categorías: advección y dispersión. La advección se refiere al traslado del contaminante a favor de la corriente del medio de transporte. Por ejemplo, si el viento sopla hacia el Este, la advección llevará todo contaminante presente en INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC c04.indd 139 ALFAOMEGA 8/30/11 2:44:41 PM 140 Capítulo 4 Procesos físicos .mx/h ua ega.c ttp om om l.alfa la atmósfera hacia el Este. De manera similar, si se vacía una bolsa de tintura en el centro de un río, la advección llevará la mancha resultante río abajo. A diferencia de la dispersión, que se refiere al transporte del compuesto a través de la acción de movimientos aleatorios. La dispersión actúa eliminando las interrupciones agudas en la concentración para obtener perfiles de concentración más parejos y homogéneos. Los procesos de advección y dispersión generalmente se estudian de forma independiente. En el caso de la mancha de tintura en el río, mientras que la advección traslada el centro de la masa de tintura río abajo, la dispersión extiende la mancha concentrada hacia una región más grande y menos concentrada. Advección y difusión DEFINICIÓN DE DENSIDAD DE FLUJO DE MASA El flujo de . masa (m , en unidades de masa兾tiempo) que se expuso antes en este capítulo, sirve para calcular la velocidad a la cual la masa se traslada dentro y fuera de un control de volumen en los balances de masa. Debido a que los balances de masa siempre se hacen con base en un control de volumen específico, este valor se refiere evidentemente a la velocidad a la cual la masa se traslada a través de las fronteras o límites del control de volumen. Sin embargo, en los cálculos de flujos advectivos y dispersivos, no se creará un control de volumen específico bien definido. En lugar de eso, se determinará la densidad de flujo a lo largo de un plano imaginario que es perpendicular a la dirección de la transferencia de masa. La densidad de flujo que resulta de ello se define como la velocidad de transferencia de la masa a lo largo del plano en unidades de tiempo por unidades de área. Se usará el símbolo J para representar la densidad de flujo, expresada como la velocidad por unidad de área a la cual la masa se transporta a través de un plano imaginario. J tiene unidades de (masa兾tiempo-longitud al cuadrado). . Se puede calcular el total de flujo de masa a través de un límite (m) a partir de la densidad de flujo. Para hacerlo, simplemente multiplique J por el área del límite: # m = J * A (4.24) : / /v i r t El proceso de transferencia que describe J puede ser el resultado de advección, dispersión o la combinación de ambos procesos. CÁLCULO DEL FLUJO DE ADVECCIÓN El flujo de advección se refiere al movimiento de un compuesto a lo largo del flujo de agua o de aire. La densidad de un flujo de advección depende simplemente de la concentración y de la velocidad del flujo: J = C * v (4.25) La velocidad del fluido, v, es un vector de cantidad. Tiene magnitud y dirección, y el flujo J se refiere al movimiento de la masa del contaminante en la misma dirección de la corriente del fluido. El sistema coordinado se define generalmente de manera que el eje x esté orientado en dirección de la corriente del fluido. En este caso, el flujo J reflejará un flujo en la dirección x, y se ignorará el hecho de que J es en realidad un vector de cantidad. DISPERSIÓN La dispersión resulta de los movimientos aleatorios de dos tipos: el movimiento aleatorio de las moléculas y los remolinos aleatorios que surgen en la turbulencia del flujo. La dispersión del movimiento molecular aleatorio se denomina difusión molecular; la dispersión que resulta de los remolinos de turbulencia se llama dispersión de turbulencia o dispersión de remolino. ALFAOMEGA c04.indd 140 INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC 8/30/11 2:44:41 PM 4.3 Procesos de transportación de masa e j e m p l o / 4.12 141 Cálculo de la densidad de flujo advectivo Calcular la densidad de flujo J promedio del fósforo corriente abajo, en la descarga de desagüe de aguas negras del ejemplo 4.2. El área perpendicular del río es de 30 m2. solución En el ejemplo 4.2 se determinaron las siguientes condiciones corriente abajo del lugar en donde la tubería desaguó en el río: velocidad del flujo volumétrico, Q = 26 m3兾s y concentración corriente abajo, Cd = 0.20 mg兾L. La velocidad promedio del río es v = Q兾A = (26 m3兾s)兾(30 m2) = 0.87 m兾s. Con el empleo de la definición de densidad de flujo (ecuación 4.25) se puede despejar J: J = c (0.20 mg/L) * 103 L d * (0.87 m/s) m3 = 174 mg/m2-s o 0.17 g/m2-s Ley de Fick Se utiliza la ley de Fick para calcular la densidad de flujo dispersiva. Se puede derivar al analizar la transferencia de masa que resulta del movimiento aleatorio de las moléculas de gas.1 El propósito de esta derivación es proveer una comprensión cualitativa e intuitiva del porqué de la difusión, y la derivación es útil sólo para dicho propósito. Se usará la ley de Fick en los problemas en los que sea necesario calcular el flujo difusivo (ecuación 4.35, derivada en esta sección). Considere una caja que se ha divido en un primer momento en dos partes, tal y como se muestra en la figura 4.12. Cada lado de la caja tiene una altura y una profundidad de una unidad, y una anchura de longitud ¢x. Inicialmente, se llena la sección izquierda de la caja con 10 moléculas de gas x, y el lado derecho se llena con 20 moléculas de gas y, como se muestra en la mitad superior de la figura 4.12. ¿Qué ocurriría si se retirara la división? Las moléculas nunca están estacionarias. Todas las moléculas de la caja se mueven continuamente y en todo momento presentan cierta probabilidad de cruzar la línea imaginaria que se encuentra en el centro de la caja. Suponga que se cuentan las moléculas de cada lado cada ¢t segundos. Se llamará k a la probabilidad de que una molécula cruce la línea central durante el periodo entre dos observaciones, y se supondrá que es igual a 20% (cualquier valor funciona para este propósito). La primera vez que se verifica la caja, tras un periodo ¢t, 20% de las moléculas que originalmente estaban a la izquierda se habrán movido a la derecha, y 20% de las moléculas que originalmente estaban a la derecha se habrán movido a la izquierda. La parte inferior de la figura 4.12 muestra el resultado del conteo de moléculas en cada lado. Ocho moléculas x permanecen a la izquierda, y dos se han movido a la derecha, en tanto que 16 moléculas y permanecen a la derecha, cuatro se han trasladado a la izquierda. 1 Esta derivación se basa muy de cerca en la presentada por Fischer et al. (1979). INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC c04.indd 141 ALFAOMEGA 8/30/11 2:44:42 PM 142 Capítulo 4 Procesos físicos dx x x y x x y 10 moléculas de x y y y y y y y x x x y x x y y y x y y y y y y y 20 moléculas de y t=0 x y y x x x y x y x 8 moléculas de x 4 moléculas de y y x y y y y y y y y x x y y y y y y y x 2 moléculas de x 16 moléculas de y t = Δt Figura 4.12 Difusión de moléculas gaseosas en una caja Se divide una caja en dos regiones del mismo tamaño. Se añaden diez moléculas gaseosas de un tipo (x) del lado izquierdo y 20 moléculas gaseosas de otro tipo (y) al lado derecho. Aunque se les puede distinguir, los dos tipos de moléculas son idénticas en todos los aspectos físicos. En el momento t = 0 se retira la división que separa las dos regiones. Como resultado del movimiento aleatorio, cada molécula de la caja tiene 20% de probabilidad de moverse al lado opuesto de la caja durante cada intervalo de duración ¢t. El resultado del primer intervalo se muestra en la parte inferior de la figura. De Fischer et al., Mixing in Inland and Coastal Waters, Copyright Elsevier (1979). Debido a que las divisiones son de igual tamaño, la concentración al interior de cada una es proporcional al número de moléculas que contiene. Por lo tanto, el movimiento aleatorio de las moléculas ha reducido la diferencia en la concentración de las divisiones, la diferencia cayó de (20 – 0) a (16 – 4) para las moléculas y, y de (10 – 0) a (8 – 2) para las moléculas x. Este resultado conduce hacia una propiedad fundamental de los procesos dispersivos: la dispersión mueve la masa de regiones de alta concentración a regiones de baja concentración y reduce los gradientes de concentración. La densidad de flujo J también puede derivarse del experimento de las dos divisiones en la caja. Para este cálculo se usa una vez más la situación que se mostró en la figura 4.12; la probabilidad de que cada molécula cruce la frontera central durante un periodo ¢t es igual a k. En vista de que cada molécula puede considerarse de manera independiente, se puede analizar el movimiento de una sola molécula tipo, por ejemplo, molécula y. Sea mL la masa total de una molécula y de la parte izquierda de la caja, y mR igual a la masa de la parte derecha. Ya que la caja tiene una unidad de altura y de profundidad, el área perpendicular a la dirección de la difusión es una unidad cuadrada. Por lo tanto, la densidad de flujo (el flujo por unidad de área) es simplemente igual a la velocidad de transferencia de la masa a través de la frontera. La cantidad de masa transferida de izquierda a derecha a un tiempo es igual a kmL, pues cada molécula tiene una probabilidad k de cruzar la frontera, mientras que la cantidad que se transfiere de derecha a izquierda durante el mismo periodo es kmR. Así, el flujo de masa neto de izquierda a derecha a través de la frontera es igual a (kmL − kmR) dividido entre ¢t: J = k (mL - mR) ¢t (4.26) Como es más conveniente trabajar con concentraciones que con valores de total de masa, habrá que convertir la ecuación 4.26 a unidades de concentración. La concentración en cada mitad de la caja se da por CL = mL ¢x * (altura) * (profundidad) (4.27) Debido a que la altura y la profundidad son ambas iguales a 1, al simplificar: mL = (4.28) ¢x Para la parte derecha de la caja, CR = mR ¢x (4.29) Al sustituir C ¢ x por la masa en cada mitad de la caja, se puede despejar la densidad de flujo: J = = ALFAOMEGA c04.indd 142 k (CL ¢x - CR ¢x) ¢t (4.30) k (¢x)(CL - CR) ¢t (4.31) INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC 8/30/11 2:44:42 PM 4.3 Procesos de transportación de masa 143 Finalmente, tome en cuenta que a medida que ¢x S 0, (CR − CL)兾¢x S dC兾dx. Por lo tanto, si se multiplica la ecuación 4.31 por (¢x兾¢x), J = = ¢x k (¢x)(CL - CR) ¢t ¢x (4.32) (CL - CR) k (¢x)2 ¢x ¢t (4.33) se obtiene J = - k dC (¢x)2 ¢t dx (4.34) El signo negativo en esta ecuación es simplemente el resultado del acuerdo de que el flujo es positivo cuando fluye de izquierda a derecha, en tanto que la derivada es positiva cuando la concentración se incrementa hacia la derecha. La ecuación 4.34 establece que el flujo de masa a través de una frontera imaginaria es proporcional al gradiente de concentración en la frontera. Debido a que el flujo resultante no puede depender de valores arbitrarios de ¢t ni de ¢x, el factor k(¢x)2兾 ¢t debe ser constante. Este producto es el valor que se conoce como coeficiente de difusión, D. Si se reescribe la ecuación 4.34 resulta la ley de Fick: J = -D dC dx (4.35) Las unidades del coeficiente de difusión son evidentes a partir del análisis de unidades de la ecuación 4.35 o bien a partir de las unidades de los parámetros de la ecuación 4.34; el coeficiente de difusión tiene las mismas unidades que k(¢x)2兾¢t. Ya que k es una probabilidad, y por lo tanto no tiene unidades, las unidades de D son (longitud2兾tiempo). Es común que los coeficientes de difusión se reporten en unidades de cm2兾s. Tome en cuenta la forma de la ecuación 4.35: densidad de flujo = (constante) * (gradiente de concentración) (4.36) Esta forma de ecuación aparecerá más tarde cuando se exponga la ley de Darcy. La ley de Darcy gobierna la velocidad a la cual el agua fluye a través de un medio poroso, como el flujo del agua subterránea. La misma ecuación también gobierna la transferencia de calor al reemplazar el gradiente de concentración con el gradiente de temperatura. Difusión molecular El análisis anterior de las moléculas en la caja es, en esencia, un análisis de difusión molecular. La difusión molecular pura es relativamente lenta. La tabla 4.6 enumera los valores típicos del coeficiente de difusión. Estos valores van aproximadamente de 10-2 a 10-1 para los gases, y para los líquidos son mucho menores, alrededor de 10-5 cm2兾s. Es comprensible esta diferencia entre el coeficiente de difusión de gases y de líquidos porque las moléculas de gas son libres de moverse a mayores distancias antes de chocar con otra molécula que las detenga. El coeficiente de difusión también varía con la temperatura y con el peso molecular de la molécula que se difunde. Esto se debe a que la velocidad INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC c04.indd 143 ALFAOMEGA 8/30/11 2:44:42 PM 144 Capítulo 4 Procesos físicos Tabla / 4.6 Selección de algunos coeficientes de difusión molecular en el agua y en el aire Compuesto Temperatura (°C) Coeficiente de difusión (cm2/s) Metanol en el H2O 15 1.26 * 10-5 Etanol* en el H2O 15 1.00 * 10-5 Ácido acético en el H2O 20 1.19 * 10-5 Etilbenceno en el H2O 20 8.1 * 10-6 CO2 en el aire 20 0.151 *De los dos compuesto similares, metanol y etanol, el compuesto menos masivo, el metanol, tiene el coeficiente de difusión mayor. FUENTE: Mihelcic (1999). Reproducido con autorización de John Wiley & Sons, Inc. promedio de los movimientos aleatorios depende de la energía cinética de las moléculas. A medida que se añade calor al material y la temperatura se eleva, la energía térmica de las moléculas se convierte en energía cinética aleatoria y las moléculas se mueven más rápido. Esto provoca un aumento en el coeficiente de difusión y un incremento en la temperatura. Sin embargo, si las moléculas tienen pesos moleculares que difieren, una molécula más pesada se moverá más lentamente a una temperatura dada, por lo que el coeficiente de difusión desciende cuando el peso molecular aumenta. e j e m p l o / 4.13 Difusión molecular La transportación de los bifenilos policlorados (PCB) desde la atmósfera hasta los Grandes Lagos es preocupante debido al impacto en la salud de la vida acuática así como de la gente y los animales silvestres que comen peces de esos lagos. La transportación del PCB está limitada a la difusión molecular debido a una delgada película estancada en la superficie del lago, tal y como lo muestra la figura 4.13. Calcule la densidad de flujo J y la cantidad total anual de PCB que se deposita en el Lago Superior si su transportación se hace por difusión molecular, la concentración del PCB en el aire que se encuentra justo encima de la superficie del lago es de 100 * 10-12 g兾m3, y la concentración a una altura de 2.0 cm por encima de la superficie del agua es de 450 * 10-12 g兾m3. El coeficiente de difusión del PCB es igual a 0.044 cm2兾s, y el área del Lago Superior es de 8.2 * 1010 m2. (La concentración del PCB en el aire en el punto donde aire-agua hacen contacto está determinada por la ley del equilibrio de Henry con PCB disuelto.) solución Para calcular la densidad de flujo, determine primero el gradiente de concentración. Asuma que la concentración cambia de manera lineal de acuerdo con la altura entre la superficie y 2.0 cm, pues no se ha dado información ALFAOMEGA c04.indd 144 INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC 8/30/11 2:44:42 PM 4.3 Procesos de transportación de masa e j e m p l o / 4.13 145 Continuación Altura Caire C* = KHCW Difusión limitada por la película estancada Aire Agua Concentración Figura 4.13 Variación en la concentración de PCB con la altura en el Lago Superior Caire es la concentración de PCB en la atmósfera que está por encima del lago, y C* es la concentración en el punto donde aire-agua hacen contacto, que está determinada por la ley del equilibrio de Henry con la concentración de PCB disuelto. El flujo de PCB en el lago se determina por la velocidad de difusión a lo largo de la película que está sobre el lago. De Mihelcic (1999). Reproducido con autorización de John Wiley & Sons, Inc. acerca de la concentración en esas dos alturas. El gradiente es entonces 450 * 10 - 12 g/m3 - 100 * 10 - 12 g/m3 dC 102 cm = * m dz 2.0 cm - 0 cm = 1.8 * 10 - 8 g/m4 Se puede usar la ley de Fick (ecuación 4.35) para calcular la densidad de flujo: J = -D dC dz = - (0.044 cm2/s) * 1.8 * 10 - 8 g/m4 * 3.15 * 107 s m2 * año 104 cm2 = - 2.4 * 10 - 6 g/m2-año Aquí, el signo negativo indica que el flujo es corriente abajo, pero no es necesario prestar atención al signo para determinar eso. Recuerde, la difusión siempre transporta la masa de las regiones con las concentraciones más altas a las regiones con concentración más baja. INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC c04.indd 145 ALFAOMEGA 8/30/11 2:44:42 PM 146 Capítulo 4 Procesos físicos e j e m p l o / 4.13 Continuación . El flujo total de los depósitos está dado por m = J × A: # m = - 2.4 * 10-6g/m2-año * 8.2 * 1010 m2 = - 2.0 * 105g/año Por lo tanto, los PCB que entran cada año al Lago Superior desde la atmósfera alcanzan aproximadamente 200 kg. Aunque éste es un flujo anual pequeño para un lago tan grande, los PCB no se degradan en el medio ambiente con facilidad, y se bioacumulan en los peces, lo que provoca niveles nada saludables. © Michael Braun/iStockphoto. ALFAOMEGA c04.indd 146 Dispersión turbulenta En la dispersión turbulenta la masa se transfiere mediante la mezcla de remolinos turbulentos que se presentan en el fluido. Esto es fundamentalmente diferente de otros procesos que determinan difusión molecular. En la dispersión turbulenta, el movimiento aleatorio del fluido lleva a cabo la mezcla, mientras que en la difusión molecular, es importante el movimiento aleatorio de las moléculas del contaminante. Los movimientos aleatorios del fluido están presentes, por lo general, en forma de espirales o remolinos. Son comunes los remolinos o vorágines en los ríos, pero ocurren en todas las formas de flujo de un fluido. El tamaño de los remolinos turbulentos presenta una magnitud en varios grados más grande que el camino sin obstáculos que sigue una molécula individual, así que la turbulencia mueve la masa mucho más rápido que la difusión molecular. Como resultado de ello, los coeficientes de dispersión o de turbulencia o remolino que se usan en la ley de Fick tienen una magnitud varios grados más grande que los coeficientes de difusión molecular. El valor de los coeficientes de dispersión de turbulencia depende de las propiedades del flujo del fluido. No depende de propiedades moleculares ni de si el compuesto está disperso (como ocurría con el coeficiente de difusión molecular), porque en el caso de la turbulencia, el flujo a macroescala simplemente arrastra las moléculas. Cuando se trata del flujo en tubos o en arroyos, la propiedad de flujo que de forma más importante va a determinar el coeficiente de dispersión por turbulencia es la velocidad del flujo. La turbulencia está presente solo en velocidades de flujo que se encuentran por encima de un nivel crítico, y el nivel de turbulencia se correlaciona con la velocidad. De manera más precisa, la presencia o ausencia de turbulencia depende del número de Reynolds, un número sin unidades que depende de la velocidad, la anchura del río o tubo y la viscosidad del fluido. Además, el grado de turbulencia depende del material sobre el cual ocurre el flujo, de manera que los flujos sobre superficies irregulares serán más turbulentos que los flujos que se dan sobre superficies lisas, y la turbulencia así exacerbada causará una mezcla o agitación más rápida. En los lagos y en la atmósfera, la mezcla de empuje que resulta de la densidad de los gradientes inducidos por la temperatura también puede provocar agitación y turbulencia, incluso en el caso de que no haya corrientes. La turbulencia de dispersión casi siempre rige por encima de la difusión molecular, salvo en el caso de transportaciones que cruzan la frontera, como en el punto de contacto aire-agua que se consideró en el ejemplo 4.13. La razón de ello es que incluso una cantidad ocasional de débil turbulencia causará más agitación que varios días de difusión molecular. INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC 8/30/11 2:44:42 PM 4.3 Procesos de transportación de masa 147 A′ A B′ Dirección promedio del flujo del agua C′ B C Figura 4.14 Proceso de dispersión mecánica en un flujo subterráneo Durante un proceso de transportación a través de los poros del suelo, dos fluidos comienzan a correr muy cerca uno del otro desde sus ubicaciones B y C, y se dispersan hasta ubicaciones que se encuentran lejanas una de la otra (B´ y C´), en tanto que los fluidos A y B terminan aproximándose y el resultado es una mezcla del agua de las dos regiones. De Hemond y Fechner, Chemical Fate and Transport in the Environment. Copyright Elsevier (1994). La ley de Fick se aplica a la dispersión turbulenta y a la difusión molecular. Por lo tanto, los cálculos de densidad de flujo son los mismos para ambos procesos; sólo es diferente la magnitud del coeficiente de dispersión. Dispersión mecánica El último proceso de dispersión que se considerará en este capítulo es similar a la turbulencia en que es el resultado de las variaciones del movimiento del fluido que contiene al químico. En la dispersión mecánica, estas variaciones son el resultado de 1) variaciones en las rutas que tomaron los diferentes fluidos que se originaron en ubicaciones cercanas o 2) variaciones en la velocidad a la cual viaja el fluido en diferentes regiones. La dispersión de flujos subterráneos constituye un buen ejemplo del primer proceso. La figura 4.14 muestra una descripción magnificada de los poros a través de los cuales fluye el agua subterránea dentro de una muestra de superficie bajo tierra. (Tome en cuenta que, como se muestra en la figura 4.14, los movimientos bajo tierra no son el resultado de ríos subterráneos ni arroyos, sino que los causa el flujo de agua a través de los poros del suelo, arena o algún otro material bajo tierra.) Debido a que la transportación a través del suelo está limitada a los poros que hay entre las partículas, cada partícula de fluido toma una intrincada ruta a través del suelo, y a medida que se transporta horizontalmente con la corriente, se desplaza una distancia en forma vertical que depende de la ruta exacta que tomó. La gran variedad de rutas posibles da como resultado un desplazamiento en las direcciones perpendiculares a la ruta del fluido. Por lo tanto, una mancha de tintura que se introdujera en el flujo subterráneo entre los puntos B y C en la figura, se esparciría o se dispersaría a la región que se encuentra entre los puntos B´ y C´ durante su flujo a través del suelo. El segundo tipo de dispersión mecánica resulta de las diferencias en la velocidad de flujo. En cualquier punto que un fluido haga contacto con un objeto estacionario, la velocidad a la cual se mueve el fluido disminuirá cerca del objeto. Por ejemplo, la velocidad del agua que fluye en un río corriente abajo es más rápida en el centro del río y puede ser muy lenta en las orillas. Así, si de alguna manera se posara una línea de tintura a través del río, se estiraría en dirección de la corriente y contra corriente a medida que el río corre, y la parte central de la línea se movería más rápido que las orillas. Este tipo de dispersión INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC c04.indd 147 Protección medioambiental en California del sur http://www.epa.gov/region09/socal ALFAOMEGA 8/30/11 2:44:43 PM 148 Capítulo 4 Procesos físicos FB FD FD esparce las cosas en dirección longitudinal a favor del flujo. Esto contrasta con la dispersión mecánica en el agua subterránea, la cual extiende las cosas en dirección perpendicular a la dirección del flujo principal. 4.3.2 MOVIMIENTO DE UNA PARTÍCULA EN UN FLUIDO: LA LEY DE STOKES Fg Figura 4.15 Fuerzas que actúan en una partícula que se establece en el aire o el agua La fuerza gravitacional Fg sigue una dirección hacia abajo y está contrapuesta a la fuerza de empuje hidrostático FB y a la fuerza de fricción FD. De Mihelcic (1999). Reproducido con autorización de John Wiley & Sons, Inc. El movimiento de una partícula en un fluido se determina por un equilibrio entre la fuerza viscosa de fricción, que resiste al movimiento de la partícula, y la fuerza gravitacional u otras que provocan dicho movimiento. En esta sección se usa un equilibrio de fuerzas en una partícula para derivar la relación entre el tamaño de la partícula y la velocidad de sedimentación conocida como la ley de Stokes, y se usa la ley de Stokes en ejemplos que implican cámaras de sedimentación de partículas. SEDIMENTACIÓN GRAVITACIONAL Considere la partícula en sedimentación que se muestra en la figura 4.15. Para determinar la velocidad a la que cae (la velocidad de sedimentación) se llevará a cabo un balance de fuerzas. Son tres las fuerzas que actúan sobre la partícula: la fuerza gravitacional hacia abajo, el empuje hidrostático hacia arriba y la fuerza de fricción hacia arriba. La fuerza gravitacional Fg es igual a la constante gravitacional g por la masa de una partícula, mp. En términos de densidad de partícula ␳p y diámetro Dp, mp es igual a (␳p␲兾6Dp3p). Por lo tanto, Fg = p 6 Dp3g (4.37) El empuje hidrostático FB es una fuerza neta hacia arriba que resulta del incremento de presión debido a la profundidad dentro del fluido. La fuerza de empuje hidrostático es igual a la constante gravitacional por la masa del fluido desplazado por la partícula: FB = f 6 Dp3g (4.38) donde ␳f es igual a la densidad del fluido. La única fuerza que falta determinar es la de fricción, FD. Ésta es el resultado de la resistencia de fricción del flujo del fluido que pasa sobre la superficie de la partícula. Esta resistencia depende de la velocidad a la cual la partícula va cayendo a través del fluido, el tamaño de la partícula y la viscosidad, o resistencia de corte, del fluido. La viscosidad es esencialmente la calidad de “grosor” del fluido. La miel tiene una alta viscosidad, el agua tiene una viscosidad relativamente baja y la viscosidad del aire es aún mucho menor. Bajo un amplio rango de condiciones, la fuerza de fricción se puede correlacionar con el número de Reynolds. La mayoría de los casos en que participan partículas en sedimentación implican condiciones en las que el flujo se arrastra (número de Reynolds menor que 1). En este caso, puede usarse la fuerza de fricción de Stokes: FD = 3 Dpvr (4.39) en donde ␮ es la viscosidad del fluido (en unidades de g兾cm-s) y vr es la velocidad de una partícula hacia abajo en relación con el fluido. ALFAOMEGA c04.indd 148 INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC 8/30/11 2:44:43 PM 4.3 Procesos de transportación de masa 149 La fuerza neta que actúa sobre una partícula hacia abajo es igual al vector que suma todas las fuerzas que actúan sobre la partícula: (4.40) Fabajo = Fg - FB - FD = p = ( 6 p Dp3g f) - 6 f 6 Dp3g - 3 Dp3g - 3 Dpvr Dpvr (4.41) (4.42) La partícula responderá a esta fuerza de acuerdo con la segunda ley de Newton (fuerza es igual a la masa por la aceleración). Así, Fabajo = mp * aceleración dvr dt - f) 6 Dp3g = 3 Dpvs ua : / /v i r t p ega.c .mx/h ( om om Se resuelve esta ecuación diferencial para determinar la velocidad de la partícula, cuyo estado inicial era de reposo; la velocidad varía con el tiempo. La solución indica que, en casi todos los casos que tienen interés medioambiental, el tiempo que se necesita antes de que la partícula alcance la velocidad final de sedimentación es muy corto (mucho menor que 1 s). Por esta razón, en este texto sólo se considerará la velocidad de sedimentación final (terminal). Cuando la partícula ha alcanzado la velocidad terminal, ya no se está acelerando, así que dv/dt = 0. Por lo tanto, a partir de la ecuación 4.44, Fabajo = 0. Tras establecer que Fabajo es igual a cero y notar que vr es igual a la velocidad de sedimentación vs se puede arreglar la ecuación 4.42 para dar lugar a l.alfa (4.44) ttp = mp * (4.43) Sedimentación (4.45) Al despejar vs: g( vs = p - 18 f) Dp2 (4.46) A la ecuación 4.46 se le llama ley de Stokes. La velocidad de sedimentación resultante a menudo se llama velocidad de Stokes. La ley de Stokes, así llamada porque está basada en la fuerza de fricción de Stokes, es la ecuación que se usa fundamentalmente para calcular velocidades de sedimentación terminales de las partículas en el aire y en el agua. Se usa para diseñar sistemas de tratamiento que retiren partículas de gases de combustión y para tratar el agua para beber, así como las aguas negras; además de análisis de sedimentación de partículas en lagos y en la atmósfera. Una consecuencia importante de la ley de Stokes es que la velocidad de sedimentación se incrementa en la misma medida que el cuadrado del diámetro de las partículas, así que las partículas más grandes se sedimentan mucho más rápido que las partículas más pequeñas. Este resultado se utiliza en el tratamiento del agua para beber: se emplea la coagulación y la floculación para lograr que las partículas pequeñas se unan y formen partículas más grandes, que podrán retirarse mediante sedimentación gravitacional en un tiempo razonable. Este proceso provoca una reducción en la INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC c04.indd 149 ALFAOMEGA 8/30/11 2:44:43 PM 150 Capítulo 4 Procesos físicos turbiedad (incremento de la claridad) del agua. En contraste, las partículas con muy pequeños diámetros, se sedimentan de manera extremadamente lenta. A consecuencia de ello, las partículas atmosféricas cuyos diámetros son menores que 1 a 10 ␮m en general caen más lento que la velocidad de los remolinos turbulentos de aire, por lo que no se eliminan por sedimentación gravitacional. Tome en cuenta que se han ignorado las interacciones partícula-partícula en esta derivación. Por lo tanto, la ley de Stokes es válida para la sedimentación de partículas discretas. En situaciones en las que la concentración de partículas es sumamente alta, éstas forman aglomeraciones o enmarañados, y puede que la ley de Stokes ya no sea válida. 4.3.3 FLUJO DE AGUAS SUBTERRÁNEAS Información sobre aguas subterráneas http://water.usgs.gov/ogw La fuerza que comanda el flujo de aguas subterráneas es la diferencia entre la pérdida de carga entre dos puntos, que comúnmente se conoce como el gradiente hidráulico. La velocidad de flujo de las aguas subterráneas se verifica por la magnitud del gradiente y por la permeabilidad de los materiales acuíferos. Esta relación se expresa en la ley de Darcy (en su forma unidimensional): q = -K dh dx (4.47) donde q es la descarga específica o flujo por unidad en un área perpendicular, K es la conductividad hidráulica y h es la pérdida de carga. La conductividad hidráulica es la habilidad que tiene un medio poroso para conducir un fluido dado, es el término formal que se usa para cuantificar la permeabilidad de los materiales acuíferos. La derivada dh兾dx es el gradiente de pérdida de carga o el cambio de la pérdida de carga con respecto a la distancia. La carga hidráulica es una medida de la energía que contiene el agua en un punto específico por unidad de volumen de agua. Se expresa de la siguiente manera: h = Vulnerabilidad del agua subterránea en África http://www.unep.org/groundwaterproject ALFAOMEGA c04.indd 150 p + z = hp + z g (4.48) donde p es la presión del agua en los poros (definida aquí en relación con la presión atmosférica), ␳ es la densidad del agua, g es la constante gravitacional, hp = p兾␳g es la carga de presión y z es la carga de elevación o el punto de elevación en donde se está monitoreando la carga hidráulica. La elevación se mide como positiva y hacia arriba, y en relación con un punto de referencia común o dato. La definición de carga hidráulica implica que el flujo de aguas subterráneas está guiado por diferencias en la presión de los poros, la elevación o ambos. En la figura 4.16 se usan tres pozos para medir la presión de carga, la distancia que hay desde el punto de medición a la superficie del agua en el pozo. Los pozos son un tipo de piezómetros, que consisten esencialmente de tubos que se extienden desde la superficie del suelo hacia un punto de medición abierto. La carga de elevación en este caso es la distancia que va desde el dato hasta el punto de medición. En el acuífero no confinado, el INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC 8/30/11 2:44:44 PM 4.3 Procesos de transportación de masa Pozo A Superficie del suelo Pozo B 151 Pozo C Nivel freático 65 m 10 m Acuífero no confinado Acuífero confinado 50 m 40 m 0m 60 m 40 m 500 m x Figura 4.16 Carga hidráulica y gradientes hidráulicos de acuíferos confinados y no confinados La escala vertical se ha exagerado . El pozo B es el acuífero no confinado. Los pozos A y C están en el acuífero confinado. nivel del agua en el piezómetro (pozo B) corresponde con la posición del nivel freático. En el acuífero confinado, los niveles del agua en los piezómetros (pozos A y C) están por encima de la parte superior del acuífero, lo que indica que el acuífero se encuentra bajo presión. Recuadro / 4.3 Uso de cerámico poroso para el tratamiento del agua a nivel doméstico en comunidades de países en vías de desarrollo Los principios y ecuaciones que gobiernan el flujo de Cubierta plástica los fluidos se pueden aplicar a través de medios porosos a una amplia variedad de retos relacionados con el medio ambiente y la sustentabilidad. Un ejemplo Elemento más es el diseño y desarrollo de una popular tecnolofiltrante gía de tratamiento de aguas “en el punto de consumo” de barro en el mundo en vías de desarrollo: el filtro de cerámico o de barro (vea la figura 4.17). Esto filtros están fabricados con materiales locales, típicamente a partir Llave de de una mezcla de barro, agua y un material orgánico plástico combustible como aserrín, harina u hojuelas de arroz. Recipiente Esta mezcla se moldea en forma de vasija, se deja de plástico secar al aire y se hornea. El horneado produce los materiales cerámicos y quema los orgánicos, lo que da lugar a la porosidad y lo hace permeable al agua. El tamaño de los poros permite retirar partículas del Figura 4.17 Filtro de barro (medio poroso) utilizado para agua y microorganismos a fin de mejorar la calidad remover la turbiedad y los microorganismos del agua de agua y, en consecuencia, la salud. Para más información vea www.pottersforpeace.org Los filtros en forma de vasija se suspenden en un contenedor más grande, de manera que cuando el Con el uso de las ecuaciones para modelar el flujo del filtro se llene de agua fluya a través por gravedad hacia agua a través de un filtro de cerámico se puede determinar el recipiente de abajo, desde donde se obtiene el agua la porosidad necesaria para lograr la velocidad de flujo ideal. tratada. La velocidad de flujo ideal del agua a través de Esta información le da al diseñador una orientación sobre la la vasija es de 1 a 2 L/h. proporción apropiada de barro y materiales combustibles. INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC c04.indd 151 ALFAOMEGA 8/30/11 2:44:44 PM 152 Capítulo 4 Procesos físicos e j e m p l o / 4.14 Cálculo de pérdidas de carga y descargas específicas Con el uso de las medidas que se dieron en la figura 4.16 y una conductividad hidráulica de 10−3 cm兾s, calcule la descarga específica en el acuífero confinado que se muestra en la misma figura. solución Primero calcule la pérdida de carga en los pozos A y C: hA = hpA + zA = 65 m + 40 m = 105 m hC = hpC + zC = 60 m + 40 m = 100 m Enseguida determine los gradientes hidráulicos entre los pozos A y C, suponga que la derivada dh兾dx se puede aproximar con diferencias: hA - hC ¢h dh 105 m - 100 m L = = - 0.01 = xA - xC dx ¢x 0 m - 500 m Para calcular la descarga específica, use la ley de Darcy (ecuación 4.47): q = -K dh = - (10 - 3 cm/s)(- 0.01) = 10 - 5 cm/s = 10 - 7 m/s dx Recuerde, la descarga específica tiene unidades de flujo por unidad perpendicular. La respuesta ilustra otros dos conceptos muy importantes. Primero, que el signo positivo implícito en una descarga específica significa que el flujo está en dirección positiva de x (de izquierda a derecha en la figura 4.16), aunque el gradiente sea negativo. El signo negativo en la ley de Darcy (ecuación 4.47) indica que el flujo está en dirección contraria al gradiente. Es lógico si se reconoce primero que el agua subterránea fluye desde una región de alta carga a una región de baja carga. Segundo, la magnitud de la respuesta, 10−7 m兾s, indica que el agua subterránea fluye lentamente en relación con, por decir, un río, cuyo cauce puede ser del orden de 0.1 m兾s. En general, el flujo subterráneo tiene magnitudes más lentas que el flujo del agua superficial. Discusión en clase El acuífero Ogallala se extiende a lo largo de las altas planicies, desde Dakota del sur hasta el oeste de Texas. Después de haber investigado el uso que se hace de sus aguas y sus características para recargarse de manera natural, discuta si el agua subterránea de este acuífero es una fuente renovable, tal y como se ha administrado hasta el presente. ¿Cómo tomar en cuenta en su discusión los cambios futuros del clima o bien los aumentos de población a nivel regional y global? Si su conclusión es que el acuífero Ogallala no ha sido administrado como una fuente renovable, describa las soluciones tecnológicas y políticas que podrían garantizar agua subterránea para generaciones futuras. ALFAOMEGA c04.indd 152 INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC 8/30/11 2:44:44 PM Términos clave 153 Términos clave • • • • • • • • • • • • • • • acuífero confinado acuífero no confinado advección agua subterránea análisis de reactor balance de energía balance de masa calor carga hidráulica coeficiente de difusión compuesto conservador conductividad hidráulica control de volumen decaimiento de orden cero decaimiento de primer orden INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC c04.indd 153 • • • • • • • • • • • • • • densidad de flujo descarga específica dispersión dispersión mecánica dispersión turbulenta emisiones de bióxido de carbono energía no renovable energía renovable estado estacionario estado no estacionario flujo advectivo flujo de masa gases de efecto invernadero gases de efecto invernadero antropogénicos • gradiente hidráulico • ley de conservación de la materia • • • • ley de Darcy ley de Fick ley de Stokes primera ley de la termodinámica • reactor batch • reactor tubular (PFR) • reactor de flujo de mezcla perfecta (CMFR) • tiempo de retención • velocidad de acumulación de masa ALFAOMEGA 8/30/11 2:44:44 PM Problemas c a p í t u l o / Cuatro 4.1 Se usa un estanque para diluir las aguas negras muni- 4.4 Usted es un espía del tipo de las películas antiguas y cipales antes de descargarlas en un río. El cauce de entrada del estanque tiene una velocidad de flujo de Q = 4 000 m3兾día y una concentración BOD de Centrante = 25 mg兾L. El volumen del estanque es de 20 000 m3. El propósito de usar el estanque es dar tiempo para el decaimiento del BOD antes de descargarlo en el medio ambiente. La velocidad de decaimiento de primer orden del BOD es igual a 0.25兾día. ¿Cuál es la concentración de BOD a la salida del estanque, en unidades de mg兾L? lo han encerrado en una habitación pequeña (volumen 1 000 pies3). De pronto, se da cuenta de que empieza a entrar un gas venenoso a la habitación a través del ducto de ventilación. Usted está a salvo a condición de que la concentración sea menor a 100 mg兾m3. Si el flujo de aire a través del ducto es de 100 cu pie兾min y la concentración del gas que está entrando es de 200 mg兾m3, ¿cuánto tiempo tiene para escapar? 4.2 Una mezcla del flujo de dos gases se utiliza para cali- que cuenta con una máquina para reestablecer la superficie del suelo (y que se muestra en la figura 4.19), los puntos 1 y 3 representan el aire que entra por la ventilación y cómo se agota en la pista de hielo entera, el punto dos es el sistema de escape de la máquina. Dado que C indica la concentración de monóxido de carbono (CO), las condiciones en cada punto son las siguientes: punto 1: Q1 = 3.0 m3兾s, C1 = 10 mg兾m3; punto 2: velocidad de emisión = 8 mg兾s de CO no reactivo; punto 3: Q3, C3 incógnita. El volumen de la pista de hielo (V) es 5.0 * 104 m3. a) Defina el control de volumen en el interior de la pista de hielo. ¿Cuál es el flujo de masa de CO hacia dentro del control de volumen, en unidades de mg兾s? b) Suponga que se ha operado la máquina por largo tiempo y que el aire dentro de la pista está bien mezclado. ¿Cuál es la concentración de CO dentro de la pista, en unidades de mg兾m3? brar un instrumento de medición de la contaminación. La figura 4.18 muestra el sistema de calibración. Si la concentración del gas de calibración Ccal es 4.90 ppmv, la velocidad de flujo Qcal es 0.010 L兾min y la velocidad total de flujo del gas Qtotal es 1 000 L兾min, ¿cuál es la concentración del gas de calibración tras la mezcla (Cd)? Suponga que la concentración de la mezcla corriente arriba a partir del punto en el que se mezcla es cero. Qcal = 0.010 L/min Ccal = 4.90 ppmv Aire que entra C=0 Qd = 1.000 L/min 4.5 En una descripción muy simple de una pista de hielo R Pista de hielo 1 Cd = ? Figura 4.18 Sistema de calibración de gas 2 3 Z De Mihelcic (1999). Reproducido con autorización de John Wiley & Sons, Inc. 4.3 Considere el caso de una casa que recibe radón a través de las resquebrajaduras del sótano. El volumen total de la casa es de 650 m3 (suponga que el volumen está bien mezclado en todas partes). La fuente emite radón a 250 pCi兾s. (Un picoCurie [pCi] es una unidad proporcional a la cantidad de gas radón e indica la cantidad de radiactividad del gas.) Se puede hacer un modelo del aire que entra y sale como un flujo de aire puro en dirección al interior de la casa de 722 m3兾h y una cantidad igual hacia el exterior. Se puede considerar al radón como conservador en este problema. a) ¿Cuál es el tiempo de retención de la casa? b) ¿Cuál es la concentración de radón en la casa (unidades de pCi兾L)? ALFAOMEGA c04.indd 154 Figura 4.19 Diagrama esquemático de una máquina que reestablece la superficie de una pista de hielo De Mihelcic (1999). Reproducido con autorización de John Wiley & Sons, Inc. 4.6 En un arroyo se descargan aguas residuales tratadas de manera deficiente. La velocidad del cauce del río corriente arriba del punto de descarga es Qu = 8.7 m3兾s. La descarga ocurre a Qd = 0.9 m3兾s y tiene una concentración BOD de 50.0 mg兾L. Suponga que el BOD corriente arriba es despreciable. a) ¿Cuál es la concentración BOD corriente abajo justo a partir del punto de descarga? b) Si el arroyo tiene un área perpendicular de 10 m2, ¿cuál es la concentra- INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC 8/30/11 2:44:44 PM Problemas ción BOD 50 km corriente abajo? (Se retira el BOD a una velocidad de decaimiento de primer orden igual a 0.20兾día.) 4.7 Dos ciudades que se encuentran una justo enfrente de la otra operan sendas plantas municipales de tratamiento de aguas negras que se localizan a lo largo del río. El cauce del río es 50 millones de galones por día (50 MGD). Se realizan conteos de bacterias coliformes como una medida para determinar el riesgo de que el agua transmita enfermedades a los seres humanos. Los resultados del conteo de coliformes en el río, corriente arriba, de ambas plantas es 3 coliformes兾100 mL. La ciudad 1 descarga 3 MGD de aguas negras y su cuenta de coliformes es 50 coliformes兾100 mL, y la ciudad 2 descarga 10 MGD de aguas negras con una cuenta de 20 coliformes兾100 mL. Suponga que el estado exige que la cuenta de coliformes corriente abajo no exceda 5 coliformes兾100 mL. a) ¿Se está cumpliendo el estándar de calidad del estado corriente abajo? (Suponga que las coliformes no han muerto para cuando se hace la medida corriente abajo.) b) Si no se estuviera cumpliendo el estándar río abajo, el estado ha de informar a la ciudad 1 que debe tratar mejor sus aguas residuales para cumplir. Utilice el enfoque del balance de masas para mostrar que el estándar estatal no es realizable. 4.8 En invierno, un arroyo corre a 10 m 兾s y recibe la des3 carga de un tubo que contiene aguas pluviales provenientes de las carreteras. El tubo tiene un caudal de 5 m3兾s. La concentración de cloro del río, justo corriente arriba del punto de descarga del tubo es de 12 mg兾L, y la descarga del tubo de aguas pluviales tiene una concentración de cloro de 40 mg兾L. El cloro es una sustancia conservadora. a) ¿Acaso el uso de sal en los caminos durante los tiempos invernales elevará la concentración de cloro corriente abajo por encima de 20 mg兾L? b) ¿Cuál es la masa de cloro máxima por día (toneladas métricas兾día) que se pueden descargar a través de un tubo de aguas pluviales antes de exceder los estándares de calidad del agua? 4.9 Calcule los tiempos hidráulicos de residencia (el tiempo de retención) en el Lago Superior y el Lago Erie utilizando los datos de la tabla 4.3. 4.10 El caudal total de aguas negras de una planta tratadora es de 600 m3兾día. Se usan dos depósitos de aeración para retirar el BOD de las aguas residuales y se operan en paralelo. Cada una tiene un volumen de 25 000 L. ¿Cuál es el periodo de aeración, en horas, para cada tanque? 4.11 Usted está diseñando un reactor que utiliza cloro en un CMFR o en un PFR para destruir agentes patógenos del agua. Se requiere de un tiempo de contacto mínimo de 30 min para reducir la concentración de 100 patógenos兾L por debajo de 1 patógeno兾L mediante un proceso de decai- INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC c04.indd 155 155 miento de primer orden. Usted planea tratar el agua a una velocidad de 1 000 gal兾min. a) ¿Cuál es la velocidad de decaimiento de primer orden? b) ¿Cuál es el tamaño mínimo (en galones) que se requiere para un reactor tubular? c) ¿Cuál es el tamaño mínimo (en galones) del CMFR que se necesitaría para alcanzar la misma concentración de salida? d) ¿Qué tipo de reactor seleccionaría usted si su objetivo fuera que “ninguna descarga puede jamás ser mayor que 1 patógeno兾L”? Explique su razonamiento. e) Si se desea que el cloro residual en el agua tratada sea de 0.20 mg兾L al salir del reactor y el cloro que se necesita para el tratamiento es de 0.15 mg兾L, ¿cuál debe ser la masa de cloro diaria que se le ha de añadir al reactor (en gramos)? 4.12 La concentración de BOD de un río corriente abajo, justo después del tubo de efluente de una planta de tratamiento de aguas negras es de 75 mg兾L. Si el BOD se destruye mediante una reacción de primer orden a una velocidad constante igual a 0.05兾día, ¿cuál es la concentración BOD 50 km corriente abajo? La velocidad del río es de 15 km兾día. 4.13 Se usa un reactor de 1.0 * 106 galones en una planta de tratamiento de aguas negras. La concentración de los flujos que entran es de 100 mg兾L, la concentración de salida es de 25 mg兾L, y la velocidad de flujo a través del reactor es de 500 gal兾min. a) ¿Cuál es la velocidad constante de decaimiento de primer orden del BOD en el reactor? Suponga que el reactor se modela como un CMFR. Dé su respuesta en unidades por hora. b) Suponga que el reactor deberá ser modelado como un PFR con un decaimiento de primer orden, y no como un CMFR. En ese caso, ¿cuál debe ser la velocidad de decaimiento de primer orden dentro del PFR? c) Se ha determinado que la concentración de salida es demasiado alta, de modo que el tiempo de residencia en el reactor debe duplicarse. Si todas las otras variables permanecen constantes, ¿cuál debe ser el volumen del nuevo CMFR? 4.14 ¿Cuántos watts de potencia se necesitarían para calentar 1 L de agua (que pesa 1.0 kg) a 10° C en 1.0 h? Suponga que no hay pérdidas de calor, de manera que toda la energía se usa para calentar el agua. 4.15 La figura 4.20 muestra la concentración de un contaminante en un tubo que contiene agua en reposo. El coeficiente de difusión de este contaminante en el agua es igual a 10-5 cm2兾s. a) ¿Cuál es el flujo de densidad inicial del contaminante en la dirección x en los puntos de localización siguientes: x = 0.5, 1.5, 2.5, 3.5 y 4.5? b) Si el diámetro del tubo es de 3 cm, ¿cuál es el flujo de masa inicial del contaminante en dirección x en el mismo punto de localización? c) Conforme pasa el tiempo, este flujo difusivo cambiará la forma del perfil de concentración. Dibuje un diagrama de ALFAOMEGA 8/30/11 2:44:45 PM 156 Capítulo 4 Procesos físicos minante es constante, a 2 mg兾L, encuentre: a) el flujo de densidad de masa del contaminante a través del tubo que se atribuye a la advección; b) el flujo total de masa a través del tubo que se atribuye a la advección. 3 2 mg/L 4.17 Dos pozos subterráneos están localizados a 1 000 m 1 0 0 1 2 3 4 5 Localización en el eje de las x (cm) 6 Figura 4.20 Perfil de concentración hipotética en un tubo cerrado De Mihelcic (1999). Reproducido con autorización de John Wiley & Sons, Inc. la concentración en el tubo versus sus localizaciones en el eje x que demuestre cómo podría lucir la forma más tarde. (No es necesario hacer cálculo alguno para dibujar este esquema.) Suponga que la concentración en x = 0 llega a 3 mg兾L y que la concentración x = 6 llega a 1 mg兾L. d) Describa, en un párrafo, por qué cambió el perfil de concentración según usted lo diagramó en la solución al inciso c). 4.16 El tubo del problema 4.15 está conectado a una fuente de agua corriente, y el agua pasa a través del tubo a una velocidad de 100 cm3兾s. Si la concentración del conta- ALFAOMEGA c04.indd 156 de distancia uno del otro. El nivel del agua en el pozo 1 está 50 m por debajo de la superficie; en el pozo 2, el nivel del agua está 75 m por debajo de la superficie. La conductividad hidráulica es de 1 m兾día. Utilice la ley de Darcy para determinar la descarga específica. 4.18 Con el uso de las medidas que se dan en la figura 4.16 y una conductividad hidráulica de 10−4 cm兾s, calcule la descarga específica de un acuífero confinado. 4.19 Consulte Groundwater Network en el sitio web de USGS (http:兾兾groundwaterwatch.usgs.gov). Investigue el impacto que tiene el clima en algún estado de Estados Unidos y discuta el efecto que tienen la estaciones en los niveles de agua subterráneos. Aporte detalles acerca de la localidad que tomó como muestra. 4.20 Consulte el sitio web de la Organización Mundial de la Salud (http:兾兾www.who.int兾en). Escriba un reporte de dos cuartillas acerca de la crisis del arsénico en el que se aborden los problemas económicos, sociales y medioambientales. 4.21 Consulte el sitio web de U.S. Geological survey (http:兾兾www.usgs.gov兾ogw兾aquiferbasics). Averigüe el “acuífero principal” de algún estado de Estados Unidos y describa el alcance y uso del acuífero. INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC 8/30/11 2:44:45 PM Referencias 157 Referencias Fischer, H. B., E. J. List, J. Imberger y N. H. Brooks. 1979. Mixing in Inland and Coastal Waters. Nueva York: Academic Press. Hemond, H. F. y E. J. Fechner. 1994. Chemical Fate and Transport in the Environment. San Diego: Academic Press. Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC). 2007. “Summary for Policymakers”. En Climate Change 2007: The Physical Science Basis. Contribución del Grupo I de Trabajo para el Cuarto INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC c04.indd 157 Reporte de Evaluación del Panel Intergubernamental sobre Cambio Climático, ed. S. Solomon, D. Qin, M. Manning, Z. Chen, M. Marquis, K. B. Averyt, M. Tignor y H. L. Miller. Nueva York: Cambridge University Press. Mihelcic, J. R. 1999. Fundamentals of Environmental Engineering. Nueva York: John Wiley & Sons. ALFAOMEGA 8/30/11 2:44:45 PM c a p í t u l o / Cinco Biología Martin T. Auer, James R. Mihelcic, Julie Beth Zimmerman, Michael R. Penn En este capítulo se presentan a los lectores los principios biológicos fundamentales que gobiernan los ecosistemas, con atención especial a los procesos que intervienen en el destino que las sustancias químicas tendrán en medioambientes naturales y producto de la ingeniería. El capítulo comienza abordando la estructura de un ecosistema y su función, e incluye una descripción de la dinámica de población, es decir, del crecimiento de un organismo y de su inherente demanda de recursos. Luego, examina la producción y el consumo, lo que conduce a considerar la estructura de un ecosistema y las ubicaciones que contiene, así como su flujo de energía. El capítulo también presenta el flujo de materiales en un ecosistema, enfocándose en los ciclos biogeoquímicos clave (por ejemplo, oxígeno, carbono, nitrógeno, azufre y fósforo) y los efectos de la actividad humana en dichos flujos. Finalmente, se exploran conceptos relacionados con la salud de los seres humanos y del ecosistema, incluyendo biomagnificación, biodiversidad y salud del ecosistema. Secciones principales 5.1 Estructura y función de un ecosistema 5.2 Dinámica de población 5.3 Flujo de energía en los ecosistemas 5.4 Demanda de oxígeno: bioquímica, química y teórica 5.5 Flujo de materiales en los ecosistemas 5.6 Salud de un ecosistema y bienestar público Objetivos de aprendizaje 1. Describir la relación entre organismos individuales, especies y poblaciones en las funciones y estructura de un ecosistema. 2. Distinguir los modelos exponencial, logístico y Monod en una población que crece con el tiempo. 3. Identificar y usar el modelo apropiado para calcular cambios en la población con el tiempo. 4. Determinar la capacidad de persistencia de una población y explicar cómo la capacidad de persistencia se ve afectada por las condiciones medioambientales. 5. Utilizar el modelo de limitación Monod para calcular la utilización de sustrato o crecimiento de la biomasa y relacionar estos términos con la capacidad de persistencia. 6. Analizar cómo el crecimiento de la población humana, el consumo, la tecnología y la capacidad de persistencia están relacionados con la ecuación IPAT y con la huella ecológica. 7. Describir las interconexiones entre transferencias de energía/material dentro de una red alimentaria o ecosistema. 8. Definir los siguientes términos: demanda bioquímica de oxígeno (BOD), demanda bioquímica de oxígeno de 5 días (BOD5), demanda bioquímica de oxígeno máxima (BODU), demanda carbonífera de oxígeno (CBOD), demanda bioquímica de oxígeno nitrogenada (NBOD) y demanda teórica de oxígeno (ThOD): 9. Describir el enfoque para calcular la ThOD y los procedimientos de laboratorio para determinar la BOD. 10. Resumir los roles de la fotosíntesis y de la respiración en la captura y transferencia efectiva de energía en los ecosistemas. 11. Describir el flujo de oxígeno, carbono, nitrógeno, azufre y fósforo a través de los ecosistemas y el impacto de las actividades antropogénicas en dichos flujos. 12. Demostrar cómo los procesos biológicos están relacionados con los problemas de producción de energía y el ciclo global del carbono. 13. Analizar el significado y la aplicación de los factores de bioacumulación y bioconcentración. 14. Describir los beneficios, amenazas e indicadores de la biodiversidad en relación con la sociedad, la economía y la salud y las funciones de un ecosistema. 158 c05.indd 158 8/30/11 2:52:41 PM Biología se define como el estudio científico de la vida y de los seres vivos, a menudo esto incluye su origen, diversidad, estructura, actividades y distribución. La biología incluye el estudio de los efecto bióticos. El efecto biótico, el que produce un organismo o lo implica, es importante en muchas fases de la ingeniería medioambiental. La exploración que se hace de la biología medioambiental en este capítulo se centrará en las actividades en las que los organismos afectan o se ven afectados por el medioambiente de diferentes formas que incluyen: 1) efecto en seres humanos (por ejemplo, enfermedades infecciosas), 2) impactos en el medioambiente (por ejemplo, introducción de especies), 3) impacto de los seres humanos (por ejemplo, especies en peligro de extinción), 4) la intervención de las transformaciones medioambientales (por ejemplo, la degradación de químicos tóxicos) y, 5) tratamiento del aire, agua y suelo contaminados. .mx/h ua ega.c ttp om om : / /v i r t En la figura 5.1 se concibe a la Tierra como integrada por “grandes esferas” de material vivo y sin vida. La atmósfera (aire), hidrosfera (agua) y litosfera (suelo) constituyen el componente abiótico o sin vida. La biosfera contiene todo lo que tiene vida en la Tierra. Toda intersección de la biosfera con las esferas sin vida, seres vivos y sus demandas del medio ambiente abiótico constituyen un ecosistema. Ejemplifican esto ecosistemas naturales (lago, l.alfa 5.1 Estructura y función del ecosistema Ecosistemas globales Atmósfera Biosfera Figura 5.1 Grandes esferas terrestres de materiales vivos y sin vida La atmósfera, hidrosfera y litosfera son los componentes sin vida y la biosfera contiene todos los componentes vivos. La ecosfera es la intersección de las esferas abióticas y del componente biótico. Hidrosfera INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC c05.indd 159 Litosfera Kupchella y Hyland, Environmental Science, 1a. ed., © 1986, p. 5. Adaptada con permiso de Pearson Education, Inc., Upper Saddle River, NJ. ALFAOMEGA 8/30/11 2:52:43 PM 160 Capítulo 5 Biología Lago Pradera Tratamiento de desechos biológicos Física y química del medioambiente: agua, aunada a la atmósfera y a los sedimentos lacustres e influenciada por las características meteorológicas de una latitud y altitud específicas. Física y química del medio ambiente: tierra, aunada a la atmósfera y las reservas de suelo-agua e influenciada por las características meteorológicas de una latitud y altitud específicas. Física y química del medioambiente: aguas de desecho, extremadamente influenciada por características meteorológicas de una latitud y altitud específicas. Fuente de energía: el sol Fuente de energía: el sol Fuente de energía: desechos orgánicos (originalmente del sol) Productos primarios: algas, plantas acuáticas y ciertas bacterias Productos primarios: pastos y flores Productos primarios: ninguno Transferencia de energía: zooplancton, peces Transferencia de energía: grillos, ardillas, coyotes Transferencia de energía: bacterias, protozoarios Figura 5.2 Ecosistemas: plantas, animales, microorganismos y su medioambiente físicoquímico pradera, bosque y desierto) y sistemas producto de la ingeniería (tratamiento de desechos biológicos (figura 5.2.). Considerados en conjunto, todos los ecosistemas del mundo constituyen la ecosfera. La ecología es el estudio de la estructura y función de la ecosfera y de sus ecosistemas: las interacciones entre seres vivos y su medioambiente abiótico. Aunque el campo de la taxonomía (clasificación de los organismos) es muy dinámico y sede de un vigoroso debate, los biólogos ubican hoy a los seres vivos dentro de alguno de los tres dominios: 1) arqueas, 2) bacterias y 3) eucariontes. Los arqueas y las bacterias son procariontes, lo que significa que sus contenidos celulares, como pigmentos y material nuclear, no están segregados dentro de estructuras celulares (por ejemplo, cloroplastos y el núcleo). Aunque los miembros de los arqueas y de las bacterias tienen una apariencia física similar, son diferentes en muchas otras formas importantes, incluyendo su composición celular y su estructura genética. En el tratamiento funcional de los organismos, se considera en el término bacterias incluidos los miembros del dominio arqueas y bacterias. El tercer dominio, eucariontes, consiste en organismos con organización segregada o en compartimientos, los eucariontes poseen un núcleo y organelos como los cloroplastos. El dominio eucariontes puede subdividirse en cuatro reinos: 1) protista, 2) hongos, 3) vegetal y 4) animal. Otras diferencias entre los varios reinos y dominios son las estrategias de alimentación, importantes en la ingeniería ambiental. Algunos organisALFAOMEGA c05.indd 160 INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC 8/30/11 2:52:43 PM 5.1 Estructura y función del ecosistema 161 Figura 5.3 Componente biótico de un Flu jo CO NIDAD MU CO de en er gía COMUNIDAD NIDAD MU Población de la especie A Población de la especie B Población de la especie F Población de la especie C Población de la especie E Población de la especie D Elementos abióticos: flujo de materiales ECOSISTEMA mos obtienen su comida por absorción (succión de nutrientes disueltos como en el reino de los hongos), algunos a través de fotosíntesis (fijación de la energía luminosa que convierten en moléculas orgánicas simples como en el reino vegetal) y otras por ingestión (ingesta de partículas de nutrientes como en el reino animal). Algunos miembros de los reinos vegetal y protista combinan la fototrofía y la heterotrofía en una mezcla nutricional en la que su alimento proviene de la fotosíntesis y de la ingesta de carbono orgánico disuelto o en partículas. Los dominios se subdividen en reinos, filo o división, clases, orden, familias, géneros y especies. Una especie es un grupo de individuos que poseen un conjunto de genes comunes y que pueden reproducirse entre ellos de manera exitosa. A cada especie se le asigna un nombre científico en latín (género más la especie) a fin de evitar confusiones con los nombres comunes. Bajo este sistema de nomenclatura binomial, Sander vitreus es el nombre científico del pez de la especie conocida comúnmente como perca o lucioperca. Todos los miembros de una especie en una región dada conforman la población, por ejemplo, la población de percas de un lago. Todas la poblaciones (incluyendo diferentes especies) que interactúan en un sistema dado constituyen la comunidad, por ejemplo, la comunidad de peces de un lago. Finalmente, como se muestra en la figura 5.3, todas la comunidades aunadas a los factores abióticos forman el ecosistema (en este caso un lago) y los ecosistemas la ecosfera. ecosistema, organizado de acuerdo con las especies, poblaciones y comunidad En este esquema, la energía fluye y los químicos circulan ampliamente a través del ecosistema. Se puede considerar como ecosistemas el medioambiente natural y los que son producto de la ingeniería y la industria. Por ejemplo, varios de los procesos biológicos que se emplean en el tratamiento de aguas residuales (fangos activos, camas filtrantes, lagunas) contienen comunidades compuestas de una variedad de microorganismos. La naturaleza del ecosistema se ve determinada por el diseño físico de la unidad de proceso y por el carácter químico y biológico del agua residual que entra en el sistema. De Mihelcic (1999). Reproducido con autorización de John Wiley & Sons, Inc. 5.1.1 GRUPOS PRINCIPALES DE ORGANISMOS En los sistemas naturales se encuentran una amplia variedad de organismos (por ejemplo, lagos y ríos, humedales, suelo), así como en los sistemas producto de la ingeniería (por ejemplo, plantas de tratamiento de aguas negras, vertederos, camas filtrantes y celdas de bioretención). La figura 5.4 ilustra las características de los principales grupos de organismos que son de importancia para la ingeniería medioambiental. Más de la mitad de las especies en peligro de extinción en Estados Unidos lo constituyen las plantas más altas. El reporte INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC c05.indd 161 Para saber más acerca de los ecosistemas http://www.epa.gov/ebtpages/ ecosystems.html ALFAOMEGA 8/30/11 2:52:43 PM Bacterias virus de la polio virus vacuna virus de la viruela virus del mosaico del tabaco Rotíferos Microcrustáceos espirilo bacilo coco Cyclops Algas Hongos Daphnia (pulga de agua) Philodina Diaptomus Polyarthra Stephanodiscus criptococo tricoderma Bosmina Keratella Dinobyon zoófago Macroinvertebrados Fragilaria Peces Cladophora Macrofitas Chlamydomonas Pediastrum Chironomus (larva roja) Tubifex (lombriz de fango) Protozoos Ceratophyllum (pinito de agua) Acipenser fulvescens (esturión) Campeloma (caracol) 10/13/11 4:01:26 PM INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC Nymphaea (lirio acuático) Sphaerium (almeja) ameba Typha (espadaña) Vorticella Hexagenia (ninfa) Paramecium Bodo Figure 5.4 Principales grupos de organismos y algunos de sus representantes Los grupos son a) virus, b) bacterias, c) hongos, d) algas, e) macrofitas, f) protozoos, g) rotíferas, h) microcrustáceos, i) macroinvertebrados y, j) peces. De Mihelcic (1999). Reproducido con autorización de John Wiley & Sons, Inc. Cambarus (cangrejo de río) Salvelinus namaycush (trucha) 162 Capítulo 5 Biología ALFAOMEGA c05.indd 162 Virus 5.1 Estructura y función del ecosistema más reciente del Panel Intergubernamental del Cambio Climático (IPCC) indica, con un alto grado de confiabilidad, que el reciente calentamiento afecta fuertemente los sistemas biológicos terrestres, incluyendo los cambios en los rangos poblacionales ascendentes y descendentes, el reverdecimiento precoz en primavera e incremento de la posibilidad de disturbios causados por pestes y fuegos (IPCC, 2007). Al mismo tiempo, las plantas más altas contribuyen a retirar los gases de efecto invernadero de la atmósfera, eliminan hasta 300 × 1012 kg anuales de bióxido de carbono de la atmósfera, el equivalente a las emisiones de CO2 de aproximadamente 40 mil millones de automóviles. A medida que se desvía la atención de los organismos individuales hacia las poblaciones y las comunidades de organismos, no se debe perder de vista que las características de las especies son las responsables de que su papel dentro del ecosistema sea especial. Más aún, la interacción entre grupos de organismos resulta en comunidades altamente dinámicas en sistemas naturales y en los que son producto de la ingeniería. Las estaciones cíclicas y las perturbaciones naturales y humanas que sufre el medio ambiente, a menudo conducen a cambios dramáticos en el tamaño de una población y en la estruc- Recuadro / 5.1 163 Cambio climático y ecosistemas http://www.epa.gov/climatechange/ effects/eco.html Producción de biodiesel a partir de las algas El biodiesel es un combustible renovable que puede manufacturarse a partir de aceites vegetales, grasas animales, grasas provenientes de los desechos de restaurantes y de las algas. Actualmente se exploran varias materias primas para la producción de biodiesel y las algas han emergido como una de las fuentes más prometedoras. Las algas crecen a una velocidad rápida (en horas, algunas especies pueden duplicarse) y prosperan en prácticamente cualquier clima, con lo que superan la limitación que tienen las cosechas de producir biodiesel. En la algas, la transformación de aceite (algunas especies tienen hasta 50% de contenido de aceite) es mucho mayor en comparación con las semillas de las que tradicio- nalmente se extrae aceite, la producción potencial ascendería a 250 veces la cantidad de aceite de soya que se obtiene por acre. Las algas se cultivan en fotobioreactores como el que se muestra en la figura 5.5 y se exprimen. El aceite que se obtiene de dicha presión puede convertirse en biodiesel a través de reacciones tradicionales de transesterificación, las mismas que se usan para el aceite vegetal. Las algas son, sobre todo, fábricas notables y eficientes, capaces de tomar los desechos de bióxido de carbono como lo hace una planta municipal tratadora de aguas negras, o emisiones de una planta generadora de electricidad y convertirlas en una forma de energía líquida de alta densidad: aceite natural. Figura 5.5 Enlucido conceptual de una planta de fotobioreactores a gran escala utilizada para cultivar algas Si se les abastece de luz solar, agua, bióxido de carbono y se añaden algunos nutrientes, las algas pueden producir aproximadamente 10 000 galones anuales de biodiesel por acre. INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC c05.indd 163 ALFAOMEGA 8/30/11 2:52:47 PM 164 Capítulo 5 Biología tura de una comunidad. Por ejemplo, la transparencia o claridad de los lagos varía con la cantidad de partículas de tierra y los fertilizantes que llegan desde fuentes terrestres mediante las corrientes tributarias. A su vez, la abundancia de algas puede fluctuar de acuerdo con el tamaño de la población de microcrustáceos que se alimentan de ellas y con la disponibilidad de nutrientes que se introducen desde el litoral. En algunos lagos, en cuestión de días la claridad del agua puede variar desde nítida hasta revuelta y de nuevo nítida a medida que varía la población de algas y de microcrustáceos. 5.2 Dinámica de población La dinámica de población juega un papel en el destino de las bacterias fecales que se descargan en las aguas superficiales, así como en la eficiencia de los microorganismos durante el tratamiento biológico y en las interacciones sustrato-organismos durante la limpieza de suelos contaminados. Otras aplicaciones incluyen el control de las algas invasoras que crecen en los lagos, la biomanipulación como una forma de administrar la calidad del agua superficial y la transferencia de químicos tóxicos a través de la cadena alimentaria. Es posible mejorar nuestra habilidad para administrar y proteger el medioambiente a través de la comprensión de la dinámica de población, por ejemplo, al simular o modelar la respuestas que dan las poblaciones a los estímulos medioambientales. En el estudio de la dinámica de población, es importante recordar que, como otros organismos, los seres humanos representan una población; una población que puede crecer de manera exponencial y experimentar el estrés que significa aproximarse a su capacidad de persistencia. 5.2.1 UNIDADES DE EXPRESIÓN DEL TAMAÑO DE UNA POBLACIÓN Pese a que es un individuo el que nace, se reproduce y muere, en el contexto medioambiental estos eventos se aprecian mejor al examinar poblaciones enteras. Aunque es posible ver las características de las poblaciones individuales a través de la enumeración directa (por ejemplo, el número de lagartos), las poblaciones que constituyen los ecosistemas naturales o los que son producto de la ingeniería incluyen organismos de numerosos y diferentes tamaños. Por lo tanto, el “conteo de cabezas” es una representación deficiente del tamaño de una población y de su función cuando se necesita una estimación de todos los seres vivos o cuando se requiere una biomasa. Un enfoque alternativo es el uso de un constituyente común como el de materia seca (g DW), contenido de carbono orgánico (g C) o, en el caso de las plantas, contenido de clorofila (g Chl). Por ejemplo, podría reportarse la biomasa de las plantas como g DW/m2 para las praderas, toneladas métricas C/hectárea para los bosques y mg chl/ m3 para los lagos. En los procesos de tratamiento de aguas negras, existen microorganismos mezclados con desperdicios sólidos. En ese caso, la biomasa se expresa como el total de sólidos suspendidos (TSS) o sólidos volátiles suspendidos (VSS), que son medidas comparables con la materia seca. 5.2.2 MODELOS DE CRECIMIENTO DE POBLACIÓN Se puede aplicar un balanceo de masa al estudio de la dinámica de población en organismos vivos. Considere el caso de la comunidad de algas o bacterias de un lago o de un río, o la comunidad de microorganismos en un ALFAOMEGA c05.indd 164 INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC 8/30/11 2:52:47 PM 5.2 Dinámica de población 165 sistema de tratamiento de desperdicios. El balanceo de masa de la biomasa puede escribirse de la siguiente manera: dX (5.1) = QXentra - QX ; reacción dt V es el volumen (L), X es la biomasa (mg/L), t es el tiempo (días), Q es el flujo (L/día) y reacción se refiere a todos los procesos cinéticos que median el crecimiento o la muerte de los organismos. Cada término de la ecuación 5.1 tiene unidades de masa sobre tiempo (mg/día). Para simplificar el desarrollo conceptual de los modelos que siguen, se omitirán los términos de flujo (por lo tanto, Q es igual a 0 en un reactor por lote). Si se supone que la cinética de primer orden puede describir adecuadamente el término de la reacción (en este caso, crecimiento poblacional), la ecuación 5.1 se puede reescribir de la siguiente manera: V V dX = VkX dt (5.2) ua ega.c .mx/h : / /v i r t donde k es el coeficiente de primer orden (tiempo−1). Debido a que el término de la reacción describe crecimiento, el lado derecho de la ecuación 5.3 es positivo. Se usará esta ecuación para desarrollar modelos realistas, aunque no muy complejos, que simulen la tasa a la cual crecen los organismos. Aquí se presentan tres modelos que describen crecimiento ilimitado (exponencial) en un espacio limitado (logística) y con recursos limitados (Monod). om ttp (5.3) om dX = kX dt l.alfa Para simplificar, se dividen ambos lados de la ecuación 5.2 entre V: Hojas de cálculo para crecimiento bacteriano CRECIMIENTO EXPONENCIAL O ILIMITADO La dinámica de población de muchos organismos, desde bacterias hasta seres humanos, se puede describir con una simple expresión, el modelo de crecimiento exponencial: dX = dt máx X (5.4) La ecuación 5.4 es idéntica a la ecuación 5.3, con μmáx, en el que el coeficiente de crecimiento específico máximo (día−1) es un caso especial de la constante de primer orden k. El coeficiente μmáx describe la condición en la que toda una reserva complementaria de energía se destina al crecimiento, sin verse afectada por la retroalimentación que constituye la sobrepoblación o la competencia por los recursos o las limitaciones. Además de dirigir sus reservas de energía hacia el crecimiento, los organismos deben pagar un “costo de operación”. Aquí, las reservas de energía que se movilizan mediante la respiración se utilizan para apoyar el mantenimiento de las células y la reproducción. En terminología propia de la ingeniería de los desechos, esto es decaimiento endógeno (derivado del interior). La necesidad de respirar que tiene el organismo se puede representar en la ecuación 5.4 con un coeficiente de decaimiento de respiración de primer orden: dX = - kdX dt INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC c05.indd 165 (5.5) ALFAOMEGA 8/30/11 2:52:47 PM 166 Capítulo 5 Biología en donde kd es el coeficiente de respiración (día−1). Aquí, el término del lado derecho es negativo porque representa una pérdida de la biomasa. En ciertos casos, una versión ampliada de la definición de kd se utiliza para incluir otras pérdidas como los asentamientos y la predación. Las ecuaciones 5.4 y 5.5 pueden combinarse: dX = ( dt máx - kd)X (5.6) - kd)t (5.7) e integrarse para dar lugar a Xt = X0e( máx donde Xt es la biomasa en tiempo t y X0 es la biomasa inicial, reportada como números o como concentración sustituta, como mg DW/L. El término (μmáx − kd) puede también considerarse como el efecto neto de la energía aplicada al crecimiento menos la energía aplicada a la respiración y el término μneto: Xt = X0e neto t (5.8) Para mayor claridad, se retendrá aquí la expresión utilizada en la ecuación 5.7. e j e m p l o / 5.1 Crecimiento exponencial y el efecto de la tasa de crecimiento específico en la tasa de crecimiento Considere una población o comunidad con una biomasa inicial (X0) de 2 mg DW/L, una tasa de crecimiento específica máxima de (μmáx) de 1.1/día y un coeficiente de respiración de 0.1/día. Determine la concentración de biomasa (mg DW/L) en un periodo de 10 días. solución Suponga un crecimiento exponencial. La biomasa está dada en todo momento por la ecuación 5.7: Xt = X0e( máx - kd)t y Xt = 2 * e(1.1/día - 0.1/día) t Los resultados se presentan en la tabla 5.1 y la figura 5.6a. La forma en J de la figura 5.6a es un crecimiento exponencial típico. La inclinación de la curva se determina por el valor del coeficiente de crecimiento específico neto (μneto = μmáx − kd). La figura 5.6b muestra la influencia del valor μneto en la forma de la curva de crecimiento. ALFAOMEGA c05.indd 166 INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC 8/30/11 2:52:48 PM 5.2 Dinámica de población e j e m p l o / 5.1 167 Continuación Tabla / 5.1 Resultados de los cálculos de biomasa en función del tiempo con el uso del modelo de crecimiento exponencial del ejemplo 5.1 Tiempo (días) Biomasa (mg DW/L) Tiempo (días) Biomasa (mg DW/L) 1 5 6 807 2 15 7 2 193 3 40 8 5 962 4 109 9 16 206 5 297 10 44 053 60 000 Biomasa, X (mg/L) 50 000 40 000 30 000 20 000 10 000 0 0 2 4 6 8 10 Tiempo (días) a) 120 Biomasa, X (mg/L) 100 Figura 5.6 Efecto de la tasa de 80 μ = 0.2, 0.3, 0.4 60 40 20 0 0 2 4 6 Tiempo (días) b) INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC c05.indd 167 8 10 crecimiento específico en el crecimiento exponencial a) Crecimiento exponencial tal y como se determinó en el ejemplo 5.1. b) Crecimiento de la población de acuerdo con el modelo exponencial de los tres valores de una tasa de crecimiento específica. A medida que μ aumenta, la tasa de crecimiento de población (dX/dt) también aumenta. De Mihelcic (1999). Reproducido con autorización de John Wiley & Sons, Inc. ALFAOMEGA 8/30/11 2:52:48 PM 168 Capítulo 5 Biología e j e m p l o / 5.1 Continuación Observe la similitud entre el modelo de crecimiento exponencial (ecuación 5.4) que se aplica aquí para organismos vivos, dX = dt máxX con la expresión de decaimiento de primer orden que se expuso en los capítulos 3 y 4 para la aplicación de pérdidas químicas: dC = - kC dt .mx/h ua ega.c ttp om om l.alfa Ambas son expresiones de primer orden; es decir, ambas tasas son una función directa de la concentración (de organismos o química). Sin embargo, las concentraciones de organismos es típico que se incrementen exponencialmente (crecimiento), en tanto que las concentraciones químicas decrecen en forma exponencial (decaimiento). Modelar el crecimiento de las aves de cabeza amarilla en peligro de extinción de Nueva Zelanda LOGÍSTICA DE CRECIMIENTO: EL EFECTO DE LA CAPACIDAD DE PERSISTENCIA Si se examinan un poco más a fondo las pre- dicciones generadas por el modelo de crecimiento exponencial respecto al tiempo, se observan algunos niveles de biomasa interesantes. Por ejemplo, la biomasa simulada en el ejemplo 5.1 en 100 días alcanzaría ¡5.4 ⫻ 1043 mg DW/L! ¿Es lógico? No es de sorprender que al modelo de crecimiento exponencial se le llame algunas veces crecimiento ilimitado: no hay impedimentos o límites superiores para la biomasa. El modelo de crecimiento exponencial tiene algunas aplicaciones apropiadas y se puede aprender mucho de este simple enfoque. Sin embargo, el modelo de crecimiento logístico ofrece un marco que está más acorde con nuestro concepto de cómo las poblaciones y las comunidades se comportan. Aquí, se debe invocar a la capacidad de persistencia o límite superior que las condiciones medioambientales imponen al tamaño de poblaciones y comunidades (biomasa). La figura 5.7 ilustra el concepto de capacidad de persistencia e identifica la limitación de espacio y las pérdidas de densidaddependencia como una enfermedad y depredación como componentes de las condiciones medioambientales. No se ha abordado el tema de la limitación del alimento, ya que el concepto de capacidad de persistencia se ha confinado aquí a la cuestión del espacio y de los recursos no renovables. El modelo de crecimiento logístico se desarrolla al modificar el modelo de crecimiento exponencial (ecuación 5.6) para que tome en cuenta los efectos de la capacidad de persistencia: : / /v i r t dX = ( dt máx - kd)a1 - X bX K (5.9) en donde K es la capacidad de persistencia (mg DW/L), que es la población de biomasa máxima sostenible. Para apreciar la manera en que la capacidad de persistencia interviene en la tasa de crecimiento de la población, examine el comportamiento del ALFAOMEGA c05.indd 168 INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC 8/30/11 2:52:48 PM 5.2 Dinámica de población 169 Biomasa Espacio limitado Enfermedad Depredadores Resistencia medioambiental Capacidad de persistencia (K ) Tiempo Figura 5.7 Efecto que tiene la limitación mediante recursos no renovables (relacionados con el espacio) en la biomasa manifestada a través de la capacidad de persistencia Según el modelo de crecimiento logístico, la resistencia medioambiental (representada por la presión que ejerce la mano hacia abajo) reduce la tasa de crecimiento. En cierto tiempo, la población alcanza una capacidad de persistencia que la población no puede exceder. Adaptado de Enger et al, 1983; figura de Mihelcic (1999). Reproducido con autorización de John Wiley & Sons, Inc. segundo término que está entre paréntesis en la ecuación 5.9. Observe que cuando el tamaño de la población es pequeño (X << K), la ecuación 5.9 reduce su modelo de crecimiento exponencial, y a medida que se aproxima a la capacidad de persistencia (X → K), la tasa de crecimiento de población se aproxima a cero. Se puede integrar la ecuación 5.9 para dar lugar a Xt = K K - X0 - ( be 1 + ca X0 (5.10) max - kd)t d La ecuación 5.10 permite cálculos de biomasa como una función del tiempo de acuerdo con el modelo de crecimiento logístico. e j e m p l o / 5.2 Logística de crecimiento Considere la población del ejemplo 5.1 (X0 = 2 mg DW/L, μmáx = 1.1./día, kd = 0.1/día), pero con una capacidad de persistencia (K) de 5 000 mg DW/L. Determine la población de biomasa en un periodo de 10 días. INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC c05.indd 169 ALFAOMEGA 8/30/11 2:52:48 PM 170 Capítulo 5 Biología e j e m p l o / 5.2 solución Continuación Utilice el término de capacidad de persistencia, K, para aplicar el modelo de crecimiento logístico. Use la ecuación 5.10 para obtener la concentración de biomasa en un periodo de 10 días. La tabla 5.2. y la figura 5.8a muestran la población de biomasa en el tiempo. En este ejemplo, la tasa de crecimiento específico empieza a descender después de varios días y se aproxima a cero. Además, los niveles de concentración de biomasa descienden con el tiempo a medida que se alcanza la capacidad de persistencia (en este caso 5 000 mg DW/L). La figura 5.8b compara los modelos exponencial y de logística de crecimiento. Advierta que ambos modelos predicen el mismo comportamiento poblacional en números de poblaciones bajos. Esto sugiere que el modelo exponencial puede aplicarse apropiadamente bajo ciertas condiciones. Tabla / 5.2 Población en el tiempo determinada por la logística de crecimiento examinada en el ejemplo 5.2 ALFAOMEGA c05.indd 170 Tiempo (días) Biomasa (mg DW/L) μmáx − kd (día−1) 0 2 1.000 1 7 0.999 2 22 0.996 3 72 0.986 4 232 0.954 5 695 0.861 6 1 745 0.651 7 3 201 0.360 8 4 276 0.145 9 4 757 0.049 10 4 924 0.015 11 4 977 0.005 12 4 993 0.001 13 4 998 ⬍0.001 14 4 999 ⬍0.001 15 5 000 0.000 INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC 8/30/11 2:52:48 PM 5.2 Dinámica de población μ 5,000 1 4,000 3,000 2,000 1,000 0 Bioma 0 2 4 sa 8 10 12 6 Tiempo (días) 14 a) 16 0 Biomasa, X (mg/L) Continuación Tasa de crecimiento específico, μ (día–1) Biomasa, X (mg/L) e j e m p l o / 5.2 171 Crecimiento exponencial K Capacidad de persistencia Logística de crecimiento X0 0 0 Tiempo (días) b) Figura 5.8 Aplicación del modelo de crecimiento logístico a) Biomasa de población y tasa de crecimiento específico según el modelo logístico que se determinó en el ejemplo 5.2. b) Comparación de los modelos exponencial y de crecimiento logístico. Ambos predicen una respuesta similar por parte de la población en la etapas tempranas, cuando la población es pequeña. Sin embargo, el modelo exponencial pronostica que el crecimiento ilimitado continuará, mientras que el modelo logístico pronostica un aproximación a la capacidad de persistencia. De Mihelcic (1999). Reproducido con autorización de John Wiley & Sons, Inc. CRECIMIENTO LIMITADO POR LO RECURSOS: EL MODELO MONOD En la naturaleza es más común que los organismos alcancen los límites que les imponen las reservas de recursos renovables, por ejemplo, la comida, que aproximarse a los límites establecidos por la capacidad de persistencia. Se puede describir la relación entre los nutrientes y la tasa de crecimiento de una comunidad o población con el modelo Monod. En él, la tasa de crecimiento específico máxima toma en cuenta los efectos de las limitantes, en este caso, de los recursos renovables: = max S Ks + S (5.11) donde μ es la tasa de crecimiento específico, (día−1), S es el nutriente o la concentración del sustrato (mg S/L) y Ks es la constante de saturación media (mg S/L). El sustrato o “comida” en la ecuación 5.11 puede ser un macronutriente (por ejemplo, carbono orgánico en el tratamiento de desechos biológicos) o un micronutriente que limite el crecimiento (como el fósforo de los lagos). Como se ilustra en la figura 5.9a, la constante de saturación media (Ks) se define como la concentración del sustrato (S) a la cual la tasa de crecimiento es la mitad de su valor máximo, es decir, μ = μmáx/2. La magnitud de Ks refleja la capacidad que tiene un organismo de consumir recursos renovables (sustrato) a diferentes niveles del sustrato. Los organismos con un bajo Ks se aproximan a su tasa de crecimiento específica máxima (μmáx) a concentraciones de sustrato comparativamente bajas, en tanto que aquéllos cuyos altos valores de Ks requieren de niveles más altos de sustrato INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC c05.indd 171 ALFAOMEGA 8/30/11 2:52:48 PM 172 Capítulo 5 Biología μmáx Tasa de crecimiento específico, μ (día–1) 1 0.8 0.6 μmáx 2 0.4 0.2 0 0 a) 10 15 20 25 30 35 40 Sustrato,S (mg/L) Ks μmáx 1 Tasa de crecimiento específico, μ (día–1) 5 Ks = 0.5 0.8 Ks = 5.0 0.6 0.4 0.2 0 0 5 10 b) 15 20 25 30 35 Sustrato,S (mg/L) Figura 5.9 El modelo Monod a) Modelo Monod básico que ilustra la relación entre la tasa de crecimiento específico (μ) y la concentración de sustrato (S). A altas concentraciones de sustrato ([S] >> Ks), μ se aproxima a su valor máximo μmáx, y el crecimiento es, en esencia, independiente de la concentración de sustrato (ejemplo, cinética de orden cero). A bajas concentraciones de sustrato ([S] << Ks), μ es directamente proporcional a la concentración del sustrato (ejemplo, cinética de primer orden). b) Aplicación del modelo Monod que ilustra el efecto de la variación del Ks. Los organismos con un bajo Ks alcanzan su tasa de crecimiento específica máxima a concentraciones menores de sustrato y, por lo tanto, pueden tener una ventaja competitiva. De Mihelcic (1999). Reproducido con autorización de John Wiley & Sons, Inc. para alcanzar el mismo nivel de crecimiento. La figura 5.9b ilustra cómo las variaciones en las constantes de saturación media afectan la tasa de crecimiento. La base fisiológica que sustenta este fenómeno reside en el papel de las enzimas en la canalización de reacciones bioquímicas; una baja constante de saturación media refleja una gran afinidad entre la enzima y el sustrato. Se puede sustituir el modelo Monod (ecuación 5.11) en la ecuación 5.6 (modelo exponencial) para dar lugar a dX = a dt ALFAOMEGA c05.indd 172 máx S - kd bX Ks + S (5.12) INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC 8/30/11 2:52:49 PM 5.2 Dinámica de población e j e m p l o / 5.3 173 Crecimiento limitado por los recursos La figura 5.10 muestra la densidad de población en función de tiempo en el caso de dos especies de Paramecium (un protozoario) que crecen de manera separada en un cultivo mixto. Cuando crecen separadamente, ambas especies prosperan, adquieren sustrato y logran altas densidades de biomasa. Sin embargo, en un cultivo mixto, una especie domina y elimina a la otra. Los organismos con un Ks pequeño tienen una ventaja competitiva porque pueden alcanzar una alta tasa de crecimiento con bajos niveles de sustrato. Esto se puede demostrar al inspeccionar el modelo Monod. Un concepto básico en ecología, el principio de exclusión de competitividad, establece que dos organismos no pueden coexistir si dependen de un mismo recurso que limita su crecimiento. ¿Cómo se las arreglan para coexistir este par de especies de Paramecium en el mundo natural? ¿Por qué el competidor menos eficiente no se ha extinguido? solución La respuesta consiste en otro principio ecológico, nichos de separación. El término nicho se refiere al papel funcional único o “lugar” de un organismo en el ecosistema. Los organismos que no son muy competitivos, desde un punto de vista meramente cinético (por ejemplo, Ks) pueden sobrevivir al explotar el tiempo o el lugar en que se puede evitar la competencia. Densidad relativa de la población Si crecen separados P. aurelia P. caudatum Si crecen en un cultivo mixto 0 2 4 6 8 10 12 Tiempo (días) 14 16 18 P. caudatum 180–300 μm P. aurelia 120–180 μm Figura 5.10 Dos especies de Paramecium que crecen separadas y en un cultivo mixto En un cultivo separado, ambas especies prosperan, adquieren sustrato y alcanzan altas densidades de biomasa. Sin embargo, en un cultivo mixto una especie domina y elimina a las otras. Adaptado de Ricklefs (1983); dibujo de Mihelcic (1999). Reproducido con autorización de John Wiley & Sons, Inc. INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC c05.indd 173 ALFAOMEGA 8/30/11 2:52:49 PM 174 Capítulo 5 Biología COEFICIENTE DE RENDIMENTO: RELACIÓN ENTRE EL CRECIMIENTO Y EL USO DE SUSTRATO Aunque se ha dedi- cado mucha atención a monitorear la biomasa, en muchas aplicaciones de ingeniería el destino del sustrato puede resultar de mayor interés. Para modelar las concentraciones de sustrato, o para relacionar el consumo del sustrato con el crecimiento de un organismo, se aplica el coeficiente de rendimiento (Y), que se define como la cantidad de organismos que se producen por unidad de sustrato que se consume: Y = ¢X ¢S (5.13) Y se expresa en unidades de biomasa que se producen por masa de sustrato consumido. Un coeficiente de rendimiento cuyo valor sea Y = 0.2 indica que se produjeron 20 mg de biomasa por cada 100 mg de sustrato que se consumió. Tome en cuenta que en el caso de carbono orgánico Y siempre es menor que 1, porque los organismos no son 100% eficientes al convertir el sustrato en biomasa y porque se destina cierta energía al mantenimiento de la célula. Es común aplicar el coeficiente de rendimiento para relacionar la tasa de utilización del sustrato (dS/dt) con la tasa de crecimiento del organismo (dX/dt): dS 1 dX = - a b dt Y dt (5.14) Si se reemplaza el modelo Monod de crecimiento limitado (ecuación 5.12) con dX/dt en la ecuación 5.14: dS 1 = - a dt Y máx S - kd b X Ks + S (5.15) Advierta que el papel de μmáx es retirar el sustrato de la solución, y el papel de kd es el de reciclar el sustrato en la solución a medida que los organismos respiran y mueren. Se usa esta expresión en varias aplicaciones de ingeniería, por ejemplo, para balanceos de masa en el caso de crecimiento de organismos y su uso del sustrato que fundamenten el diseño y operación de las instalaciones de una planta tratadora de aguas negras. e j e m p l o / 5.4 Coeficiente de rendimiento Se retira la materia orgánica presente en las aguas residuales municipales a una velocidad de 25 mg BOD5/L-h en un reactor biológico. Se define la BOD (demanda bioquímica de oxígeno) en la sección 5.4, y se refiere a la cantidad de oxígeno que se consume al oxidar una cantidad dada de materia orgánica, aquí se representa con el efecto de la concentración de sustrato. Use el coeficiente de rendimiento para calcular la masa de microorganismos (medida como partículas sólidas suspendidas o VSS) que se producen diariamente a partir de los microorganismos y su consumo de materia orgánica en la balsa de aireación. Suponga que la balsa tiene un volumen de 1.5 × 106 L y que el coeficiente de rendimiento Y es igual a 0.6 mg VSS/mg BOD5. ALFAOMEGA c05.indd 174 INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC 8/30/11 2:52:49 PM 5.2 Dinámica de población e j e m p l o / 5.4 175 Continuación solución El coeficiente de rendimiento Y relaciona la velocidad a la que desaparece el sustrato (en este caso, la materia orgánica) con la tasa de crecimiento de una célula. Se escribe esta relación (ecuación 5.14) de la siguiente manera: dS 1 dX = dt Y dt Por lo tanto, Y dS dX = dt dt Sustituya los valores dados de Y y la tasa a la cual se agota el sustrato: 0.6 mg VSS mg BOD5 * 25 mg BOD5 L-hr = 15 mg VSS L-hr A continuación, convierta este valor en un básico masa por día: 15 mg VSS L-hr * 1.5 * 106 L * 5.4 * 108 mg VSS 24 hr = día día = 540 kg VSS día Advierta que se producen muchos sólidos biológicos diarios en una planta de tratamiento de aguas negras. Esto explica porqué los ingenieros pasan mucho tiempo en el diseño y operación de las instalaciones, a fin de manejar y disponer de los residuos sólidos (fango) que se generan en una planta de este tipo. COEFICIENTES BIOCINÉTICOS Es común que se hable de los términos μmáx, Ks, Y y Kd como de coeficientes biocinéticos, porque dan información acerca de la manera en que el sustrato y la biomasa cambian con el tiempo (cinéticamente). Se pueden derivar los valores de estos coeficientes a partir de cálculos termodinámicos o mediante observaciones de campo y experimentos en el laboratorio; hay compendios de literatura en torno a los coeficientes. La tabla 5.3 muestra algunos valores representativos de los coeficientes biocinéticos tal y como se aplican en una planta tratadora de aguas residuales. CRECIMIENTO POR LOTE: PONER TODO JUNTO La respiración y los mecanismos de crecimiento que se expusieron antes pueden integrarse en una sola expresión que describe el crecimiento de la población en un cultivo por lotes: dX = a dt INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC c05.indd 175 máx S X bX - kd b a 1 Ks + S K (5.16) ALFAOMEGA 8/30/11 2:52:49 PM 176 Capítulo 5 Biología Tabla / 5.3 Valores típicos de una selección de coeficientes cinéticos para el proceso de depuración de aguas negras mediante fangos activos Coeficiente S Rango de valores Valor típico μmáx 0.1–0.5 h⫺1 0.12 h⫺1 Ks 25–100 mg BOD5/L 60 mg BOD5/L Y 0.4–0.8 PSS/mg BOD5 0.6 PSS/mg BOD5 kd 0.0020–0.0030 h⫺1 0.0025 h⫺1 S, X (mg/L) FUENTE: Tchobanoglous et al., 2003. X Entonces se puede relacionar el uso de sustrato con la ecuación 5.16 mediante el coeficiente de rendimiento: 1 dX = - a Y dt Tiempo (días) Figura 5.11 Crecimiento de la población en un cultivo por lotes Esta gráfica ilustra una fase de crecimiento exponencial en donde el sustrato inicial (S) es abundante y la biomasa (X) es baja; seguido de un estado estacionario en el que los niveles de sustrato impulsan una tasa de crecimiento que es igual a la tasa de respiración, y luego viene una fase de muerte en la cual el sustrato se agota y la población se encuentra en declive debido a que sus demandas respiratorias no son satisfechas. máx S X - kd b a 1 bX Ks + S K (5.17) Aunque la capacidad de persistencia tiene una importancia considerable en los sistemas naturales, no es un término que normalmente se incluya en los modelos biocinéticos de ingeniería de aguas residuales municipales, porque estos sistemas están diseñados para operar por debajo de la biomasa máxima sostenible. La figura 5.11 ilustra el uso de sustrato y las fases inherentes al crecimiento poblacional en un cultivo por lotes (sin entradas ni salidas), de acuerdo con las ecuaciones 5.16 y 5.17. Para hacerlo más sencillo, se supone que no ocurren reciclados. Se describen las tres fases de crecimiento en la tabla 5.4: la fase exponencial o de bitácora, la fase estacionaria y la fase de muerte. Se hacen algunas suposiciones respecto a las condiciones de crecimiento durante las fases exponencial y de muerte para permitir calcular los cambios en el sustrato y en la biomasa en todo momento. Tabla / 5.4 Fases de crecimiento de la población Fase de crecimiento Descripción dX/dt Fase exponencial o de bitácora El consumo de sustrato y el crecimiento son rápidos. dX/dt ⬎ 0 El patrón de crecimiento se aproxima bastante al modelo exponencial (ecuación 5.4). Fase estacionaria El crecimiento disminuye debido al agotamiento del sustrato (o hacinamiento). dX/dt ⫽ 0 Por un breve periodo, las ganancias en el crecimiento se equilibran exactamente con las pérdidas de respiración y muerte. Fase de muerte Ya no hay sustrato disponible para sostener el crecimiento y las pérdidas de respiración y muerte. dX/dt ⬍ 0 Aproximación a un decaimiento exponencial (ecuación 5.5.) ALFAOMEGA c05.indd 176 INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC 8/30/11 2:52:49 PM 5.2 Dinámica de población e j e m p l o / 5.5 177 Cálculos simplificados de sustrato y biomasa Las ecuaciones diferenciales que describen la dinámica de la biomasa y el sustrato (ecuaciones 5.16 y 5.17) contienen términos no lineales que requieren de métodos numéricos especializados para resolverse. Sin embargo, al aplicar algunas suposiciones para simplificar, se puede aprender mucho acerca de la dinámica de poblaciones y comunidades microbianas. Considere una población de microorganismos que crezca en un cultivo por lotes con las características siguientes: biomasa inicial X0 ⫽ 10 mg DW/L; tasa de crecimiento máxima específica μmáx ⫽ 0.3/día; constante de saturación media; Ks ⫽ 1 mg/L; capacidad de persistencia K ⫽ 100 000 mg DW/L; tasa de coeficiente de respiración kd ⫽ 0.05/día; concentración inicial del sustrato S0 ⫽ 2 000 mg S/L; coeficiente de rendimiento Y ⫽ 0.1 mg DW/mg S. 1. Determine si la población alcanzará alguna vez su capacidad de persistencia. 2. Calcule la biomasa de población tras tres días de crecimiento. 3. Calcule la concentración de sustrato tras tres días de crecimiento. 4. Si la población llega a un pico de 100 mg DW/L cuando el sustrato se termina, calcule la biomasa 10 días después de dicho pico. solución 1. Los cambios que se dan con el tiempo en las concentraciones de sustrato y de biomasa se relacionan con el coeficiente de rendimiento como se indica en la ecuación 5.14. La biomasa máxima que esta población puede alcanzar, con base en la disponibilidad de sustrato, está dada por el producto del máximo potencial de cambio en la concentración del sustrato y el coeficiente de rendimiento. dX = dS * Y = 2 000 mg S L * 0.1 mg DW mg S = 200 mg DW Esto está muy por debajo de la capacidad de persistencia de 100 000 mg DW/L; por lo tanto, la población no se quedará sin sustrato y nunca alcanzará su capacidad de persistencia. 2. Antes, en la fase de crecimiento, cuando las concentraciones de sustrato eran altas (término Monod S/(Ks + S), se aproxima a 1) y las concentraciones de biomasa son bajas (término de capacidad de persistencia, 1 - X/K, se aproxima a 1), la ecuación 5.16 se reduce a dX = ( dt INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC c05.indd 177 máx - kd)X ALFAOMEGA 8/30/11 2:52:49 PM 178 Capítulo 5 Biología e j e m p l o / 5.5 Continuación Integre Xt = X0e( X3 = máx - kd)t 10 mg DW L * e(0.3>día - 0.05>día)3 día = 21 mg DW L 3. El cambio en la concentración del sustrato en un periodo de 3 días está dado por la ecuación 5.14: dS 1 dX = - a b dt Y dt A partir de cálculos previos, dX/dt en más de tres días es X3 ⫺ X0 ⫽ 21 ⫺ 10 ⫽ 11 mgDW/L y 0.1 mg DW - 1 - 110 mg S 11 mg DW dS = -a b * = dt mg S L L La concentración de sustrato después de tres días de crecimiento está dada por S3 = S0 - 1 890 mg S dS = 2 000 - 110 = dt L 4. Cuando el sustrato se agota, el término Monod es igual a 0, y la ecuación 5.16 se reduce a la ecuación 5.5. y su solución analítica Xt ⫽ X0e-kdt. En este caso, el pico en la población desciende de acuerdo con la cinética de primer orden, de manera que 10 días después del pico, Xt = X0e - kdt = 100 * e( - 0.05>día Discusión en clase Recién se ha completado el estudio del crecimiento de población, surge la pregunta cuál es el modelo que mejor se adapta a los datos que se presentaron en la figura 5.12 y qué es lo que dicho modelo indica que es posible que pase en el futuro. ALFAOMEGA c05.indd 178 * 10 día) = 61 mg DW L MODELOS DE CRECIMIENTO Y POBLACIÓN HUMANA A pesar de la complejidad de su reproducción, se puede simular la población humana usando modelos del tipo de los que se describieron en este capítulo. La población humana permaneció relativamente sin cambio por miles de años, y se ha incrementado mucho más rápidamente en tiempos modernos (vea la figura 5.12). En el 2007, la tasa de coeficiente de crecimiento de la población mundial era aproximadamente 0.012 año⫺1 (1.2% o 12 nacimientos por cada 1 000 personas por año). A este ritmo, la población de la Tierra se duplicará cada 60 años, y el mayor crecimiento ocurrirá en las áreas urbanas. En el siglo xviii el economista británico Thomas Malthus se preguntó cuál era el modelo que describía los datos de población y qué era lo que pronosticaban. Al reconocer que la población se incrementa exponencialmente, Malthus llegó a la conclusión que tal crecimiento se controlaba sólo por medio de la “miseria o el vicio”, que significa guerra, pestes y hambrunas. Sostuvo que mientras las poblaciones se incrementaran exponencialmente, INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC 8/30/11 2:52:50 PM 5.2 Dinámica de población 179 9 Modernidad Edad Media 7 6 5 4 3 Edad de Piedra Temprana No está a escala 2 1 Edad de Piedra Tardía Edad Edad de de Bronce lo Metales Peste Inicio del islam (600 d.C.) Inicio de la era cristiana Inicio del budismo (500 a.C.) Nace Confucio (551 a.C.) 0 2–5 8000 7000 6000 5000 4000 3000 2000 1000 millones de años a.C. a.C. a.C. a.C. a.C. a.C. a.C. a.C. d.C. d.C. 1000 2000 Figura 5.12 La población de seres humanos crece con el tiempo Adaptado de Enger et al., Environmental Science, 1983, Wm. C. Brown Publishers con autorización de McGraw-Hill. Reimpreso de Mihelcic (1999), con autorización de John Wiley & Sons, Inc. Población Población, recursos Miles de millones de personas 8 Recursos Tiempo c05.indd 179 l.alfa ua : / /v i r t INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC ega.c ttp Esta perspectiva respecto de las amenazas, que de alguna forma es amplia, y que prescribe límites al crecimiento es más consistente con nuestras observaciones del impacto del agotamiento de nutrientes, de la lluvia ácida, la contaminación con metales pesados y químicos orgánicos tóxicos, el desgaste de la capa de ozono y los cambios climáticos provocados por el carbono. Malthus quizá estaría sorprendido de ver que “remodelaríamos nuestra casa” mucho antes de ver extendidas por todo el mundo las hambrunas y “el último y más dañino control de población”. om .mx/h Si “las tendencias actuales de crecimiento de la población mundial, industrialización, polución, producción de comida y extinción de recursos continúan sin cambio, se alcanzarán los límites del crecimiento en algún momento de los próximos cien años.” Además pronosticaron que habría un impacto adverso en la capacidad industrial. Figura 5.13 Pronóstico de Malthus respecto a las tendencias en la población y los recursos Según Malthus, en algún momento la demanda sobrepasaría la oferta. om los “medios de subsistencia” (comida) se incrementarían en forma lineal. Por lo tanto, sería sólo cuestión de tiempo que la demanda sobrepasara la oferta, como se muestra en la figura 5.13, evento de implicaciones catastróficas. Dos siglos después de los pronósticos de Malthus, no se han agotado los recursos alimenticios y las curvas de demanda y oferta que se muestran en la figura 5.13 no se han intersecado todavía. Esto se debe a los avances en la producción agrícola mediante el uso de fertilizantes y pesticidas, que tienen su propio impacto en el medio ambiente y en la salud como la escasez de agua, dependencia en combustibles fósiles, erosión de suelo, pérdidas en la biodiversidad y contaminación química de aguas superficiales y subterráneas. En Los límites del crecimiento, el Club de Roma advertía: Crecimiento de la población frente a nutrientes limitados Discusión en clase El papel que los ingenieros juegan en el combate a las amenazas actuales y en la eliminación de futuros agravios consiste en elaborar diseños que mejoren la calidad de la vida de los habitantes de la Tierra sin los consecuentes impactos medioambientales adversos que se han visto en la Historia. ¿Cómo concibe su papel desde el punto de vista como ciudadano del mundo y como profesionista? ALFAOMEGA 8/30/11 2:52:50 PM 180 Capítulo 5 Biología Discusión en clase Aunque la huella ecológica efectivamente brinda información general sobre los impactos del consumo, ¿cuáles son algunas de las limitantes de este enfoque? Por ejemplo, acaso es el área de tierra un buen sustituto de todo el impacto ambiental. ¿Se consideran de manera diferente los terrenos contaminados durante un proceso o al final de la vida que los terrenos utilizados para cultivar cosechas orgánicas? ¿Cuáles son los retos que plantea el uso de la huella ecológica como un indicador de la sustentabilidad medioambiental? Calcule su huella ecológica www.myfootprint.org/en/ Recuadro / 5.2 Otra forma de describir este fenómeno es la relación que se desarrolló en el decenio de 1970 conocida como la ecuación IPAT: I = P * A * T (5.18) en donde I es el impacto ecológico, P es la población, A es la afluencia y T es tecnología. El impacto medioambiental (I) puede expresarse en términos de agotamiento de recursos o acumulación de desperdicios. La población (P) se refiere al tamaño de la población de seres humanos, la afluencia (A) es el nivel de consumo de dicha población y la tecnología (T) es el proceso que se usa para obtener recursos y transformarlos en bienes útiles y en desperdicios. Además de destacar la contribución de la población a los problemas medioambientales, la ecuación IPAT deja claro que los problemas medioambientales implican más que sólo la contaminación y que dependen de múltiples factores que actúan en conjunto y que dan lugar a un efecto compuesto. Se puede visualizar el producto de los términos afluencia (A) y tecnología (T) de la ecuación 5.18, así como la demanda per cápita en los recursos de un ecosistema. Algunas veces se cuantifica esta demanda como huella ecológica (vea el recuadro 5.2). La huella ecológica el cálculo que determina que hay sólo Una huella ecológica es el cálculo del 2.1 hectáreas por persona disponibles área biológicamente productiva que se para cada individuo que actualmente requiere para proveer a un individuo vive en la Tierra. de todos los recursos que necesita y La tabla 5.5 muestra la huella ecolóabsorber los desechos que produce su gica y la capacidad ecológica disponiactividad. ble (ambas en hectáreas per cápita) de Otra forma de considerar la huella una selección de naciones del mundo. ecológica es el impacto ecológico en La tabla también muestra la diferencia, cierta cantidad de naturaleza que un o déficit ecológico, el cual se determina al individuo necesita ocupar para manterestar la huella ecológica de la capaciner intacto su estilo de vida cotidiano dad ecológica disponible de cada país. (Wackernagel et al., 1997). En general se Los números negativos indican un défiasume que, si los recursos mundiales cit, y los números positivos indican que se distribuyeran equitativamente, hoy queda cierta capacidad ecológica denen día habría 2.1 hectáreas de tierra tro de las fronteras de ese país. La tabla productiva asignada a cada persona. muestra que muchas de las naciones no Este valor es importante porque sirve serían hoy sustentables si el resto del como punto de referencia para com- © Juri Samsonov/iStockphoto. mundo tuviera ese mismo nivel de conparar la huella ecológica de la poblasumo de recursos naturales. Este análición mundial. Este número referencial se deriva del hecho de que hay una cantidad de tierra culti- sis asume que el impacto de un individuo se resiente vable, pastizal, selva, océano y medio ambiente construido dentro de la tierra física y de los ecosistemas que ocupa el por el hombre. Además, de acuerdo con la Comisión país en que esa persona vive. Por supuesto, las fronteras Mundial para el Medio Ambiente y el Desarrollo, debería de una nación no limitan sus emisiones medioambientales, reservarse 12% de la capacidad ecológica mundial para así que el impacto muy probablemente se dejará sentir más proteger la biodiversidad. Este valor se incorpora en allá del país de residencia. ALFAOMEGA c05.indd 180 INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC 8/30/11 2:52:50 PM 5.2 Dinámica de población Recuadro / 5.2 181 Continuación Tabla / 5.5 Huella ecológica en el mundo Huella ecológica (ha per cápita) Capacidad biológica (ha per cápita) Diferencia (ha per cápita) El mundo 2.7 2.1 ⫺0.6 Bangladesh 0.6 0.3 ⫺0.3 Brasil 2.4 7.3 4.9 Canadá 7.1 20.0 13.0 China 2.1 0.9 ⫺1.2 Alemania 4.2 1.9 ⫺2.3 India 0.9 0.4 ⫺0.5 Japón 4.9 0.6 ⫺4.3 Jordán 1.7 0.3 ⫺1.4 México 3.4 1.7 ⫺1.7 Nueva Zelanda 7.7 14.1 6.4 Nigeria 1.3 1.0 ⫺0.4 Federación Rusa 3.7 8.1 4.4 Sudáfrica 2.1 2.2 0.1 Reino Unido 5.3 1.6 ⫺3.7 Estados Unidos 9.4 5.0 ⫺4.4 FUENTE: Datos del Living Planet Report, WWF, 2008. Desde una perspectiva mundial, la huella ecológica promedio del mundo actual es de 2.7 hectáreas por persona, lo que resulta en un déficit ecológico de 0.6 hectáreas por persona. Es claro que para ser ecológicamente sustentable, el mundo debe disminuir su población, o bien disminuir la carga que cada persona ejerce en el medio ambiente (mediante una distribución más equitativa de los recursos mundiales o un uso más amplio de políticas y tecnologías verdes), especialmente en los países industrializados que consumen una parte injusta de los recursos mundiales. De hecho, a medida que la población mundial se aproxima a 10 mil millones de personas en los decenios por venir, la huella ecológica asignada de 2.1 hectáreas de tierra productiva por persona llegará a 1 hectárea, lo que brinda aún INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC c05.indd 181 más atención a los problemas de justicia o de tecnologías y políticas verdes. Aunque en Estados Unidos la capacidad ecológica es relativamente grande (5.0 hectáreas), hay una huella ecológica de 9.4 hectáreas, lo que da como resultado un déficit total de 4.4 hectáreas por persona. La capacidad ecológica de China es mucho menor que en Estados Unidos (0.9 hectáreas por persona), y su huella ecológica actual también es mucho menor (2.1 hectáreas por persona). China no tiene ya “huella ecológica” adicional propia que utilizar. Sin embargo, imagine cuál sería el déficit ecológico de China si su población de más de mil millones intentara imitar los patrones actuales de consumo de recursos de Estados Unidos (recuerde la ecuación IPAT). Además, ALFAOMEGA 8/30/11 2:52:51 PM 182 Capítulo 5 Biología Recuadro / 5.2 Continuación puede usted preguntarse si es responsable, desde el punto de vista ético, que los ciudadanos de Estados Unidos y otros países industrializados consuman los recursos mun- Discusión en clase La ecuación IPAT también aborda el problema de cómo los factores de equidad y distribución son críticos en el desarrollo sustentable. Por ejemplo, a medida que los 2 mil millones de personas que actualmente viven en la pobreza (menos de 2 dólares al día) incrementen su afluencia mediante un mayor ingreso personal, otras partes ricas del mundo tendrán que compartirles parte de su afluencia o proveerles tecnología verde para disminuir el impacto total en el medio ambiente causado por los incrementos de población y de afluencia. ¿Cuál cree que sea la respuesta mundial a este complejo problema? diales a tasas que no son sustentables, y que provoquen que los países menos industrializados carezcan de los recursos para sostener su desarrollo futuro. De la ecuación 5.18 es obvio que sólo existen dos opciones para reducir el impacto medioambiental: 1. Reducir los números de la población (P), o 2. Reducir la magnitud de la demanda per cápita (A ⫻ T). Los problemas del tamaño de la población (P), quizá de importancia primordial, y de la afluencia (A) son temas que contienen una orientación política en la que los ingenieros pueden trabajar. Otro esfuerzo del ingeniero para reducir el impacto medioambiental y avanzar hacia la sustentabilidad enfocándose en (T) es el diseño de tecnologías más verdes. 5.3 Flujo de energía en los ecosistemas Las característica de los muchos y variados ecosistemas de la Tierra está determinadas en gran medida por sus condiciones físicas. Piense en los cambios en la flora (plantas) y en la fauna (animales) que se observan durante el curso de un viaje largo en automóvil, especialmente si está viajando de Norte a Sur o se experimentan cambios drásticos de elevación. Las condiciones físicas incluyen factores climáticos como el de temperatura (valores extremos y duración de las estaciones), luz del día (duración del día y variaciones anuales), precipitación (extremos y distribución anual) y el viento. Otras características significativas de las condiciones físicas incluyen la física del suelo (tamaño de las partículas) y su química (pH, contenido orgánico, nutrientes). Dadas las condiciones físicas apropiadas, los organismos requieren sólo dos cosas del medio ambiente: 1) energía para funcionar y 2) químicos para proveer sustancia. Los elementos químicos se encuentran en un ciclo dentro del ecosistema y puede ser un ciclo regional o global, de manera que su funcionamiento continuo no necesita que se importen. El flujo de energía atraviesa los ecosistemas y los impulsa; es decir, no es un ciclo sino que se convierten continuamente en calor y en pérdida para propósitos útiles. 5.3.1 CAPTURAR Y USAR ENERGÍA: FOTOSÍNTESIS Y RESPIRACIÓN El sol es responsable, de forma directa o indirecta, de prácticamente toda la energía de la Tierra. La incidencia de la luz solar en los ecosistemas acuáticos o terrestres se captura por los pigmentos de las plantas, principalmente la clorofila, y esa energía luminosa se convierte en energía química mediante un proceso llamado fotosíntesis. Fotosíntesis artificial es el término que a menudo se usa para referirse a la ingeniería solar o a los sistemas de células fotovoltaicas diseñadas para captar la energía luminosa y convertirla en energía eléctrica. Usar energía ALFAOMEGA c05.indd 182 INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC 8/30/11 2:52:51 PM 5.3 Flujo de energía en los ecosistemas 183 solar para hacer funcionar los sistemas de ingeniería en lugar de utilizar combustibles fósiles puede favorecer los retos medioambientales actuales, entre los que se encuentran la contaminación del aire, el cambio climático y el agotamiento de los recursos finitos. La energía química que se almacena mediante la fotosíntesis está disponible para que los organismos la usen mediante la respiración. La figura 5.14a muestra un modelo simplificado de la fotosíntesis, la cual puede representarse de la siguiente manera: CO2 + H 2O + ¢ : C(H 2O) + O2 (5.19) en la que ) es la energía del sol y C(H2O) es una representación general de carbono orgánico (por ejemplo, glucosa, en donde C6H12O6 o 6 C(H2O)). El intercambio de energía liberada ()G) por fotosíntesis (ecuación 5.19) es positivo, así que la reacción no pudo haberse efectuado sin la entrada de energía del sol. La clorofila actúa como una antena, absorbe la energía luminosa, que luego se almacena en los enlaces químicos de los carbohidratos que se producen por esta reacción. El oxígeno es un producto secundario muy importante de este proceso. Con respecto al tratamiento de aguas residuales, esta fuente fotosintética se considera un método natural para proveer oxígeno C2O + H 2O Energía luminosa (Δ) Clorofila C(H2O) + CO2+H2O + energía (Δ) © Michael Krakowiak/iStockphoto. O2 a) Fotosíntesis O2 + C(H2O) b) Respiración Figura 5.14 Fotosíntesis y respiración a) Versión simplificada de la fotosíntesis, proceso en el cual pigmentos como la clorofila capturan energía solar y la convierten en energía química que se almacena en los enlaces de los carbohidratos simples, por ejemplo, C(H2O); luego se forman moléculas más complejas (por ejemplo, azúcares, almidones, celulosa). b) Versión simplificada de la respiración, proceso inverso de la fotosíntesis. Se libera la energía almacenada en los enlaces químicos (por ejemplo, carbohidratos) para sostener las necesidades metabólicas. Reproducido de Mihelcic (1999), con autorización de John Wiley & Sons, Inc. INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC c05.indd 183 ALFAOMEGA 8/30/11 2:52:51 PM 184 Capítulo 5 Biología al agua residual, como en los sistemas de tratamiento de aguas que se basan en la aireación de una laguna. La respiración es el proceso por el cual la energía química que se ha almacenado mediante la fotosíntesis es finalmente liberada para realizar trabajo en las plantas y en otros organismos (desde bacterias hasta plantas y animales): C(H 2O) + O2 : CO2 + H 2O + ¢ Administración de los ecosistemas para combatir la pobreza http://pdf.wri.org/wrro5_full_hires.pdf (5.20) La figura 5.14b muestra un modelo simplificado de la respiración. Inversa a la fotosíntesis, esta reacción libera energía almacenada y la pone a disposición de la célula para mantenimiento, reproducción y crecimiento. La energía, que se indica en la ecuación 5.20 con ), es igual a la energía liberada durante una reacción. Los organismos son capaces de capturar y utilizar sólo una fracción (entre 5 y 50 por ciento) del total de la energía liberada por esta reacción. Por lo tanto, todas las formas de vida son ineficientes por naturaleza. La respiración puede describirse químicamente como oxidación-reducción o reacción redox, que puede escribirse en términos de las dos siguientes medias reacciones. Primero, la oxidación del carbono orgánico: C(H 2O) + H 2O : CO2 + 4H + + 4e - (5.21) en donde la valencia del carbono va de (0) en C(H2O) a (4⫹) en CO2, y cede cuatro electrones. Segundo, la reducción del oxígeno: O 2 + 4e - + 4H + : 2H 2O (5.22) donde la valencia del oxígeno va de (0) en O2 a (2−) en H2O y gana cuatro electrones. Se pueden sumar las dos medias reacciones para dar lugar a la reacción total, que se presenta en la ecuación 5.20. Advierta que no hay cambio neto en los electrones; simplemente se han redistribuido. Los ecologistas que estudian microbios se refieren a la respiración que se describió en la ecuación 5.20 como respiración aeróbica, porque el oxígeno es el que recibe el electrón. Algunas bacterias son obligada y estrictamente aeróbicas (o simplemente aerobias) y se basan exclusivamente en el oxígeno como receptor de electrones y no pueden crecer en su ausencia. En el extremo opuesto hay microbios que no pueden tolerar el oxígeno, que son obligada y estrictamente anaerobios. Los microbios que tienen la opción, pueden cambiar su metabolismo de una vía aerobia a una anaeróbica, dependiendo de la presencia o ausencia de oxígeno. Cuando hay ausencia de oxígeno, toma lugar la respiración anaerobia, que utiliza una variedad de compuestos como receptores de electrones. Muchas bacterias utilizan el oxígeno como receptor del electrón, pero en ausencia de oxígeno pueden usar nitrato o sulfato. Dichas bacterias son aerobias con opción y tienen una ventaja ecológica distintiva sobre las que son estricta u obligadamente anaerobias o aerobias en un medio ambiente que puede periódicamente verse privado de oxígeno. A menudo se emplean los términos anaerobio y anóxico como sinónimos. En el tratamiento de aguas ALFAOMEGA c05.indd 184 INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC 8/30/11 2:52:52 PM 5.3 Flujo de energía en los ecosistemas 185 Tabla / 5.6 Reacciones redox para la oxidación de materia orgánica con el uso de varios receptores alternos de electrones Receptor de electrón Reacción redox* Nitrato C(H 2O) + NO 3 - : N2 + CO2 + HCO 3 - + H 2O Manganeso 4+ C(H 2O) + Mn 3+ Ecuación núm. 2+ : Mn : Fe 2+ + CO2 + H 2O + CO2 + H 2O (5.23) (5.24) Hierro férrico C(H 2O) + Fe Sulfato C(H 2O) + SO 4 2 - : H 2S + CO2 + H 2O (5.26) Compuestos orgánicos C(H 2O) : CH 4 + CO2 (5.27) (5.25) Las ecuaciones no están balanceadas estequiométricamente, a fin de que las especies implicadas en las reacciones puedan destacarse con más claridad. ua ttp : / /v i r t c05.indd 185 ega.c .mx/h INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC om om residuales y en algunas aplicaciones en sistemas naturales, anóxico se refiere a los casos en los que el oxígeno está ausente y la respiración se efectúa con nitrato como el receptor de electrones. La tabla 5.6 presenta reacciones redox para oxidación de materia orgánica utilizando una variedad de receptores alternos de electrones como nitrato, manganeso y hierro férrico. Se considera que en el medio ambiente estas reacciones siguen la secuencia de la lista (el orden en que se favorecen desde una perspectiva termodinámica). Por lo tanto, la reducción del oxígeno es la que procede primero, seguida por el nitrato, manganeso, hierro férrico y sulfato; finalmente, ocurre la fermentación. Este orden se conoce como secuencia ecológica redox (por ejemplo, reductores de nitrato y reductores de sulfato). La fermentación (ecuación 5.27) es un proceso anaerobio que implica levaduras y ciertas bacterias, y difiere de otras reacciones en que la materia orgánica se oxida sin un receptor de electrón externo. Aquí, los compuestos orgánicos sirven para donar o recibir un electrón, lo que resulta en dos productos finales, uno que se oxida con respecto al sustrato y otro que se reduce. En la producción de alcohol, por ejemplo, la glucosa (C6H12O6 en donde C tiene valencia (0)) se fermenta en etanol (CH2CH3OH, en donde C se reduce a la valencia (2−)) y el bióxido de carbono (CO2 en donde C se oxida con valencia (4⫹)). La metanogénesis es un tipo de fermentación de la cual el metano (CH4) es el producto final. La materia orgánica que se produce en lagos y camas filtrantes se descompone en bióxido de carbono y productos terminales estables y de apariencia turbia mediante respiración aerobia y anaerobia. La figura 5.15 ilustra la relativa contribución del oxígeno y varios receptores de electrones alternos en la oxidación de materia orgánica en las profundidades y el sedimento del Lago Onondaga, localizado en Nueva York. Aproximadamente una tercera parte de la descomposición de materia orgánica durante el periodo de verano se logró de manera aerobia, es decir, el oxígeno fungió como el receptor final del electrón, el balanceo utilizó los receptores alternos que se identificaron en la tabla 5.6. l.alfa * Procesos anaeróbicos en dinámica de sedimentos y de redes alimentarias Metanogénesis 23% Reducción de sulfato 27% Respiración aerobia (oxígeno) 39% Reducción de nitrato 10% Reducción de hierro 1% Figura 5.15 Contribución de varios receptores de electrones terminales en la oxidación de materia orgánica en las profundidades del Lago Onondaga, Nueva York Datos de Effler (1996); figura de Mihelcic (1999). Reproducido con autorización de John Wiley & Sons, Inc. ALFAOMEGA 8/30/11 2:52:52 PM 186 Capítulo 5 Biología 5.3.2 ESTRUCTURA TRÓFICA DE LOS ECOSISTEMAS Trucha de lago Pinchagua Zooplancton (Daphnia, Cyclops, Diaptomus, Limnocalanus) Fitoplancton (Cryptomonas, Tabellaria, Rhodomonas, Melosira) Luz solar y nutrientes inorgánicos Figura 5.16 Cadena alimentaria acuática en el Lago Superior El fitoplancton es el productor más importante, el zooplancton y los herbívoros son los consumidores principales, los consumidores secundarios y terciarios son la pinchagua y la trucha de lago, respectivamente, ambos carnívoros. De Mihelcic (1999). Reproducido con autorización de John Wiley & Sons, Inc. ALFAOMEGA c05.indd 186 Además de energía, los organismos requieren una fuente de carbono. Los organismos que obtienen el carbono de compuestos inorgánicos (por ejemplo, CO2 en la ecuación 5.19) se llaman autótrofos, cuya traducción libre sería que se alimentan a sí mismos. Esta categoría incluye organismos fotosintéticos (plantas verdes, en las que se incluyen las algas y algunas bacterias) que usan la luz como fuente de energía y nitrifican bacterias que utilizan amoniaco (NH3) como fuente de energía. Los carbohidratos simples que se producen a través de la fotosíntesis (C(H2O) en la ecuación 5.19) y los químicos orgánicos más complejos que se sintetizan más tarde (por ejemplo, almidón, celulosa, grasa y proteína) se agrupan en un término colectivo: materia orgánica. Los organismos que dependen de la materia orgánica que producen otros para obtener carbono se llaman heterótrofos, cuya traducción simple es que se alimentan de los demás. Dicha fuente de carbono podría ser una simple molécula como el metano (CH4) o un químico más complejo como los que se enumeraron antes. Los animales y la mayoría de las bacterias toman su carbono y energía de la materia orgánica y por lo tanto se les clasifica como heterótrofos. La cantidad de materia orgánica presente en un momento dado constituye la biomasa del sistema (g C/L o DW/L, g C/m2 o DW/m2), y la tasa a la que se produce la biomasa es la productividad del sistema (g C/L por día o DW/L por día, g C/m2 por día o DW/m2 por día). La producción primaria se refiere a la generación fotosintética de materia orgánica que hacen las plantas y algunas bacterias; por ejemplo, las algas en los lagos y los campos de cultivo en la tierra. La producción secundaria se refiere a la generación de materia orgánica por parte de organismos no fotosintéticos; esto es, aquellos que consumen la materia orgánica originada por los productores primarios para obtener energía y materiales y a cambio generar más biomasa mediante el crecimiento. Los productores secundarios incluyen zooplancton en los sistemas acuáticos y ganado en la tierra. Lo trófico, o estructura de alimentación, en los ecosistemas se compone de los ambientes abióticos y de tres componentes bióticos: productores, consumidores y descomponedores. Los productores, la mayoría de las veces plantas, asimilan los químicos simples y utilizan la energía del sol para producir y almacenar compuestos complejos, ricos en energía que proveen sustancias y energía a un organismo. Los organismos que comen plantas, y que extraen energía y los bloques químicos que los constituyen para crear sustancias más complejas son consumidores primarios o herbívoros. Aquellos que consumen herbívoros se llaman consumidores secundarios o carnívoros. Es posible que haya niveles tróficos adicionales de carnívoros (terciarios y cuaternarios). Los consumidores que comen plantas y animales se denominan omnívoros. La figura 5.16 ilustra varios niveles nutricionales o tróficos en una simple cadena alimentaria acuática. Se trata de un subconjunto lineal de las relaciones e interacciones más complejas que constituyen una trama alimentaria como la que se muestra en la figura 5.17. De la misma forma, la simple cadena terrestre que se presenta en la figura 5.18 es un subconjunto lineal de la cadena alimentaria correspondiente a la figura 5.19. INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC 8/30/11 2:52:52 PM 5.3 Flujo de energía en los ecosistemas Salmón Eperlano 187 Trucha de lago Pinchagua Sculpin Cisco Coyote Invertebrados bénticos (Mysis, Diporeia) Zooplancton (Daphnia, Cíclopess, Diaptomus, Limnocalanus) Fitoplancton (Cryptomonas, Tabellaria, Rhodomonas, Melosira) Ardilla listada Saltamontes Luz solar y nutrientes orgánicos Figura 5.17 Trama alimentaria del Lago Superior Esta ilustración muestra las interrelaciones más complejas que por lo general se encuentran en un ecosistema. De Mihelcic (1999). Reproducido con autorización de John Wiley & Sons, Inc. 5.3.3 TERMODINÁMICA Y TRANSFERENCIA DE ENERGÍA La primera ley de la termodinámica establece que la energía no se crea ni se destruye, pero puede convertirse de una forma de energía a otra. Si se aplica esto a un ecosistema, la ley indica que ningún organismo puede crear su propio abastecimiento de energía. Por ejemplo, las plantas necesitan el sol para obtener energía y los animales de pastoreo necesitan las plantas (por lo tanto, el sol de manera indirecta). Los organismos utilizan la energía alimentaria que producen o bien la asimilan para satisfacer los requerimientos metabólicos para realizar trabajo, entre los que se incluye el mantenimiento de las células, el crecimiento y la reproducción. Así, los ecosistemas tienen que importar energía, y las necesidades individuales de un organismo deben satisfacerse mediante las transformaciones de dicha energía. La segunda ley de la termodinámica establece que en cada transformación de energía se pierde algo de ella en forma de calor, por lo que deja de estar disponible para realizar trabajo. En la red alimentaria, la transferencia INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC c05.indd 187 Pasto varilla Luz solar y nutrientes inorgánicos Figura 5.18 Cadena alimentaria simple en un ecosistema de pradera representación incluye al productor primario (pasto varilla) y a los consumidores primarios (saltamontes), secundarios (ardilla listada) y terciarios (coyote). Comida, energía, clima y hambre http://www.fao.org/ ALFAOMEGA 8/30/11 2:52:52 PM 188 Capítulo 5 Biología Coyote Aguilucho del norte Estornino Ardilla listada Serpiente rata negra Araña lobo Bisonte Conejo Saltamontes Pasto varilla Girasol Luz solar y nutrientes inorgánicos Figura 5.19 Trama alimentaria simplificada de un ecosistema de la pradera El coyote, identificado como un consumidor terciario y carnívoro en la cadena alimentaria simple (figura 5.18) es considerado como un omnívoro en el contexto de la red alimentaria entera. Aunque la red alimentaria pueda parecer compleja, en realidad es una simplificación del ecosistema verdadero. Dicha red incluye más de 1 000 especies de plantas y animales, lo que subraya la verdadera complejidad de un ecosistema que parece bastante simple al primer vistazo. Basado en la red alimentaria terrestre desarrollada para la pradera Konza en Kansas por el doctor Anthony Joern de Kansas State University. Más información respecto a la energía http://www.wri.org/topics/energy ALFAOMEGA c05.indd 188 ineficiente de energía se ve reflejada como pérdidas (figura 5.20) (potencialmente reciclable mediante el circuito microbiano) y respiración (calor). Debido a tal ineficiencia, hay menos energía disponible para los niveles superiores de la pirámide energética (figura 5.21). Esto explica por qué es necesaria un gran cantidad de productores primarios para sostener a un simple organismo que se encuentre en la cima de la cadena alimentaria. (Por ejemplo, el depredador más importante necesita una gran variedad o INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC 8/30/11 2:52:53 PM 5.3 Flujo de energía en los ecosistemas Figura 5.20 Pérdida de energía en una trama alimentaria Se pierde una parte sustancial de la energía que ingieren los organismos mediante los desechos, la excreción, la muerte y la respiración. Esta transferencia de energía ineficiente tiene un costo en aspectos que van desde el tratamiento de aguas residuales en microbiología hasta el crecimiento de la población mundial. tió n Ingestión es Eg Digestión y asimilación Respiración ció Excre n Energía disponible para los detritívoros Crecimiento y reproducción Mue rte Energía disponible para los consumidores 189 De Mihelcic (1999). Reproducido con autorización de John Wiley & Sons, Inc. Energía utilizada para realizar trabajo o bien perdida en forma de calor y que ya no está disponible para la comunidad Consumidores terciarios Figura 5.21 Pirámide energética que muestra la pérdida de energía mediante los detritívoros y la respiración en un movimiento ascendente de la cadena alimentaria Una fracción sorprendentemente pequeña de la energía original sigue disponible para su transferencia hacia niveles tróficos superiores. Consumidores secundarios Consumidores primarios Descomposición Consumidores primarios Respiración De Mihelcic (1999). Reproducido con autorización de John Wiley & Sons, Inc. un gran territorio para sostener sus necesidades de energía.) La transferencia ineficiente de energía también impone una carga a nuestra capacidad para alimentar a una creciente población mundial, que además consume más calorías y más carne debido al incremento de la riqueza económica. Recuadro / 5.3 La comida que comemos: transferencia ascendente de energía en la cadena alimentaria de los seres humanos En Estados Unidos cada persona consume un promedio anual de 190 libras de carne. Más de 60 millones de personas podrían alimentarse con los granos que se ahorrarían si los estadounidenses disminuyeran su ingestión de carne en tan solo 10%. El lugar que ocupamos en la cadena ali- INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC c05.indd 189 mentaria tiene también otras consecuencias. Tome en cuenta lo siguiente (Goodland, 1997): • Se necesitan siete libras de alimento para ganado para producir una libra de carne de res; en contraste, ciertas ALFAOMEGA 8/30/11 2:52:53 PM 190 Capítulo 5 Biología Recuadro / 5.3 Continuación especies de acuacultura requieren 2 libras de alimento para peces. Además, el ganado es uno de los más grandes productores de metano, un potente gas de efecto invernadero. • En Estados Unidos, 104 millones de cabezas de ganado constituyen el consumidor más grande de granos. • Cultivar un acre de maíz para alimentar ganado toma 535 000 galones de agua. Actualmente en Estados Unidos, entre 70 y 80 por ciento del maíz y de la soya que se cultivan se destinan a la producción de carne. • La agricultura consume la mayor cantidad de agua dulce (si se excluye la producción de electricidad). El 70% de agua dulce que se consume (no se puede recuperar) en el mundo está destinada a la agricul- tura. En el Oeste de Estados Unidos es de 85% más o menos. • Los cultivos que se destinan a la alimentación se cultivan en 11% del total del área de tierra fértil del planeta. • Otro 24% de la tierra se usa para pastoreo, a fin de alimentar al ganado por sus productos lácteos y de carne. • La mayor parte de la tierra de cultivo se ve amenazada por al menos un tipo de degradación (que incluye erosión, salinización y encharcamientos de suelos de irrigación), y 10 millones de hectáreas de tierra productiva se encuentran gravemente dañadas y abandonadas año con año. Los reemplazos de esa tierra para la agricultura son los responsables de 60% de la deforestación que ocurre actualmente en el mundo. 5.4 Demanda de oxígeno: bioquímica, química y teórica El tema de la demanda de oxígeno implica una cantidad significativa de terminología y notación nuevas las cuales se compendian en la tabla 5.7. Tabla / 5.7 Demanda de oxígeno: definición y notación Todos los términos están en unidades de mg O2/L. BOD Demanda bioquímica de oxígeno — La cantidad de oxígeno que utilizan los microorganismos para oxidar materia orgánica de tipo carbónica y nitrogenada. CBOD Demanda bioquímica de oxígeno carbónica — BOD en el que la materia orgánica carbónica dona el electrón. NBOD Demanda bioquímica de oxígeno nitrogenada—BOD en donde la materia orgánica nitrogenada es la que dona el electrón. ThOD Demanda teórica de oxígeno — Cantidad de oxígeno que utilizan los microorganismos para oxidar materia orgánica carbónica y/o nitrogenada, suponiendo que toda la materia orgánica es susceptible de una descomposición microbiana, por ejemplo, que es biodegradable. BOD5 Demanda bioquímica de oxígeno del día 5 — Cantidad de oxígeno consumida (BOD empleada) en un periodo de incubación de cinco días; el promedio estimado del laboratorio de la BOD. El día 5 de la BOD utiliza la notación y5, para referirse a la BOD ejercida (y) por encima de 5 días de incubación. BODU Demanda bioquímica de oxígeno final — Cantidad de oxígeno consumida (BOD empleada) cuando se ha oxidado toda la materia orgánica biodegradable. La BOD final utiliza la notación Lo, para referirse a su potencial de consumo de oxígeno para efectuar la oxidación completa. COD Demanda química de oxígeno — Cantidad de oxidante químico, expresado en equivalente de oxígeno, que se requiere para oxidar por completo una fuente de materia orgánica, COD y ThOD deberían ser casi iguales. ALFAOMEGA c05.indd 190 INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC 8/30/11 2:52:53 PM 5.4 Demanda de oxígeno: bioquímica, química y teórica 5.4.1 DEFINICIÓN DE BOD, CBOD Y NBOD Discusión en clase (5.29) om ega.c om .mx/h En estas reacciones redox con participación microbiana, los que donan los electrones son C(H2O) y NH4+ y el que acepta el electrón es el O2. Se consume oxígeno en ambas reacciones. Por lo tanto, se puede definir la demanda bioquímica de oxígeno (BOD) como la cantidad de oxígeno que usan los microorganismos para realizar la oxidación. La BOD mide la “fuerza” del agua o del agua residual: mientras mayor sea la concentración de amoniaco-nitrógeno o de carbono orgánico degradable, mayor la BOD. Las reacciones que se describen en las ecuaciones 5.28 y 5.29 se distinguen con base en el compuesto que ha sido la fuente del electrón donado: carbonífera y nitrogenada. La fuerza química (mg C(H2O)/L o mg NH3−N/L) se expresa aquí en términos de su impacto en el medio ambiente (oxígeno consumido, en mg BOD/L). Esto es representación por efecto, como se expuso en el capítulo 2. El oxígeno disuelto es un requisito clave para la integración de los organismos que se encuentran asociados en un ecosistema diverso y en equilibrio. A menudo, los desechos domésticos e industriales contienen altos niveles de BOD, que si se descargaran sin haber sido tratados, agotarían las reservas de oxígeno y reducirían la diversidad de la vida acuática de forma grave. Para prevenir la degradación de las aguas que recibirán tales descargas, se han construido sistemas en los que se controlan cuidadosamente la BOD y el oxígeno, la disponibilidad de las poblaciones microbianas que median el proceso y la tasa a la que se efectúan las oxidaciones (ecuaciones 5.28 y 5.29). La eficiencia con la que se retira BOD es uno de los requisitos más importantes para los permisos de descarga de las plantas de tratamiento de aguas. l.alfa NH 4 + + 2HCO 3 - + 2O2 : NO 3 - + 2CO2 + 3H 2O + ¢ ua Los quimioautótrofos son los organismos que utilizan CO2 como fuente de carbono y de energía, y por lo general consumen oxígeno al obtener esa energía. Un ejemplo de quimioautotrofismo es la nitrificación, la conversión microbiana del amoniaco en nitrato (en la que el ion del bicarbonato contribuye con el CO2): : / /v i r t (5.28) Con base en la información del recuadro 5.3, ¿qué tipo de régimen alimenticio minimizaría el impacto medioambiental provocado por el consumo de comida? ¿Qué tipo de dieta causa un mayor uso de agua y de energía basada en combustibles fósiles? Alimentar el ganado con pastos naturales o con maíz, ¿consume menos agua o causa una menor erosión del suelo? ¿Es más saludable este tipo de comida? ¿Por qué? Bajo una perspectiva de ciclo de vida, ¿cuáles son los beneficios, en cuanto a sustentabilidad, de comprar comida de fuentes locales? ttp Los organismos obtienen la energía que necesitan para mantener sus funciones metabólicas, crecimiento y reproducción de los procesos de fermentación y respiración. Tanto la materia orgánica como la inorgánica pueden servir como fuentes de dicha energía. Los organismos quimioheterótrofos son los que utilizan la materia orgánica —C(H2O)— como fuente de carbono y de energía y, bajo condiciones aerobias, para obtener tal energía consumen oxígeno: C(H 2O) + O2 : CO 2 + H 2O + ¢ 191 Análisis de la demanda bioquímica de oxígeno 5.4.2 FUENTES DE BOD Plantas y animales utilizan los carbohidratos simples que se producen mediante fotosíntesis para sintetizar químicos más complejos cuya base es el carbono como azúcares y grasas. Los organismos utilizan estos compuestos como fuente de energía y liberan demanda de oxígeno carbónica (CBOD), ecuación 5.28. Además, las plantas usan el amoniaco para producir proteínas, es decir, químicos complejos de cuya base es el carbono y cuya estructura incluye grupos de aminoácido (—NH2). Al final, las proteíINGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC c05.indd 191 ALFAOMEGA 8/30/11 2:52:53 PM 192 Capítulo 5 Biología HCOH HOCH HCOH COOH COOH CHO H C CH2 H CH2 NH2 Glicina CH2 HCOH CH2 CH2OH Glucosa CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 CH3 Ácido palmítico Figura 5.22 Estructura química de compuestos representativos carboníferos y nitrogenados Las aguas residuales municipales contienen un gran número de diferentes químicos orgánicos, entre los que se incluyen azúcares (20-25%), aminoácidos (40-60%) y ácidos grasos (10%). Adaptado de Metcalf y Eddy (1989); ilustración de Mihelcic (1999). Reproducido con autorización de John Wiley & Sons, Inc. Tabla / 5.8 Demanda bioquímica de oxígeno (BOD) de una selección de arroyos Origen BOD del día 5 (mg O2/L) Río 2 Agua residual doméstica 200 Manufacturera de papel y pulpa 400 Lavanderías comerciales 2 000 Fábrica de azúcar de remolacha 10 000 Peletería 15 000 Destilería 25 000 Embotelladora de latas de soda de cereza 55 000 FUENTE: Nemerow, 1971. ALFAOMEGA c05.indd 192 nas se degradarán (proteólisis) en péptidos y luego en aminoácidos. Este proceso de degradación de aminos continúa descomponiendo los aminoácidos y da lugar al esqueleto del carbono (CBOD) y de un grupo amino. El proceso de degradación se completa con la conversión del grupo amino en amoniaco (amonificación). Entonces, el amoniaco se encuentra disponible para emplear demanda de oxígeno nitrogenado (NBOD), ecuación 5.29, en el caso de que sea utilizado por los microorganismos. La figura 5.22 ilustra la estructura química de algunos compuestos carboníferos y nitrogenados. Las aguas residuales domésticas y muchos desechos industriales son sumamente ricos en materia orgánica comparados con el agua natural. En las aguas negras, las proteínas y los carbohidratos constituyen 90% de la materia orgánica. La fuente la constituyen las heces y la orina de los seres humanos; los desechos alimenticios de los fregaderos; tierra y suciedad de duchas, bañeras y lavadoras; además de varios tipos de jabón, detergente y otros productos de limpieza. Los desechos de ciertas industrias, como las destilerías, las embotelladoras de latas y los productores de pulpa y papel también tienen altos niveles de materia orgánica. La tabla 5.8 presenta valores de BOD para algunos desechos representativos. Incluso las aguas no contaminadas contienen alguna BOD vinculada con la materia orgánica carbónica y nitrogenada derivada de los litorales y de las aguas en sí mismas (por ejemplo, de algas en descomposición y macrófagos, basura proveniente de las hojas de los árboles y materia fecal de organismos acuáticos). Los niveles de oxígeno disuelto en las aguas superficiales —excluyendo aquellos con exceso de fotosíntesis de las algas y su inherente producción de O2— a menudo están por debajo del nivel de saturación debido a su BOD “natural”. 5.4.3 DEMANDA TEÓRICA DE OXÍGENO La demanda teórica de oxígeno (ThOD), dada en mg O2/L, se calcula a partir de la estequiometría de las reacciones de oxidación que están implicadas. Un enfoque general para calcular la ThOD carbonífera (ecuación 5.28) es la que se muestra en el proceso de tres pasos de la tabla 5.9. Su cálculo es similar al de oxidación del amoniaco (NH4⫹ en la ecuación 5.29) en nitrato: se consumen 2 moles (o 64 g) de oxígeno por cada mol (o 14 g) de amoniaco-nitrógeno oxidado. Advierta que el amoniaco se reporta como mg N/L en 14 g/mol, no como el amoniaco (17 g/mol) ni el amonio (18 g/mol). El coeficiente estequiométrico de oxidación de los desechos nitrogenados es por lo tanto 64/14 o 4.57. Un desecho que contenga 50 mg/L de NH3⫺N tendría un ThOD nitrogenado de 229 mg/L. Para determinar la ThOD total de un caudal de desechos que contenga múltiples químicos (por ejemplo, amoniaco y materia orgánica), sume las contribuciones de los compuestos que lo componen (vea el ejemplo 5.6). La estequiometría para la oxidación del amoniaco es invariable (y la ecuación 5.29 se sostiene como válida en todos los casos) porque el amoniaco-nitrógeno está presente sólo en una forma y el nitrógeno presenta una sola valencia. Éste no es el caso de los compuestos cuya base es el carbono (la ecuación 5.28 no se sostiene en todos los casos), ya que existe una amplia variedad de formas que tienen carbono con varias valencias. Por esta razón, la reacción estequiométrica de cada compuesto que tiene como base el carbón debe inspeccionarse y deben balancearse las ecuaciones de oxidación de manera individual. INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC 8/30/11 2:52:53 PM 5.4 Demanda de oxígeno: bioquímica, química y teórica 193 Tabla / 5.9 Pasos para calcular la demanda teórica de oxígeno carbonífera (ThOD) Paso Descripción del paso Ejemplo Paso 1 Escriba la ecuación y describa la reacción para la oxidación de la química de base de carbono en bióxido de carbono y agua (ejemplo, para el benceno, C6H6). C6H 6 + O2 : CO2 + H 2O Paso 2 Balancee la ecuación siguiendo la secuencia: (a) balancee el número de átomos de carbono, (b) balancee el número de átomos de hidrógeno y, (c) balancee el número de átomos de oxígeno. Para el benceno, a) coloque un 6 junto al CO2 para balancear el carbono; b) coloque un 3 junto al H2O para balancear el hidrógeno y, (c) coloque un 7.5 junto al oxígeno para balancear el oxígeno: Use la estequiometría de la reacción química balanceada, aplique las unidades de conversión para determinar la DOT carbonífera. Suponga que la concentración inicial del benceno = 156 mg/L: Paso 3 e j e m p l o / 5.6 C6H 6 + 7.5O2 : 6CO2 + 3H 2O 156 mg de benceno L * 480 mg de O 2 32 g O2 7.5 mol de O 2 1 mol de benceno = * * 78 g de benceno mol de benceno mol de O2 L Determinación de ThOD carbonífera, nitrogenada y total Un desecho contiene 300 mg/L de C(H2O) y 50 mg/L de NH3−N. Calcule la ThOD carbonífera, la ThOD nitrogenada y la ThOD total. solución Si necesita revisar el proceso de escritura del balanceo de una ecuación que describa la oxidación de C(H2O) a CO2 en agua, puede consultar la tabla 5.9. C(H 2O) + O2 : CO2 + H 2O La reacción muestra que se necesita 1 mol de oxígeno para oxidar cada mol de C(H2O). La ThOD carbonífera se determina a partir de la estequiometría siguiente: 300 mg C(H 2O) * * 32 g O2 mol O 2 * g 1 000 mg 1 000 mg g INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC c05.indd 193 * 1 mol O2 1 mol C(H 2O) * mol C(H 2O) 30 g C(H 2O) = 320 mg/L ALFAOMEGA 8/30/11 2:52:53 PM 194 Capítulo 5 Biología e j e m p l o / 5.6 Continuación Enseguida, escriba la ecuación balanceada que describe la oxidación de amoniaco-nitrógeno a nitrato: NH 3 + 2O2 : NO 3 - + H + + H 2O Esta reacción muestra que se requieren 2 mol de oxígeno para oxidar cada mol de NH3. Tome en cuenta que la concentración de amoniaco se reporta como mg N/L, no mg NH3/L. La ThOD nitrogenada se determina con la estequiometría siguiente: 50 mg NH 3 - N/L * * g 1 000 mg * 1 mol NH 3 - N 14 g NH 3 - N 1 000 mg 32 g O2 2 mol O2 * * = 229 mg/L g mol NH 3 - N mol O2 El total de ThOD del desecho es igual a 320 ⫹ 229 ⫽ 549 mg/L. 5.4.4 CINÉTICA BOD iStockphoto. ALFAOMEGA c05.indd 194 El cálculo de ThOD define cuánto oxígeno se requiere para completar la oxidación de amoniaco-nitrógeno en nitrato-nitrógeno o de un compuesto de base carbono en bióxido de carbono y agua. Sin embargo, la ThOD no brinda ninguna información relacionada con la probabilidad de que la reacción se efectúe por completo. En el caso de la BOD nitrogenada, esto no es un problema, porque el amoniaco-nitrógeno se oxida rápidamente y la demanda teórica de oxígeno y la nitrogenada son, de hecho, idénticas. En contraste, los microorganismos no oxidan fácil ni completamente los compuestos carboníferos (biodegradación), y la tasa de oxidación puede variar mucho entre las diferentes fuentes de materia orgánica. Por ejemplo, los compuestos que contienen carbono presentes en un vaso de poliestireno no son tan biodegradables como los que se encuentran en las hojas de los árboles, y ambos son menos biodegradables que los compuestos de carbono que constituyen el azúcar. Por lo tanto, aunque la masa de carbono esté presente en el azúcar o en las hojas de los árboles o en el poliestireno, no tienen la misma ThOD, su demanda de oxígeno real puede ser sustancialmente diferente. Más aún, la mayoría de los desechos son una mezcla compleja de químicos (por decir, poliestireno ⫹ hojas de los árboles ⫹ azúcar) que están presentes en cantidades variables, y cada uno de ellos tiene un nivel de biodegradabilidad diferente. La BOD cinética aborda esta característica de los desechos que demandan oxígeno. Considere la oxidación de materia orgánica como una función del tiempo, como se muestra en la figura 5.23. En la figura 5.23a yt es la CBOD que se emplea (oxígeno consumido en mg O2/L), en cualquier momento t. En t ⫽ 0, no se emplea ninguna CBOD (yt ⫽ 0 ⫽ 0), y todo el potencial de consumo de oxígeno permanece (Lt ⫽ 0 ⫽ L0 el más reciente CBOD). A medida que comienza el proceso de oxidación, se consume oxígeno (se emplea CBOD y yt se incrementa), y al potencial para consumir oxígeno se reduce (la CBOD que queda, Lt, disminuye). La tasa a la cual se emplea la CBOD es rápida en INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC 8/30/11 2:52:54 PM CBOD que se emplea, y (mg O2/L) 5.4 Demanda de oxígeno: bioquímica, química y teórica 195 100 80 60 40 20 0 0 10 20 Tiempo (días) 30 40 0 10 20 Tiempo (días) 30 40 a) CBOD que queda, L (mg O2/L) 100 80 60 40 20 0 b) Figura 5.23 Oxidación bioquímica de materia orgánica en función de tiempo a) CBOD que se emplea, y y b) CBOD que queda, L, en función del tiempo. Mihelcic (1999). Reproducido con autorización de John Wiley & Sons, Inc. un principio, pero más tarde disminuye su velocidad y finalmente se aproxima a cero a medida que toda la materia orgánica biodegradable se ha oxidado. La cantidad total de oxígeno que se consume al oxidar los desechos es la CBOD final (L0). El declive exponencial de la CBOD que queda (L, el potencial para consumir oxígeno), que se ilustra en la figura 5.23b, puede modelarse como un decaimiento de primer orden. dL = - kLL dt (5.30) en donde kL es el coeficiente de reacción de CBOD (día−1). Se integra la ecuación 5.30 para dar lugar a la expresión analítica que se muestra en la figura 5.23b: Lt = L0e( - kLt) INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC c05.indd 195 (5.31) ALFAOMEGA 8/30/11 2:52:54 PM 196 Capítulo 5 Biología Advierta que yt, la CBOD que se emplea en un momento dado t (vea la figura 5.23a), está dada por la diferencia entre la CBOD final y la CBOD que queda: yt = L0 - Lt (5.32) Al sustituir la ecuación 5.31 por la ecuación 5.32 da lugar a: yt = L0(1 - e - kLt) (5.33) Se arregla para dar lugar a la expresión para la CBOD final: L0 = yt (5.34) (1 - e - kLt) Tanto en los sistemas naturales como en los de ingeniería se utiliza la ecuación 5.31 para pronosticar el cambio de CBOD con el tiempo. La ecuación 5.32 se puede utilizar para convertir medidas de laboratorio de CBOD (CBOD5, que se abordará después) a la CBOD final. La NBOD se comporta de manera casi idéntica. El empleo de NBOD sigue la cinética de primer orden, y aplican las ecuaciones 5.30 a la 5.34, si se sustituye n, N y kN por y, L y kL respectivamente. Se puede calcular la NBOD final (N0) a partir del contenido de amoniaco-nitrógeno de la muestra, con base en la estequiometría de la ecuación 5.28 (4.57 mg O2 consumido por mg NH3-N oxidado). Como se muestra en la figura 5.24, el empleo de la NBOD comienza mucho después que la CBOD debido a las diferencias en la tasa de crecimiento de los organismos implicados. 5.4.5 COEFICIENTE CBOD Figura 5.24 Primera etapa (CBOD) y segunda etapa (NBOD) de la demanda bioquímica de oxígeno El empleo que se hace de la demanda nitrogenada se retrasa con respecto a la carbonífera porque los organismos que nitrifican crecen más lentamente que los que derivan su energía del carbono orgánico. Mihelcic (1999). Reproducido con autorización de John Wiley & Sons, Inc. ALFAOMEGA c05.indd 196 BOD empleado, y/n (mg O2/L) La velocidad de reacción o coeficiente, kL, utilizada en los cálculos de CBOD, es una medida de biodegradabilidad de un desecho. En las figuras 5.25a y 5.25b se ilustra la relación entre kL y la velocidad a la que se emplea la CBOD (dy/dt) y el consumo (dL/dt), respectivamente. La tabla 5.10 muestra los rangos típicos para este coeficiente. La reducción en la magnitud de kL que se presenta al comparar aguas negras sin tratar con aguas negras tratadas y agua de río sin contaminar refleja las reducciones progresivas de la inestabilidad (biodegradación) del carbono orgánico. Al igual que con otros procesos en los que hay participación microbiana, los valores de la velocidad de reacción de CBOD y la NBOD varían con la temperatura. 160 NBOD 120 CBOD 80 BOD Total = CBOD + NBOD 40 0 0 10 20 30 40 50 Tiempo (días) INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC 8/30/11 2:52:55 PM 5.4 Demanda de oxígeno: bioquímica, química y teórica 197 CBOD empleado, y (mg O2/L) 100 0.5 0.2 80 0.1 60 40 20 0 0 20 Tiempo (días) 10 a) 30 40 30 40 CBOD que queda L (mg O2/L) 100 80 60 40 0.1 20 0.2 0.5 0 0 10 b) 20 Tiempo (días) Figura 5.25 Variaciones en la velocidad a la cual se estabiliza la materia orgánica, reflejadas en la constante de velocidad de reacción, kL. a) CBOD empleado, y(mg/L), que muestra efectos en la variación de kL. b) CBOD que queda L (mg/L), que muestra efecto en la variación de kL. Mihelcic (1999). Reproducido con autorización de John Wiley & Sons, Inc. Valores de la CBOD para el coeficiente de reacción que puede determinarse experimentalmente en el laboratorio mediante el método de la pendiente Thomas. Las mediciones de la CBOD que se emplean (yt) se llevan a cabo diariamente durante 7 a 10 días. Se calculan los valores para el parámetro (t/y)1/3 respecto a t, de acuerdo con la ecuación 5.35: kL = 6.01 pendiente intersecan (5.35) 5.4.6 BOD: MEDICIONES, APLICACIÓN Y LIMITANTES No hay ningún método de análisis disponible para mediar la BOD directamente. Es necesario apelar a los propios organismos que por naturaleza emplean la demanda de oxígeno para efectuar un bioensayo. En él, se incuban durante varios días las muestras de agua en un medio ambiente controINGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC c05.indd 197 Tabla / 5.10 Rango de valores de la velocidad de reacción de la CBOD Tipo de muestra kL (día⫺1) Aguas negras municipales sin tratar 0.35–0.70 Aguas negras municipales tratadas 0.10–0.35 Agua de río sin contaminar ⬍0.05 FUENTE: Valores de Davis y Cornwell, 1991; Chapra, 1997. ALFAOMEGA 8/30/11 2:52:55 PM 198 Capítulo 5 Biología Tabla / 5.11 Condiciones favorables para la prueba de demanda bioquímica de oxígeno (BOD) Condición Descripción Presencia de microorganismos adecuados Típicamente, las abundantes aguas negras domésticas tratadas y la gran mayoría de las aguas naturales, las poblaciones microbianas están ausentes en muchos desechos industriales o desinfectados y en algunas aguas naturales. En tal caso, se pueden comprar microbios o se pueden obtener de las plantas de tratamiento de aguas y agregarlos a la muestra como “semilla”. Condiciones de incubación favorables y consistentes Se incuban las muestras a 20° C para impulsar la actividad microbiana (la respiración depende de la temperatura) y para facilitar la comparación de resultados entre los lugares de donde se toma la muestra y los laboratorios que realizan los ensayos. Se agrega una dilución de agua aireada para asegurarse de que el oxígeno no se agote por completo antes de terminar el periodo de incubación. La dilución de agua puede contener nutrientes inorgánicos (Fe, N y P) que requieren los microbios. Algunos desechos pueden ser tóxicos para los microorganismos debido a pH extremos o a la presencia de químicos como metales pesados. Se puede ajustar el pH y se puede agregar agua diluida para reducir o eliminar la toxicidad. El bioensayo de BOD se debe efectuar en la oscuridad para inhibir la producción de oxígeno mediante fotosíntesis en caso de que haya algas, como ocurre con muchas muestras provenientes de aguas naturales. Separación de CBOD y NBOD La prueba estándar de BOD mide la CBOD y la NBOD. Algunas veces es necesario separar los dos procesos debido al diseño de la planta o para apoyar la operación. Se puede agregar algún químico a la muestra de agua para inhibir la nitrificación, lo que da lugar a la CBOD como único resultado de ensayo. La NBOD puede determinarse entonces a partir de un análisis en el que no se haya agregado ningún inhibidor. En un ensayo inhibido se reportan los resultados como CBOD; sin inhibidor adicional, los resultados se reportan como BOD. lado y se monitorea el consumo de oxígeno. Se han de establecer las condiciones para la prueba de manera que los microorganismos vivan en un medio ambiente favorable para la oxidación de amoniaco y de carbono orgánico (empleo de BOD) como se describe en la tabla 5.11. El empleo acumulativo de BOD durante el transcurso del ensayo se describe claramente en la curva de la figura 5.24. La tasa a la que se emplea BOD disminuye con el tiempo (a medida que la materia orgánica se consume), y el consumo acumulativo se aproxima en forma de asíntota al valor máximo (la BOD última, en mg O2/L) después de varios días. Como se muestra en la figura 5.24, toma aproximadamente 30 días alcanzar 95% de la BOD final (en donde kL ⫽ 0.1/día). Tal periodo de espera es impráctico si se trata de resultados que se necesitan para la operación de una planta de tratamiento de aguas, así que un ensayo más corto, de 5 días, se ha convertido en estándar. Aquí, sólo se emplea 60% aproximadamente de la BOD total, pero se puede obtener una estimación precisa de la BOD final si se aplica la ecuación 5.33 y un valor de la medida de los 5 días para kL. e j e m p l o / 5.7 Determinación de laboratorio de CBOD Se colocan 15 mL de una muestra de aguas residuales en una botella estándar de 300 mL BOD, y se llena la botella con una dilución de agua. La botella tenía una concentración de oxígeno disuelto inicial de 8 mg/L y una concentración de oxígeno disuelto final de 2 mg/L. Una botella llena con ALFAOMEGA c05.indd 198 INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC 8/30/11 2:52:55 PM 5.4 Demanda de oxígeno: bioquímica, química y teórica e j e m p l o / 5.7 199 Continuación una dilución de agua que se prueba en paralelo no muestra ningún cambio en el oxígeno disuelto durante el periodo de incubación de 5 días. El coeficiente de velocidad de reacción BOD del desecho es 0.4/día. Calcule la BOD de 5 días (y5) y la final (L0) del agua residual. solución La BOD de 5 días (y5) es la cantidad de oxígeno que se consume en un periodo de 5 días corregida por la dilución de la muestra original. Esto se puede escribir de la siguiente manera: y5 = 3DOinicial - DOfinal4 c muestra en mL volumen total de la prueba = d c 8 mg O2 L c - 2 mg O2 L 15 mL d 300 mL d = 120 mg O2 L Entonces, se aplica la ecuación 5.33, en donde t ⫽ 5 y kL ⫽ 0.4/ día para determinar la BOD final: L0 = y5 (1 - e( - kLt)) e j e m p l o / 5.8 = 138 mg O2 120 = L (1 - e( - 0.4>día * 5 día) ) Investigación en la escena del crimen (CSI) para ingenieros medioambientales: la ciencia forense del agua residual Un camión de desperdicios descargó desechos industriales en un hoyo de grava hacia la medianoche. Se le divisó tres días antes y ahora queda un charco de puros desechos. Un técnico de laboratorio determinó que los desperdicios tienen una BOD de 5 días de 80 mg/L y una velocidad de reacción de 0.1/día. Hay tres fábricas aledañas que generan desperdicios orgánicos: de vino (BOD final = 275 mg/L), de vinagre (BOD final = 80 mg/L) y una compañía farmacéutica (BOD final = 200 mg/L). Determine la fuente del desperdicio. solución Se puede calcular la BOD final de los desechos de la siguiente manera: L0 = y5 ( - KLt) = 80 mg>L ( - 0.1>día * 5 día) = 203 mg O2 L 1 - e 1 - e El valor más cercano coincide con el de la compañía farmacéutica, pero no es congruente porque no toma en cuenta el hecho de que el desperdicio ha estado lejos de su fuente (y ha estado decayendo) durante 3 días. La BOD final original se puede calcular así L t = L 0 * e - k Lt INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC c05.indd 199 ALFAOMEGA 8/30/11 2:52:55 PM 200 Capítulo 5 Biología e j e m p l o / 5.8 Continuación Arreglar y resolver: L0 = Lt e - kLt = 203 mg>L e(-0.1>día * 3 día) = 274 mg O2 L El camión de la medianoche resultó ser de la fábrica de vino. 5.4.7 PRUEBA BOD: LIMITANTES Y ALTERNATIVAS Aunque la prueba de BOD de los 5 días sigue siendo una herramienta fundamental en el tratamiento de desechos y en la evaluación de la calidad del agua, existen preocupaciones en torno a su logística y precisión que han conducido a propuestas para reemplazarla por otras medidas. Si bien su realización es relativamente simple, tiene tres desventajas importantes: 1) el tiempo que se necesita para obtener resultados (5 días es casi inconcebible en el mundo de hoy que recaba datos en tiempo real); 2) el hecho de que no pueda medir de manera precisa caudales de desechos que se degraden por periodos de más de 5 días y, 3) la imprecisión inherente del procedimiento, que se debe en gran parte a la variabilidad de la semilla (bacteria). Otros analitos, como el carbono orgánico total (TOC), son más atinados y brindan mejor precisión pero fallan en distinguir efectivamente el carbono orgánico biodegradable del no biodegradable —que es precisamente el objetivo inicial de la prueba de BOD—. Más aún, no puede utilizarse la prueba de BOD para evaluar la eficacia de un tratamiento de desechos que no se han degradado de manera eficaz o que son tóxicos. Aquí, se aplica una prueba diferente, una para la demanda química de oxígeno (COD). En esta prueba se pone en un matraz de 250 mL una muestra que contenga una cantidad desconocida de materia orgánica. Se añaden AgSO4 (un catalizador para asegurar la completa oxidación de la materia orgánica); un ácido fuerte (H2SO4), dicromato (Cr2O72⫺, que es un fuerte agente oxidante); y, HgCl2 (para proveer el ion Hg2⫹ que hace complejo al ion cloruro, Cl⫺). El ion cloruro interfiere con la prueba y está presente en grandes cantidades en numerosas muestras de aguas residuales. La razón es que se puede oxidar en Cl0 con bicromato así como con materia orgánica. Sin embargo, la forma compleja de Cl⫺ no se oxida. Por lo tanto, si se permite Cl⫺ no complejo que se oxide en Cl0, se puede tener como resultado un falso positivo del valor de COD. Se combina la muestra con todos los agentes y se somete a reflujo durante 3 horas. La materia orgánica se oxida (dona electrones) y el cromo se reduce (acepta electrones) de la forma hexavalente (Cr6⫹) a la forma trivalente (Cr3⫹). Por lo tanto, la prueba de COD determina cuánto cromo hexavalente se reduce durante la prueba. Una vez que la mezcla se ha enfriado a temperatura ambiente, se determina el bicromato que permanece en el sistema por titulación con sulfato ferroso de amonio. Se relaciona entonces la cantidad de cromo hexavalente con la cantidad de materia orgánica que se oxidó. Los resultados se expresan en equivalentes de oxígeno (mg O2/L), esto es, la cantidad de oxígeno que se requiere para oxidar por completo el desecho. La prueba es relativamente rápida (3 horas), y la correlación con la BOD5 es ALFAOMEGA c05.indd 200 INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC 8/30/11 2:52:55 PM 5.5 Flujo de material en los ecosistemas 201 fácil de establecer de un caudal de aguas negras en particular. Por ejemplo, las aguas residuales municipales tienen una proporción de 0.4 a 0.6. Comparar los resultados de la BOD y de la COD ayuda a identificar si existen condiciones tóxicas en un caudal de aguas negras o indicar la presencia de desperdicios que sean biológicamente resistentes (refractarios). Por ejemplo, una proporción BOD5/COD que se aproxime a 1 puede indicar un material altamente biodegradable, mientras que una proporción que se acerque a 0 indica un material difícilmente biodegradable. 5.5 Flujo de material en los ecosistemas El paso natural de químicos mediante los organismos ocurre en el seno de ciclos biogeoquímicos. Cinco químicos son de particular importancia en la ingeniería medioambiental: C, O, N, P y S. Además, interesa el ciclo hidrológico (vea el capítulo 9) porque juega un importante papel en el movimiento de los elementos químicos a través de lo ecosfera. Esta sección considera cada uno de estos ciclos clave. Advierta que los seres humanos usan y reciclan un número mucho más grande de elementos químicos en aplicaciones industriales que los que existen en los organismos vivos. Esto puede afectar el medio ambiente por la extracción de elementos exóticos, por la concentración de estos químicos que antes se encontraban dispersos y porque la exposición a elevadas concentraciones a menudo pueden dañar las funciones normales de seres humanos y sistemas naturales. 5.5.1 CICLOS DE OXÍGENO Y DE CARBONO El ciclo de oxígeno y el ciclo del carbono se encuentran estrechamente ligados por los procesos de fotosíntesis (ecuación 5.19) y de respiración (ecuación 5.20). La fotosíntesis es la fuente primaria en el ciclo del oxígeno y el origen del carbono orgánico que se ha transformado en bióxido de carbono en el ciclo del carbono. La respiración es el pozo principal en el ciclo del oxígeno y es el responsable de la conversión de carbono orgánico a bióxido de carbono en el ciclo del carbono. Las plantas y algunas bacterias llevan a cabo la fotosíntesis, y todos los organismos, incluso aquellos que realizan fotosíntesis, llevan a cabo la respiración. La interrelación entre la fotosíntesis y la respiración juega un papel clave en la regulación de los equilibrios de energía en un ecosistema y en el mantenimiento de los niveles de oxígeno necesarios para la vida en medio ambientes acuáticos. La figura 5.26 describe cómo los seres humanos han alterado el ciclo de carbono natural. 5.5.2 CICLO DEL NITRÓGENO Las transformaciones biogeoquímicas que personifica el ciclo del nitrógeno (figura 5.27) son importantes en los sistemas naturales y en los de ingeniería. Como resultado de su colaboración con bacterias y plantas, muchas de las características del ciclo del nitrógeno están relacionadas con los ciclos de oxígeno y carbono. Las plantas toman y utilizan nitrógeno en forma de amoniaco o nitrato, químicos que típicamente se encuentran en escasas cantidades en los suelos de cultivo, por lo que requieren fertilización. Algunas bacterias y algunas especies de plantas (como las legumbres y el clavo) pueden también usar nitrógeno atmosférico (N2) para convertir el amoniaco mediante el proceso de fijación de nitrógeno. Las plantas incorporan amoniaco y nitrato INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC c05.indd 201 ALFAOMEGA 8/30/11 2:52:56 PM 202 Capítulo 5 Biología a) Ciclo natural Almacén atmosférico 730 Pg 120 Pg/año 90 Pg/año Almacén terrestre Suelo: 1 500 Pg Plantas: 500 Pg Almacén oceánico 38 000 Pg b) Perturbaciones humanas Combustión de combustibles fósiles y producción de cemento Atmósfera 5.4 Pg/año 1.9 Pg/año 1.7 Pg/año 1.9 Pg/año Absorción terrestre Cambio del uso de suelo Absorción oceánica Figura 5.26 Ciclo del carbono bajo condiciones naturales y bajo las modificaciones que causan las perturbaciones de origen humano a) Ciclo natural del carbono, que mantiene una reserva relativamente constante de carbono en el aire y presenta transferencias equilibradas entre los compartimientos. b) Emisiones antropogénicas de carbono que se agregan a la reserva de la atmósfera a tasas que no se equilibran por la absorción terrestre ni oceánica. El resultado es un incremento en las concentraciones atmosféricas de CO2. Snoeyink y Jenkins, Water Chemistry, 1980. Reproducido con autorización de John Wiley & Sons, Inc. (De Mihelcic (1999). Reproducido con autorización de John Wiley & Sons, Inc.) ALFAOMEGA c05.indd 202 Fi ja ci ón os Nit rob a cte r i as Nitrato _ NO3 de ni tró ge NO no N2O ificación Figura 5.27 El ciclo del nitrógeno Reducción de nitrat es nitr ón aci ific nio) on amo m A es n ( io n ció ) ina tesis m n A osí i (b Nitrógeno orgánico (aminoácidos, aminas) ción Nitrito _ NO2 D Amoniaco (NH4+ +NH3) Nitrifica Nitrosomonas N2 INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC 8/30/11 2:52:56 PM 5.5 Flujo de material en los ecosistemas N orgánico (NH4 + / NH3) Aguas residuales sin tratar NH4+ /NH3→NO2– → NO3– Sedimentación primaria Combinación de oxidación y nitrificación de carbono orgánico – NO3 Figura 5.28 Configuración de una planta municipal de tratamiento de aguas negras convencional para retirar nitrógeno → N2(g) Desnitrificación anóxica 203 Sedimentación secundaria De Mihelcic (1999). Reproducido con autorización de John Wiley & Sons, Inc. O2 Reciclado a una variedad de compuestos orgánicos, como las proteínas y los ácidos nucleicos, críticos para las funciones metabólicas. Los compuestos nitrogenados que están presentes en los organismos se liberan hacia el medio ambiente a través de la excreción y la muerte, ya sea en la naturaleza o en forma de desechos humanos. El nitrato es un importante nutriente que contribuye al crecimiento de las plantas y puede ser el nutriente limitante en algunos sistemas, especialmente en el medio ambiente marino en las costas. Las descargas a las aguas superficiales pueden provocar un crecimiento dañino de las algas y llegar a crear problemas de calidad del agua como el agotamiento del oxígeno. La figura 5.28 describe el ciclo del oxígeno que comúnmente se observa en una planta municipal de tratamiento de aguas residuales. En un primer paso, el aumento de amoniaco, el N orgánico (por ejemplo, las proteínas) se convierten en amoniaco (NH4+/NH3). El siguiente paso implica la transformación del amoniaco en nitrito (NO 2⫺) (mediante la bacteria del genus Nitrosomonas) y luego a nitrato (NO 3⫺) (mediante la bacteria del genus Nitrobacter), proceso denominado nitrificación. Este paso requiere de la presencia de oxígeno. El nitrato puede transformarse en gas nitrógeno mediante el proceso de desnitrificación, en el que se convierte en gas nitrógeno con su consecuente liberación a la atmósfera. Esta transformación microbiana se realiza bajo condiciones anóxicas. 5.5.3 CICLO DEL FÓSFORO Los minerales que contienen fósforo son poco solubles, por lo que la mayor parte de las aguas superficiales contienen muy poco de este importante nutriente para las plantas de manera natural. Cuando se extrae fósforo y se incorpora con agentes limpiadores y fertilizantes, el ciclo biogeoquímico (la conducción del elemento a través del medio ambiente) se acelera sobremanera. Su consecuente descarga en lagos y ríos, en donde el fósforo es el nutriente limitante, puede estimular un dañino crecimiento de algas y eutrofización (que se abordará en el capítulo 8), lo que provoca lagos desagradables y no disponibles para varios usos. Por lo tanto, retirar el ciclo del fósforo es una característica importante del proceso de tratamiento de aguas de un cauce. 5.5.4 CICLO DEL AZUFRE Tal como el ciclo del oxígeno y del nitrógeno, el ciclo del azufre (figura 5.29) es en gran parte mediado de manera microbiana y por lo tanto está asociado al ciclo del carbono. El azufre llega a lagos y ríos como S orgánico, incorporado a materiales como proteínas, y como S inorgánico, principalmente como sulfato (SO42⫺). INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC c05.indd 203 ALFAOMEGA 8/30/11 2:52:56 PM 204 Capítulo 5 Biología Figura 5.29 Ciclo del azufre La reducción del sulfato (SO42⫺) en ácido sulfhídrico (H2S) puede provocar problemas de olor en los sistemas de recolección de aguas residuales y de plantas de tratamiento. La oxidación del azufre reducido puede conducir a la acidificación y decoloración de las aguas superficiales. R-SH A 2– SO4 sim n ció il a Sulfato Sulfuro S 2– HS– O ac ió n S° Azufre elemental H2S(aq) H2S(g) i ón ac d i Ox Bacteria autótrofa Bacteria fotosintética ega.c om .mx/h ttp l.alfa ac i ón Oxidación sulfhídroca xid ua De gra d Reducción del sulfato (estrictamente anaeróbico como las especies Desulfovibrio) De Mihelcic (1999). Reproducido con autorización de John Wiley & Sons, Inc. om Azufre orgánico Ciclos biogeoquímicos: carbono, nitrógeno, mercurio, tóxicos : / /v i r t Drenaje del ácido de las minas http://www.epa.gov/nps/acid_mine.html El ácido sulfhídrico (H2S) es maloliente y tóxico para la vida acuática a muy bajas concentraciones. A menudo se encuentra pirita (FeS2) en formaciones geológicas de extracción comercial, como en el caso del carbón o de metales como la plata y el zinc. Cuando la pirita se expone a la atmósfera comienza un proceso de oxidación de tres pasos en los que participan bacterias como Thiobacillus thiooxidans, Thiobacillus ferrooxidans y Ferrobacillus ferrooxidans: 4FeS 2 + 14O2 + 4H 2O : 4Fe 2 + + 8SO 42 - + 8H + (5.36) 4Fe 2 + + 8H + + O2 : 4Fe 3 + + 2H 2O (5.37) 4Fe 3 + + 12H 2O : 4Fe(OH)3(s) + 12H + (5.38) Este proceso provoca que la mina drene ácidos ricos en sulfato, acidez e hidróxidos férricos (un precipitado de color anaranjado amarillento llamado “niño amarillo”). Aunque el sulfato es inocuo, la acidez provoca que el pH de las aguas superficiales descienda (a niveles que con frecuencia dañan gravemente la calidad del agua), y que el producto cubra el fondo de los arroyos, lo que elimina el hábitat de los macroinvertebrados. Además, el bajo nivel de pH del agua disuelve rocas y minerales, que libera sólidos totales disueltos y dureza. 5.6 Salud del ecosistema y bienestar público Todos los proyectos de ingeniería deberían diseñarse, construirse y operarse de una manera que sea benigna para el medio ambiente y que tenga como fin último servir a la sociedad equitativamente y proteger la salud de los seres humanos y de los ecosistemas para las generaciones futuras. Esta sección introduce dos temas que, desde esta perspectiva, son importantes: sustancias tóxicas y biodiversidad. Servicios para ecosistemas de la bahía de Tampa, la costa de California y el valle del río Willamette en Oregon http://www.epa.gov/ord/esrp/index.htm ALFAOMEGA c05.indd 204 5.6.1 SUSTANCIAS TÓXICAS Y ECOSISTEMAS Y SALUD HUMANA Las sustancias tóxicas pueden influir en la salud del ecosistema dañando directamente la población o en las comunidades, o creando indirectamente INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC 8/30/11 2:52:56 PM 5.6 Salud del ecosistema y bienestar público Recuadro / 5.4 205 Servicios de los ecosistemas y salud de los ecosistemas La sociedad obtiene muchos bienes esenciales de los ecosistemas naturales, entre ellos pescados y mariscos, animales de caza, forraje, madera como combustible, madera para construcción y productos farmacéuticos. Estos bienes representan una parte importante y bien conocida de la economía. Lo que ha sido menos reconocido hasta hace poco es que los ecosistemas naturales también realizan servicios fundamentales que sustentan la vida, como regular el clima, almacenar agua, controlar las inundaciones, amortiguar los eventos climáticos extremos, purificar el aire y el agua, regenerar la fertilidad de los suelos, desintoxicar mediante la descomposición de desechos y producir y mantener la biodiversidad. Los servicios de los ecosistemas pueden subdividirse en cinco categorías: 1) provisión, como la producción de comida y agua; 2) regulación, como control del clima y las enfermedades; 3) sustento, ique incluye ciclos de nutrientes y polinización de las cosechas; 4) cultura, como servicios de recreación y espirituales y, 5) preservación, que incluye el mantenimiento de la diversidad (Daily, 2000; Millennium Ecosystem Assessment, 2005). Tales procesos valen muchos miles de billones de dólares anuales. Sin embargo, debido a que tales beneficios no son objeto de intercambio en los mercados económicos, ni tienen etiquetas con precio que puedan alertar a la sociedad que los cambios en los ecosistemas o el daño a los sistemas que los generan pueden afectar la oferta de esos beneficios. Para entender la magnitud de las implicaciones económicas de los servicios que ofrecen los ecosistemas naturales, considere el siguiente ejemplo. En la ciudad de Nueva York, donde la calidad del agua potable descendió por debajo de los estándares de la Agencia para la Protección del Medio Ambiente de EU (EPA), las autoridades optaron por restaurar el litoral Catskill, ecosistema que antiguamente proveía a la ciudad del servicio de purificación de agua. Una vez que se redujo la descarga de aguas negras y pesticidas en el litoral, los procesos abióticos naturales como la adsorción de los suelos y la filtración de químicos, aunados a un reciclaje biótico a través de sistemas de raíces y microorganismos del suelo, mejoraron la calidad del agua hasta niveles que satisfacían los estándares gubernamentales. El costo de esta inversión en capital natural se estimó entre $1 000 y $1 500 millones de dólares, que contrasta dramáticamente con los $6 a $8 mil millones de dólares que cuesta construir una nueva planta de filtración de agua cuyos costos operativos anuales son de $300 millones (Chichilnisky y Heal, 1998). un desequilibrio en las funciones del ecosistema (reduciendo o eliminando el papel de las especies o de un grupo de especies). Además, la salud humana puede afectarse mediante el consumo de pescados y animales silvestres que se hayan contaminado con sustancias tóxicas. Bioconcentración es la absorción directa de un químico por un organismo individual. Los ejemplos incluyen el mercurio que viaje del agua hacia el fitoplancton a través de la pared celular o hacia los peces vía las agallas. Bioacumulación (también denominada biomagnificación) se refiere a la acumulación de químicos por exposición a agua contaminada (bioconcentración) e ingesta de comida contaminada. Por ejemplo, la bioconcentración de plancton contaminado resulta en una bioacumulación en el nivel trófico siguiente, los peces. Aunque hay pérdidas significativas en la transferencia de energía y biomasa en la cadena alimentaria, como en el caso de la oxidación y la excreción (vea las figuras 5.20 y 5.21), algunos químicos (por ejemplo mercurio, PCB, DDT y otros productos que retardan las flamas) se retienen en los organismos. Esta retención, aunada a la pérdida de biomasa, produce un efecto de concentración en cada nivel sucesivo ascendente en la cadena alimentaria. La figura 5.30 describe este efecto de concentración del mercurio en un sistema acuático. Advierta que la aparente baja concentración de 0.01 ␮g/L (ppbm) se incremente en cinco órdenes de magnitud hasta 2 270 ppbm en la cima, en el nivel del depredador mediante la bioconcentración y la bioacumulación. ¿Hay un nivel trófico por encima de los peces? Sí, potencialmente, los seres humanos, otros mamíferos (por ejemplo, osos, focas, ballenas beluga) y pájaros como gaviotas o águilas. De manera rutinaria se INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC c05.indd 205 ALFAOMEGA 8/30/11 2:52:56 PM 206 Capítulo 5 Biología Figura 5.30 Bioacumulación de mercurio en la cadena alimentaria del Lago Onondaga, Nueva York El tamaño de la caja representa la biomasa (que decrece a medida que asciende la cadena alimentaria por la ineficacia de la transferencia de energía), el sombreado representa la concentración de mercurio en la biomasa (que se incrementa conforme asciende la cadena alimentaria porque se retiene aunque la biomasa se reduzca). La concentración de mercurio en la columna del agua es ~0.01 ␮g/L. Datos de Becker y Bigham (1995); dibujo de Mihelcic (1999). Reproducido con autorización de John Wiley & Sons, Inc. Sander vitreus (piscívoro) 2.27 mg/g Lubina o robalo (piscívoro) 0.91 mg/g Alosa (plantívoro) 0.23 mg/g Zooplancton mg/g Fitoplancton mg/g observan elevados niveles de bioacumulación de sustancia en los seres silvestres que dependen de los peces como una porción significativa de su dieta. La bioacumulación de sustancias tóxicas ha provocado impactos graves en muchas especies silvestres. La tabla 5.12 ilustra el efecto de químicos como el DDT y la bioacumulación de plomo en las águilas calvas. Además, la bioacumulación puede contribuir de manera significativa a la exposición total de los seres humanos, y por lo tanto, un riesgo medio ambiental, en el caso de un químico en particular, como se menciona en el capítulo 6. Debido a estos efectos y a la amenaza que representan para las poblaciones de seres humanos, hay una necesidad que urge por una mejor comprensión de la dinámica de bioacumulación y su impacto potencial en seres humanos y el medio ambiente. El factor de bioconcentración (BCF) es la proporción de concentración de un químico en un organismo respecto al medium del medio ambiente que lo rodea (generalmente aire o agua), considerado solamente cuando lo ingiere directamente de dicho medium. El factor de bioacumulación (BAF) es la proporción de la concentración de un químico en un organismo en relación con el medio que lo rodea ALFAOMEGA c05.indd 206 INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC 8/30/11 2:52:56 PM 5.6 Salud del ecosistema y bienestar público 207 Tabla / 5.12 Números históricos de parejas de águilas calvas que anidan en los estados contiguos (“los 48 de abajo”) La prohibición de arsenal de plomo durante la cacería tenía como propósito reducir la toxicidad de ciertas aves que a menudo ingerían las balas y además reducir la toxicidad hacia las águilas, que se alimentan de dichas aves muertas o heridas. La tierra también tuvo un gran impacto gracias al éxito con que anidaron las águilas. Periodo Número de parejas que anidaron Explicación 1700s 50 000 Población estimada antes del establecimiento. 1940 Número desconocido; “amenaza de extinción” La Ley para la Protección del Águila Calva prohibió matar, vender o poseer esta especie. 1960s 400 Pérdida del hábitat, envenenamiento por plomo y fallas en la reproducción debido a la bioacumulación del pesticida DDT; publicación de Primavera silenciosa de Rachel Carson. 1972 ⬍800 Se prohíbe el DDT en Estados Unidos. 1991 3 000 Se prohíben balas de plomo para cazar estas aves. 2007 10 000 Se retiró de la lista de especies en peligro de extinción del Servicio de Vida Silvestre y Piscicultura de Estados Unidos FUENTE: Servicio de Vida Silvestre y Piscicultura de Estados Unidos. cuando se incluyen todos los mecanismos de ingestión (como los que se dan a través de la comida y el agua). Debido a que BCF sólo aborda la ingesta pasiva (absorción independiente de los patrones de alimentación propios del organismo), brinda los medios para comparar el riesgo potencial de químicos en el organismo y en la salud del ecosistema. Los organismos con un alto contenido de grasas tienen a mostrar mayores BCF; por ejemplo, las concentraciones de PCB son típicamente mayores en los peces grasos como la trucha y el salmón en comparación con las lobinas, que son más delgadas. El fenómeno químico de bioacumulación ha provocado advertencias de pesca en muchos estados, desde Florida hasta el norte de Minnesota. Se hacen recomendaciones específicas para que se retire el tejido graso al limpiar y preparar el pescado para minimizar el consumo humano (y la bioacumulación) de contaminantes. Sin embargo, la exposición a algunos contaminantes, entre ellos el mercurio, no se reduce al recortar de manera selectiva el tejido graso porque este contaminante se distribuye uniformemente por todo el pescado. En este caso, la única manera en que los consumidores pueden limitar su exposición es mediante el control de la cantidad de pescado que consumen por semana. INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC c05.indd 207 Discusión en clase ¿Qué advertencia sobre la pesca existe en su estado o en algún estado vecino? ¿Cuáles son los químicos objeto de la preocupación? ¿Cuál es el origen de dichos químicos (lugares en donde se descargan, no hay lugares de descarga, aire? ¿Qué poblaciones son las que están en mayor riesgo? ¿Cuáles son las soluciones sustentables (políticas y tecnológicas) que puede usted implementar para resolver el problema? ALFAOMEGA 8/30/11 2:52:56 PM 208 Capítulo 5 Biología 5.6.2 BIODIVERSIDAD Y SALUD DEL ECOSISTEMA Biodiversidad UNEP http://www.unep.org/themes/biodiversity Biodiversidad en África http://www.eoearth.org/article/ Biodiversity_in_Africa Discusión en clase Actualmente vivimos una de las extinciones masivas más importantes de la historia de la Tierra. Discuta el papel de los ingenieros al respecto. ¿Son responsables en parte o no? ¿Cómo puede implicárseles en solucionar este problema? El término biodiversidad, una contracción entre diversidad biológica, se refiere a la gran variedad de formas de vida. Aunque el concepto de biodiversidad originalmente se concentraba en individuos de una especie, muchos científicos ahora consideran de suma importancia la diversidad genética (al interior de las especies) y la diversidad ecológica. Es sabido que la variación significativa puede existir en la constitución genética de las poblaciones y en las mismas especies que se encuentran separadas por el tiempo (por ejemplo, por las estaciones) o en el espacio. Esta variación puede conducir a respuestas diferencias de las poblaciones ante un mismo estrés medioambiental o incluso a diferencias en las funciones de las especies dentro del ecosistema. Por esta razón, los biólogos que están interesados en la piscicultura y que buscan reestablecer las especies a su antiguo hábitat hoy degradado necesitan peces jóvenes de poblaciones locales o regionales para mantener las características de la reserva genética original. En el otro extremo de este espectro, quizá es prudente considerar los ecosistemas como representantes de una diversidad que es del mismo valor, o incluso de valor mayor, que las especies individuales, por lo tanto digno de la atención de quienes buscan mantener la biodiversidad. AMENAZAS A LA BIODIVERSIDAD La extinción, que avanza a una velocidad de una especie por millón de especies cada año, ha sido sobrepasada por la evolución, y la biodiversidad de la Tierra ha experimentado un incremento sostenido de la biodiversidad durante los últimos 600 millones de años. Este incremento ha sido marcado por cinco episodios de extinción masiva que se cree están relacionados con impactos de meteoritos, erupciones volcánicas y cambios climáticos. Pero actualmente, la humanidad ha iniciado su propio impacto de meteorito, su propia erupción volcánica: Debido a que la magnitud y velocidad a la cual la especie huma altera su mundo físico, químico y biológico, la biodiversidad se está destruyendo a una velocidad sin precedente en los tiempos geológicos recientes. —Thorne-Miller, 1999 Aunque son las especies las que se extinguen, es importante considerar las amenazas a la biodiversidad en el contexto de la estructura del ecosistema y su función. El Panel Intergubernamental del Cambio Climático (IPCC) reporta: Es posible que la capacidad de recuperación de muchos ecosistemas se vea excedida este siglo por una combinación sin precedente de cambio climático, disturbios que son consecuencia de éste (por ejemplo, inundaciones, sequía, incendios forestales, insectos, acidificación oceánica) y otros cambios globales (por ejemplo, cambios en el uso del suelo, contaminación, sobreexplotación de los recursos). —IPCC, 2007 Ciertamente, es la especie la que a menudo está en el centro de atención (por ejemplo, por la caza legal e ilegal), pero el estrés humano puede manifestarse también con efectos negativos hacia el ecosistema. Las amenazas a la biodiversidad se pueden organizar en cinco categorías: 1) sobreexplotación de los suelo de cultivos; 2) destrucción del hábitat; 3) introducción de especies; 4) contaminación química y, 5) cambio atmosférico global. De éstos, la sobreexplotación de los suelos de cultivo es quizá el que tiene la más larga historia. La caza de cierto tipo de aves, la crianza de aves por sus plumas y la incesante persecución y matanza del bisonte son bien conocidas desde la ALFAOMEGA c05.indd 208 INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC 8/30/11 2:52:57 PM 5.6 Salud del ecosistema y bienestar público América del siglo xix. Más recientemente, la sobreexplotación y la pesca excesiva de fuentes no sustentables amenaza el futuro de la pesca marina. Los pastizales y los ecosistemas boscosos que alguna vez cubrían miles de millas cuadradas están ahora ausentes y por lo tanto su composición se ha alterado y es irreconocible. Aunado al desarrollo urbano, estos cambios en el uso de suelo han provocado una fragmentación del hábitat, en el que los organismos que antes tenían hábitats contiguos se han reducido a pequeñas parcelas. Este proceso de introducción de especies es una característica natural de la evolución de los ecosistemas a medida que cambian las condiciones y los rangos se amplían. Sin embargo, la aceleración humana (accidental o intencional) de este proceso puede dañar de manera crítica a las especies nativas y a su ecosistema. (Considere por ejemplo la introducción de una variedad de mamíferos en Nueva Zelanda.) La vulnerabilidad de un ecosistema ante la introducción de nuevas especies se incrementa con el daño a su salud (por ejemplo, efectos físicos o químicos) o la pérdida de los componentes bióticos clave (especies). La invasión de especies ajenas está constituida por aquellas especies que se han establecido en ecosistemas naturales y que amenazan la diversidad biológica nativa. Se han introducido especies invasivas acuáticas de manera intencional (algunas especies de trucha en los ríos del Oeste) y accidentalmente (sanguijuelas marinas mediante canales de construcción, mejillones cebra en el agua de las esclusas y carpas asiáticas que escapan de la piscicultura). En los ecosistemas terrestres, los disturbios a la tierra durante la construcción de medio ambientes creados por el hombre y la introducción de vehículos motores en áreas que antes no tenían caminos documentan la extensión de las especies invasivas. La rápida propagación y la naturaleza agresiva de las especies invasivas se debe, en parte, a la ausencia de competencia y de presiones predatorias comunes en el ecosistema que era su hogar. Las especies invasivas contribuyen de manera significativa a la extinción de las especies y a la pérdida de la biodiversidad, un problema que se incrementa con la globalización. En términos de polución química, los derrames de petróleo, la incorporación de nutrientes de las plantas de tratamiento de aguas negras, la escorrentía agrícola y urbana, así como los residuos de pesticidas y metales pesados como el mercurio, documentan los efectos negativos en los ecosistemas. Se pronostica que el cambio climático global también tendrá un efecto dramático en la salud del ecosistema. El organismo IPCC reporta que “es posible que aproximadamente entre 20 y 30% de las especies de plantas y animales evaluados hasta el momento hayan incrementado su riesgo de extinción si los aumentos en la temperatura global promedio exceden 1.5-2.5° C” (IPCC, 2007). 209 Especies invasivas http://www.epa.gov/owow/invasive_ species VER VALOR EN LA BIODIVERSIDAD Desde la aprobación de la Ley de las especies en peligro de extinción de 1973, la mayoría de los estadounidenses están familiarizados con el concepto de valor intrínseco de la biodiversidad. Sin embargo, la aplicación de una filosofía que apoye a la biodiversidad se ha vuelto compleja en algunos escenarios regulatorios y administrativos. En el caso de la lechuza moteada del norte que crece en los viejos bosques del Noroeste del Pacífico, la industria maderera se levantó decididamente en contra de una lista de especies, argumentando que el desempleo que desencadenaría, con sus efectos socioeconómicos, sobrepasaba con mucho el valor que tenía proteger al animal y a la biodiversidad. Hay tres razones que a menudo se dan para estimular los programas que apoyan la biodiversidad. El primero gira en torno al concepto de que plantas INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC c05.indd 209 ALFAOMEGA 8/30/11 2:52:57 PM 210 Capítulo 5 Biología Recuadro / 5.5 Aldo Leopold y la ética de la tierra Aldo Leopold (1887–1948), ecologista, silvicultor y medioambientalista estadounidense, tuvo gran influencia en el desarrollo de la ética medioambiental actual y en el movimiento a favor de la preservación de la vida silvestre. Aldo Leopold es considerado como el pionero del manejo de la vida silvestre en Estados Unidos y fue pescador y cazador de toda la vida. En Almanaque del condado Sand, publicado poco después de su muerte, Leopold abogó por la “ética de la tierra”, y dictó que “algo está bien cuando tiende a preservar la integridad, estabilidad y belleza de la comunidad biótica. Está mal cuando tiende en sentido contrario”. Leopold llego a afirmar que por el cual competir). La ética de la tierra simplemente amplía las fronteras de la comunidad para incluir a los suelos, las aguas, las plantas y animales, o de manera colectiva: la tierra. En resumen, una ética de la tierra cambia el papel del Homo sapiens de conquistador de la tierra-comunidad a simple miembro o ciudadano de ella. Esto implica respeto por los otros miembros y también respecto por la comunidad como tal.* Leopold nos convoca a reconocer nuestro papel como miembros de una comunidad medioambiental diversa Foto cortesía de los archivos de Aldo pero frágil y a usar las habilidades y el Leopold Foundation. entrenamiento de ingeniería de manera que protejan la tierra y encuentren valor en la biodiversidad. Todas las éticas que han evolucionado hasta el momento se sustentan en una premisa simple: que el individuo es miembro *Cita de “Almanaque del condado Sand: con ensayos sobre de una comunidad de partes interdependientes. Sus instintos lo la conservación” por Aldo Leopold (2201) con autorización de mueven a competir por su lugar en dicha comunidad, pero su Oxford University Press, Inc. ética lo urge también a cooperar (quizá para que haya más lugar y animales juegan un papel crítico en el desarrollo de ofertas alimenticias y medicinas más productivas que puedan mejorar la salud humana y prolongar la vida. Por ejemplo, una especie de maíz que se descubrió en México hace varias décadas que presenta resistencia a las enfermedades y que crece en patrones que pueden revolucionar la industria del maíz. En el campo de la medicina, los ejemplos incluyen la aspirina, cuyo componente principal se deriva del sauce y agentes anticancerígenos producidos por la vinca rosa, un arbusto con flores que sólo se encuentra en Madagascar. La segunda razón que a menudo se da para sustentar la biodiversidad es que la estructura del ecosistema está determinada por las interacciones de sus componentes, así que la pérdida de un solo componente (como una especie) puede perturbar de manera permanente y fallar de manera letal en la función de un ecosistema. Por ejemplo, las especies invasiva pueden diezmar plantas y animales nativos, y alterar por completo la faz de un ecosistema. Estados Unidos experimenta actualmente tales perturbaciones en sus ecosistemas; por ejemplo, con la proliferación de la exótica centaurea está copulando las especies nativas y reduciendo el forraje para el ganado. La salicaria morada se está convirtiendo en la dominante en muchas zonas pantanosas y está eliminando plantas nativas que son más nutritivas para la vida silvestre. La última razón es de tipo ético y está relacionada con el papel de los seres humanos como administradores de vastos y complicados ecosistemas. La ética medioambiental de nuestra sociedad ha experimentado una revolución de pensamiento, cambió esa América colonial que aparentaba tener recursos ilimitados, pasó por periodos de expansión e industrialización y llegó el momento en que topamos con los límites de la ecosfera y sufrimos por el deterioro y la pérdida de facilidades sociales, económicas y medioambientales. ALFAOMEGA c05.indd 210 INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC 9/13/11 6:28:06 PM Términos clave 211 Términos clave • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • abiótico absorcion algas animales mayores anóxico aumento de amoniaco autótrofo azufre bacteria bioacumulación bioconcentración biodegradación biodiversidad biología biomasa biosfera biota biótico cadenas alimentarias capacidad de persistencia carbono carnívoros CBOD final ciclo hidrológico ciclos biogeoquímicos clima coeficiente de rendimiento (Y) comunidad constante de saturación media demanda bioquímica de oxígeno (BOD) • demanda carbónica de oxígeno (CBOD) • demanda de oxígeno nitrogenado (NBOD) INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC c05.indd 211 • demanda química de oxígeno (COD) • Leopold, Aldo • Los límites del crecimiento • • • • • • • • • • demanda teórica de oxígeno (ThOD) • • • • • • • • • especies en peligro de extinción • • • • • • • • • • • • fase de muerte • recursos renovables fase estacionaria • redes alimentarias fijación de nitrógeno • respiración fósforo • respiración aerobia fotosíntesis • respiración anaerobia fotosíntesis artificial • rotíferas fuente fotosintética (de oxígeno) • secuencia ecológica redox gas de efecto invernadero • servicios del ecosistema herbívoros • sistemas naturales heterótrofos • sustrato hongo • uso de suelo huella ecológica • virus desechos desnitrificación dinámica de población ecología ecosistema ecuación IPAT energía especies especies amenazadas de peligro de extinción especies invasivas estequiometría ética de la tierra eucarionte eutrofización factor de bioacumulación (BAF) factor de bioconcentración (BCF) fase de crecimiento exponencial o logístico • macroinvertebrados • materia orgánica • metano • metanogénesis • microcrustáceos • modelo de crecimiento exponencial • modelo de crecimiento logístico • modelo Monod • nitrificación • omnívoros • oxígeno • Panel Intergubernamental del Cambio Climático (IPCC) • plantas altas • población • principio de exclusión competitiva • procariotas • productividad • protozoarios • reacción redox ALFAOMEGA 8/30/11 2:52:57 PM c a p í t u l o / Cinco 5.1 Se usan modelos matemáticos para pronosticar el crecimiento de una población, es decir, el tamaño de la población en una fecha futura. El modelo más simple es el de crecimiento exponencial. Su cálculo requiere de la tasa de crecimiento máxima específica de un organismo. Se puede obtener este coeficiente de observaciones de campo o de experimentos de laboratorio, en los cuales se monitorea el tamaño de la población en función del tiempo cuando crecen a altas concentraciones de sustrato (S ⬎⬎ Ks): Tiempo (días) Biomasa (mg/L) 0 50 1 136 2 369 3 1 004 4 2 730 5 7 421 Calcula ␮máx para esta población, asuma crecimiento exponencial, incluya las unidades apropiadas. 5.2 Una vez que se ha obtenido ␮máx se puede usar el modelo para proyectar el tamaño de la población en un tiempo futuro. Asuma que el crecimiento exponencial se sostiene, ¿cuál será el tamaño de la población del problema 5.2 después de 10 días? Problemas sustrato de 25 mg/L de acuerdo con la cinética de Monod si tiene un Ks de 50 mg/L. b) ¿Cuál es el porcentaje de la tasa de crecimiento máxima para la población que crece de manera exponencial? 5.5 Los estudios de laboratorio han mostrado que los microorganismos producen 10 mg/L de biomasa si se reduce la concentración de un contaminante en 50 mg/L. Calcule el coeficiente de rendimiento, especifique las unidades de expresión. 5.6 Cuando el abastecimiento de comida se ha agotado, las poblaciones mueren. Este decaimiento exponencial se describe por la simple modificación del modelo de crecimiento exponencial. Los ingenieros lo usan para calcular el tiempo que una playa en la que acostumbra haber nadadores debe cerrarse a consecuencia de contaminación por materia fecal. Para una población de bacterias de biomasa inicial de 100 mg/L y a Kd ⫽ 0.4/día, calcule el tiempo necesario para reducir el tamaño de la población a 10 mg/L. 5.7 Una población que tiene una biomasa de 2 mg/L en t ⫽ 0 días alcanza una biomasa de 139 en t ⫽ 10. Si se asume crecimiento exponencial, calcule el valor de coeficiente de crecimiento específico. 5.8 Se ha encontrado la presencia de bacterias fecales que no se dan en el medio ambiente natural, en los intestinos de animales de sangre caliente. Se monitorea una descarga de aguas negras sin tratar y su dinámica de población en ríos y lagos, lo que puede acarrear decaimiento exponencial o la muerte. ¿Cuántos días tomaría a una concentración de bacterias de 106 células/mL reducir hasta el estándar de salud pública de 102 si el coeficiente de decaimiento es de 2/días? 5.3 El crecimiento exponencial no se puede sostener eternamente debido a limitantes que el medio ambiente ejerce sobre el organismo, es decir, la capacidad de persistencia del sistema. Se describe este fenómeno usando el modelo de crecimiento logístico. a) Calcule el tamaño de la población del problema 5.1 después de 10 días, suponiendo que le sigue un crecimiento logístico y que la capacidad de persistencia es 10 000 mg/L. b) ¿Qué porcentaje sería del tamaño de la población que crece exponencialmente? ¿Cuál es la ThOD de los químicos siguientes? Muestre la ecuación de balanceo estequiométrico: a) 5 mg/L C7H3; b) 0.5 mg/L C6Cl5OH; c) C12H10. 5.4 Se usa el modelo Monod para describir las limitacio- 5.11 Calcule el NBOD y el ThOD de un desecho que nes de comida. El crecimiento de la población se caracteriza por la tasa de crecimiento específica máxima (␮máx) y la constante de saturación media de crecimiento (K s). a) Calcule la tasa de crecimiento específica (␮) de la población del problema 5.1, que crece a una concentración de ALFAOMEGA c05.indd 212 5.9 5.10 Cierto desperdicio contiene 100 mg/L de etileno glicol (C2H6O2) y 50 mg/L NH3-N. Determine la demanda de oxígeno carbónica y la teórica nitrogenada. contiene 100 mg/L de isopropanol 100 mg/L isopropanol (C3H7OH) y 100 mg/L NH3-N. 5.12 Un desecho contiene 100 mg/L de ácido acético (CH3COOH) y 50 mg/L NH3-N. Determine la demanda de INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC 8/30/11 2:52:58 PM Problemas oxígeno teórica carbónica, la demanda de oxígeno teórica nitrogenada y la demanda total de oxígeno del desperdicio. 5.13 Un desecho tiene una CBOD final de 1 000 mg/L y un kL de 0.1/día. ¿Cuál es la CBOD del día 5? 5.14 Calcule la BOD final que tiene un desecho cuyo BOD 5 días es de 20 mg/L, suponga un coeficiente de BOD de 0.15/día. 5.15 De acuerdo con el sitio web de Redefining Progress, sus análisis sobre la huella ecológica indican que los seres humanos han excedido sus límites ecológicos en 39%. Consulte dicho sitio y determine la huella ecológica de usted. Compare este valor con el de su país y el del mundo. Identifique algunos cambios que puede hacer en su actual estilo de vida y vuelva a realizar los cálculos de la huella ecológica para reflejar los cambios. Resuma los cambios y cómo han afectado la huella ecológica. El sitio web es www.rprogress.org/ecological_footprint/about_ecological_footprint.htm. 5.16 Consulte el sitio web de IPCC (www.ipcc.ch). Elija un ecosistema específico para estudiar y use la información del sitio para investigar el impacto del cambio climático en dicho ecosistema. Escriba un ensayo de una cuartilla (con las bibliografía adecuada) en el que resuma sus hallazgos. 5.17 Se ha sugerido que los biocombustibles son un método para cerrar el círculo vicioso del carbono. Realice una investigación en la biblioteca y en internet sobre un biocombustible en particular. Escriba un ensayo de una cuartilla que aborde la relación entre los biocombustibles y el ciclo del carbono global. También toque el tema del INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC c05.indd 213 213 impacto que el biocombustible particular que usted eligió puede tener en la calidad del agua, el abastecimiento de comida, la biodiversidad y la calidad del aire. 5.18 De acuerdo con la Agencia para la Protección del Medio Ambiente de EU, se han de remover las minas de carbón de las cimas de las montañas para evitar exponer los restos de carbón y su desecho consecuente en valles adyacentes (vea http://www.epa.gov/region3/mtntop/). En sus propias palabras, exponga los impactos al medio ambiente provocados por la minería en las cimas de las montañas. ¿Cómo se relacionan con el Programa para el Saneamiento del Agua de la EPA, y diga si este método es congruente con un futuro sustentable en el que se considere un equilibrio social, medio ambiental y económico? ¿Cómo diseñaría usted la ingeniería para un abastecimiento de energía seguro, confiable y sustentable? 5.19 La Agencia para la Protección del Medio Ambiente de EU define TMDL como el cálculo de la cantidad máxima de un contaminante que un cuerpo de agua puede aceptar y aún cumplir con los estándares de calidad del agua. El enfoque basado en la TMDL es una manera de aplicar la capacidad de persistencia a un cuerpo de agua en particular. Bajo la sección 303(d) de la Ley del Agua Limpia, los estados, territorios y tribus autorizadas deben desarrollar listas de aguas afectadas. Consulte el siguiente sitio web (http://www.epa.gov/owow/tmdl/lawsuit.html) que enumera los estados en los que la EPA participa ante la corte judicial para ordenar u negociar un decreto de consentimiento de que se establezcan TMDL. Cree un mapa claro y fácil de leer en que ubique las localizaciones de estos lugares en los 50 estados. ALFAOMEGA 8/30/11 2:52:58 PM 214 Capítulo 5 Biología Referencias Becker, D. S. y G. N. Bigham. 1995. “Distribution of Mercury in the Aquatic Food Web of Onondaga Lake, NY.” Water, Air and Soil Pollution 80:563–571. Chapra, S. C. 1997. Surface Water-Quality Modeling. Nueva York: McGraw-Hill. Chichilnisky, G. y G. Heal. 1998. “Economic Returns from the Biosphere”, Nature 391:629–630. Daily, G. C. 2000. “Management Objectives for the Protection of Ecosystem Services.” Environmental Science & Policy 3:333–339. Davis, M. L. y D. A. Cornwell. 1991. Introduction to Environmental Engineering. Nueva York: McGraw-Hill. Effler, S. W. 1996. Limnological and Engineering Analysis of a Polluted Urban Lake: Prelude to Environmental Management of Onondaga Lake, New York. Nueva York: Springer. Enger, E. D., I. R. Kormelink, B. F. Smith, y R. J. Smith. 1983. Environmental Science. Dubuque, Iowa: Wm. C. Brown Publishers. Goodland, R. 1997. “Environmental Sustainability in Agriculture: Diet Matters.” Ecological Economics 23 (3): 189–200. Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC). 2007. “Summary for Policy Makers.” In Climate Change 2007: Impacts, Adaptation and Vulnerability. Contribution of Working Group II to the Fourth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change, ed. M. L. Parry, O. F. Canziani, J. P. Palutikof, P. J. van der Linden y C. E. Hanson, 7–22. Cambridge: Cambridge University Press. ALFAOMEGA c05.indd 214 Kupchella, C. y M. Hyland. 1986. Environmental Science. Needham Heights, Mass.: Allyn and Bacon. Metcalf y Eddy, Inc. 1989. Wastewater Engineering: Treatment, Disposal, Reuse, 2a. ed. Nueva York: McGraw-Hill. Mihelcic, J. R. 1999. Fundamentals of Environmental Engineering. Nueva York: John Wiley & Sons. Millennium Ecosystem Assessment (MEA). 2005. Ecosystems and Human Well-Being: Synthesis. Washington, D.C.: Island Press. Nemerow, N. L. 1971. Liquid Waste of Industry: Theories, Practices, and Treatment. Reading, Mass.: Addison-Wesley. Ricklefs, R. E. 1983. The Economy of Nature, 2a. ed. Nueva York: Chirun Press. Snoeyink, V. L. y D. Jenkins. 1980. Water Chemistry. Nueva York: John Wiley & Sons. Tchobanoglous, G., F. L. Burton y H. D. Stensel. 2003. Wastewater Engineering, 4a. ed. Boston: Metcalf & Eddy; Nueva York: McGraw-Hill. Thorne-Miller, B. 1999. The Living Ocean: Understanding and Protecting Marine Biodiversity. Washington, D.C.: Island Press. Wackernagel, M., L. Onisto, A. Callejas Linares, I. S. López Falfán, J. Méndez García, A.I. Suárez Guerrero y M. Guadalupe Suárez Guerrero. 1997. Ecological Footprints of Nations: How Much Nature Do They Use? How Much Nature Do They Have? ? Centro de Estudios para la Sustentabilidad, Universidad Anáhuac de Xalapa, México. Comisión del Consejo de la Tierra para el Foro de Río⫹5. INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC 8/30/11 2:52:58 PM c a p í t u l o / Seis Riesgo ambiental James R. Mihelcic y Julie Beth Zimmerman En este capítulo los lectores aprenderán sobre la distinción entre un químico peligroso y tóxico, el significado de riesgo ambiental y los métodos para la evaluación del riesgo ambiental y su incorporación a la práctica de la ingeniería. Los lectores también aprenderán acerca de los cuatro componentes de una evaluación completa de riesgo ambiental (evaluación de peligro, evaluación de la dosis-respuesta, evaluación de exposición y caracterización del riesgo), el impacto de las condiciones específicas del sitio expuesto a químicos y las maneras en que el uso de la tierra a la larga afecta al riesgo ambiental. Finalmente, el capítulo demuestra las diferencias en el desarrollo de una caracterización del riesgo para compuestos carcinógenos y no carcinógenos. El énfasis está en la determinación del riesgo debido a la exposición a químicos contaminados encontrados en el agua, el aire y los alimentos. El capítulo también demuestra el método utilizado para determinar concentraciones químicas permisibles en el agua subterránea y el suelo contaminado. Secciones principales 6.1 Riesgo y la ingeniería 6.2 Percepción de riesgo 6.3 Residuos peligrosos y químicos tóxicos 6.4 Ética y riesgo de la ingeniería 6.5 Evaluación del riesgo 6.6 Problemas más complicados con por lo menos dos rutas de exposición Objetivos de aprendizaje 1. Describir cómo minimizar o eliminar el riesgo mediante el diseño para el peligro reducido y/o la exposición reducida. 2. Resumir los diferentes tipos de peligro y sus impactos potenciales adversos en la salud humana y el medio ambiente. 3. Articular las limitaciones del paradigma de la evaluación del riesgo para la protección de la salud humana y el medio ambiente y los factores que afectan la toxicidad de un químico determinado, incluyendo la incertidumbre asociada con la recolección e interpretación de datos. 4. Definir los cuatro componentes de una evaluación de riesgo y comentar la diferencia entre la evaluación de riesgo y la percepción de riesgo. 5. Calcular la concentración aceptable y el riesgo aceptable asociados con la exposición a un químico carcinógeno y uno no carcinógeno mediante varias y múltiples vías de exposición, incluyendo la partición química entre el suelo, el aire y las fases del agua. 6. Entender la relación entre la bioacumulación/bioconcentración, ciclos de la cadena alimentaria y toxicidad. 7. Definir los términos justicia ambiental y poblaciones susceptibles con relación a la evaluación del riesgo, y explicar los roles que los ingenieros pueden jugar en el direccionamiento de dichos temas. 8. Desarrollar una evaluación de riesgo básica para los carcinógenos y los no carcinógenos con los datos apropiados incluyendo una interpretación de una curva de respuesta de dosis. 215 c06.indd 215 8/30/11 2:53:33 PM 6.1 Riesgo y la ingeniería Durante los últimos 60 años del siglo XX, la producción química mundial se incrementó varios cientos de veces, así es que para el comienzo del siglo XXI, alrededor de 70 000 químicos se venden por lo común en el comercio. Adicionalmente, cientos de nuevos químicos se introducen en el mercado cada año. Los individuos pueden estar expuestos a estos químicos en casa, en la escuela, en el lugar de trabajo, mientras viajan o simplemente mientras hacen ejercicio en una gran área urbana. El medio ambiente de interiores también se está convirtiendo en un lugar importante de exposición a químicos, debido a que los estadounidenses pasan ahora 85% de su tiempo en interiores. Por lo tanto, el medio ambiente de interiores, en particular aquellos que están pobremente ventilados y tienen alfombras, revestimientos y adhesivos que emiten químicos, pueden tener un gran impacto en la salud humana. El riesgo es la probabilidad de daño, enfermedad o muerte. En términos generales, Riesgo = f(riesgo, exposición) (6.1) El riesgo ambiental es el riesgo resultante de la exposición a un peligro ambiental potencial. Los peligros ambientales pueden ser químicos específicos o mezclas químicas como el humo del tabaquismo pasivo y el del escape de automóviles. También puede haber otros peligros como gérmenes patógenos, el agotamiento del ozono estratosférico, el cambio climático y la escasez de agua. Este capítulo se enfocará en los riesgos ambientales a los seres humanos derivados de la exposición a sustancias o químicos. Sin embargo, el concepto de riesgo ambiental puede aplicarse a la salud de las plantas, animales y ecosistemas enteros, que son la base de la existencia humana y mejoran su calidad de vida. La tabla 6.1 resume muchas clases de peligros, incluyendo peligros físicos, peligros toxicológicos y peligros mundiales. Es importante notar que el adjetivo peligroso no sólo implica causa de cáncer, también incluye cualquier impacto adverso en los seres humanos o en el medio ambiente como resultado de la exposición a un químico o material. El riesgo de un químico puede involucrar sus efectos tóxicos o el peligro que éste representa para los trabajadores o para una comunidad, por ejemplo, al causar una explosión. El riesgo se ha manejado históricamente mediante el direccionamiento del elemento de exposición. Por ejemplo, la exposición puede ser limitada al requerir a los trabajadores el uso de ropa protectora o al desarrollar letreros de advertencia para los camiones que transportan químicos peligrosos. Debido a que el riesgo es el producto de una función de peligro y de exposición, se hacen claras dos implicaciones. A medida que el peligro se acerca al infinito, el riesgo sólo puede reducirse a casi cero al reducir la exposición a casi cero. A la inversa, a medida que el peligro se acerca a cero, la exposición puede acercarse al infinito sin afectar significativamente el riesgo. La química y la ingeniería verdes son métodos para reducir el peligro a cero. Estas relaciones entre el riesgo, el peligro y la exposición son en extremo importantes debido a que los métodos actuales para proteger la salud humana y el medio ambiente están estrechamente ligados con el paradigma de riesgo y dependen casi en exclusiva en el control de la exposición. Los esfuerzos de ingeniería resultantes para reducir la probabilidad de exposi- ALFAOMEGA c06.indd 216 INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC 8/30/11 2:53:35 PM 4.1 Riesgo y la ingeniería 217 Tabla / 6.1 Categorías de peligros y ejemplos de manifestaciones potenciales de peligro Peligros de toxicidad humana Peligros de toxicidad ambiental Peligros físicos Peligros mundiales Carcinogenicidad Toxicidad acuática Explosividad Lluvia ácida Neurotoxicidad Toxicidad aviar Corrosividad Calentamiento global Hepatoxicidad Toxicidad anfibia Oxidantes Agotamiento del ozono Nefrotoxicidad Fitotoxicidad Reductores Amenaza de seguridad Cardiotoxicidad Toxicidad mamífera (no humana) pH (ácido o básico) Eventos de clima extremo como inundaciones Reacción violenta con el agua Escasez de agua Toxicidad pulmonar Toxicidad hematológica Pérdida de biodiversidad Toxicidad endocrina Persistencia Inmunotoxicidad Bioacumulación Toxicidad reproductiva Teratogenicidad Mutagenicidad (toxicidad del ADN) Toxicidad dérmica Toxicidad ocular Interacciones de enzimas ción han sido relevantes para un amplio rango de peligros incluyendo venenos, sustancias reactivas, inflamables y explosivos. Sin embargo, esta estrategia es tremendamente cara. Lo peor de todo, tal medida puede y, como una función probable, fallar al final. Cuando los controles de la exposición fallan, el riesgo es entonces igual a una función de peligro (vea la ecuación 6.1). Esta relación expone la necesidad de diseñar moléculas, productos, procesos, comportamientos sociales y sistemas para que la salud y la seguridad no dependan de los controles o sistemas que pueden fallar o ser saboteados (ya sea intencional o accidentalmente); por el contrario, se pueda confiar en el uso de químicos y materiales benignos (mínimamente peligrosos). Durante las etapas tempranas del diseño de un proceso de manufactura, existe una gran cantidad de flexibilidad en el desarrollo de soluciones que previenen o minimizan el riesgo al tomar decisiones que eliminan el uso y la producción de químicos peligrosos. Un ingeniero no diseñaría intencionalmente un proceso de manufactura si el resultado directo fuera que el proceso provocaría que los trabajadores de la planta y los miembros de la comunidad contrajeran cáncer o que los peces de un río local se murieran después de la exposición a la descarga de agua de desperdicio. Tristemente, INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC c06.indd 217 Discusión en clase ¿El método actual para el manejo de riesgos mediante la reducción de la exposición parece ser un método particularmente proactivo o innovador? ¿No sería mejor un método que elimine o al menos reduzca el peligro? Observe que en la ecuación 6.1 y la definición del medio ambiente que le sigue, existe cero riesgo si hay cero exposición, lo cual es difícil de lograr en forma consistente y constante. ALFAOMEGA 8/30/11 2:53:36 PM 218 Capítulo 6 Riesgo ambiental e j e m p l o / 6.1 Limitaciones para controlar la exposición Describa un evento pasado o actual en los que la falla de un sistema controlado mediante ingeniería permitió la exposición de seres humanos y del medio ambiente a liberaciones peligrosas. respuesta Hay muchas respuestas posibles. Un ejemplo sucedió en las primeras horas del día 3 de diciembre de 1984, cuando un tanque de retención que contenía 43 toneladas de isocianato de metilo(MIC) almacenado de una fábrica de Union Carbide en Bhopal, India, se sobrecalentó y liberó una mezcla de gas MIC tóxica, más pesada que el aire. El MIC es un químico extremadamente reactivo y se utiliza en la producción del insecticida carbaryl. El análisis post-accidental del proceso mostró que el accidente comenzó cuando un tanque que contenía MIC tuvo una filtración. Se presume que la razón científica para el accidente fue que el agua entró al tanque en donde estaban almacenados alrededor de 40 m3 de MIC. Cuando se mezclaron el agua y el MIC, comenzó una reacción química exotérmica, produciendo mucho calor. Como resultado, la válvula de seguridad del tanque explotó por el incremento en la presión. Esta reacción fue tan violenta que el recubrimiento de concreto alrededor del tanque también se rompió. Se presume que se liberaron entre 20 y 30 toneladas de MIC durante la hora que tuvo lugar la filtración. El gas se filtró a través de una chimenea de 30 m de altura, y esta altura no fue suficiente para reducir los efectos de la descarga. La razón fue que el alto contenido de humedad (aerosol) en la descarga se evaporó y dio lugar a un gas pesado que rápidamente se hundió en la tierra, en donde la gente tenía su lugar de residencia. De acuerdo con la Corte Médica de Bhopal, alrededor de 500 000 personas estuvieron expuestas. Se cree que alrededor de 20 000 murieron en consecuencia; en promedio, aproximadamente una persona muere cada día debido a los efectos. Más de 120 000 continúan sufriendo los efectos, incluyendo dificultades para respirar, cáncer, defectos de nacimiento serios, ceguera y otros problemas. estos impactos adversos en los seres humanos y el ecosistema son el resultado de muchas de las prácticas actuales del diseño de ingeniería. Sin embargo, los ingenieros ahora están apoyando la “química verde” y la “ingeniería verde” como los medios para desarrollar químicos, materiales, procesos y servicios que reducen o eliminan el uso y la generación de sustancias peligrosas, llevando así al riesgo reducido para la salud humana y al medio ambiente al reducir el peligro. Tome ahora los edificios como ejemplo. Reflexione por unos minutos sobre la gran variedad de materiales utilizados en la construcción de edificios, la gran lista de materiales y recubrimientos utilizados para decorar y amueblar un edificio, y el gran número de químicos utilizados durante la operación y el mantenimiento del edificio. ¿Cuántos de estos materiales estructurales, adhesivos, selladores, recubrimientos de piso y paredes, componentes de muebles y agentes de limpieza se seleccionan con base en el criterio para maximizar la salud y productividad de los habitantes del ALFAOMEGA c06.indd 218 INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC 8/30/11 2:53:36 PM 6.2 Percepción de riesgo 219 Tabla / 6.2 Beneficios económicos (en dólares) estimados para la sociedad estadounidense si los arquitectos y los ingenieros diseñan y operan edificios teniendo en consideración la salud De $6 mil millones a $14 mil millones de la reducción de enfermedades respiratorias De $1 mil millones a $4 mil millones de la reducción de alergias y asma De $10 mil millones a $30 mil millones de la reducción del síndrome del edificio enfermo De $20 mil millones a $160 mil millones del incremento en la productividad del trabajador no relacionada con la salud. SOURCE: Fisk (2000). edificio al minimizar el impacto potencial adverso (el riesgo) para los seres humanos o el medio ambiente? Desafortunadamente, la respuesta a esta pregunta es “muy pocos”. El diseño verde de edificios toma en consideración la salud de los ocupantes del edificio junto con el impacto en el medio ambiente asociado con las opciones de material. Ambientes de interiores pobremente diseñados y manejados tienen un gran impacto económico adverso en la sociedad que se asocia con los incrementos en los costos de salud y una productividad del trabajador más baja. Como se muestra en la tabla 6.2, se obtendrían enormes ahorros de la reducción que impacta a Estados Unidos. En los países en desarrollo con alta mortalidad, la contaminación del aire interior ahora es responsable de hasta 3.7% de la carga de enfermedad. Recuerde del capítulo 1 que 33% del riesgo ambiental que lleva a la pérdida de días por incapacidad en el mundo se debe a la contaminación del aire de interiores por combustibles sólidos quemados. © Skip O’Donnell/iStockphoto. ua ttp : / /v i r t c06.indd 219 ega.c .mx/h INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC om om La percepción de riesgo examina los juicios que la gente hace cuando se les solicita caracterizar y evaluar actividades y tecnologías peligrosas. La gente hace juicios cualitativos o cuantitativos sobre el grado de riesgo actual y el deseado de muchos peligros diferentes a través de las opciones y comportamientos de cada día. Estas decisiones se basan en la probabilidad de un daño por un peligro específico y la severidad de las consecuencias asociadas con dicho daño. Los juicios sobre riesgos se basan en diversas consideraciones. Un factor importante es qué tan familiarizado se está con el peligro. Si se cree que se sabe mucho sobre un peligro debido a que se está con frecuencia expuesto a éste, en general se sobreestima el grado de riesgo. Otro factor es si se está o no interactuando voluntariamente con un peligro. Cuando una persona voluntariamente toma un riesgo, es usual que sobreestime las posibilidades de un daño resultante. Esto tiene que ver con cuánto control los individuos creen tener sobre la situación. Los ejemplos de riesgo voluntario incluyen fumar, manejar un auto más rápido que el límite de velocidad y participar en actividades extremas como montañismo o paracaidismo. También, los individuos sienten con frecuencia que es más aceptable escoger un riesgo que ser puesto en riesgo por el gobierno o la industria. l.alfa 6.2 Percepción de riesgo Percepción de riesgo ALFAOMEGA 8/30/11 2:53:36 PM 220 Capítulo 6 Riesgo ambiental Esta actitud hacia el riesgo involuntario versus el voluntario explica porqué generalmente hay un tumulto público cuando una fábrica contamina el agua potable local o cuando la calidad del aire de interiores no es segura. En estos casos, el riesgo añadido de la exposición a agua y aire contaminados no es voluntario. Los individuos sienten que están siendo sujetos a peligros más allá de su control y sin su conocimiento. Ejemplos de riesgo involuntario son la inhalación pasiva de humo de cigarro, tener vías o líneas de poder de alto voltaje situadas en la comunidad y tener residuos de pesticida en el exterior de los productos alimenticios. 6.3 Residuos peligrosos y químicos tóxicos iStockphoto. Identificar instalaciones del TRI mediante código postal http://www.scorecard.org/ Inventario de liberación de tóxicos http://www.epa.gov/tri ALFAOMEGA c06.indd 220 La exposición a un químico tóxico o peligroso puede provocar la muerte, enfermedades u otros impactos adversos como defectos de nacimiento, infertilidad, crecimiento atrofiado o un desorden neurológico. Para los seres humanos, este contacto con un químico es típicamente a través de la ingestión, inhalación o contacto con la piel. La exposición al químico se puede asociar con beber agua, comer alimentos, ingerir tierra y polvo, inhalar contaminantes en el aire que pueden estar en forma de vapor o de partículas y el contacto con químicos que son transportados a través de la piel. El Inventario de Liberación de Tóxicos (TRI) proporciona información al público acerca de residuos peligrosos y químicos tóxicos. Este inventario fue establecido por la ley de planeación contra emergencias y derecho de la ciudadanía a la información (EPCRA) de 1986 y se amplió en la Ley de prevención de la contaminación de 1990. El TRI es una base de datos abierta al público, publicada por la Agencia de Protección Ambiental de Estados Unidos (EPA), que contiene información sobre liberaciones de casi 650 químicos y categorías químicas, proporcionada por más de 23 000 instalaciones industriales y federales. El TRI rastrea la eliminación u otras liberaciones de ambas, tanto en sitio como fuera de sitio, incluyendo los desperdicios directos al aire, la tierra, la superficie del agua y el agua subterránea. También proporciona información sobre otras estrategias de manejo de desperdicios como el reciclaje, recuperación de energía, tratamiento y descargas a plantas de tratamiento de aguas residuales. La base de datos del TRI puede buscarse por año, ubicación geográfica, químicos liberados o tipo de industria. Los ciudadanos y el personal de respuesta de emergencia pueden buscar emisiones de químicos tóxicos en sus comunidades. El TRI proporciona al público accesos sin precedentes a información acerca de liberaciones de químicos tóxicos y otras actividades de manejo de desperdicios a nivel local, estatal, regional y nacional. Una de las metas del TRI es el de darle poder a los ciudadanos estadounidenses, mediante la información, para que las compañías y los gobiernos locales estén al tanto de cómo se manejan los químicos tóxicos. La figura 6.1 muestra la masa total de emisiones del TRI desde 1988, junto con el número de instalaciones que reportan liberaciones. Los datos del TRI ayudan al público, a los funcionarios del gobierno y a la industria a cumplir tres objetivos: 1) identificar las preocupaciones potenciales y tener un mejor entendimiento de los riesgos potenciales; 2) identificar las prioridades y las oportunidades para trabajar con la industria y el gobierno para reducir el desecho de químicos tóxicos u otras liberaciones y los riesgos potenciales asociados con los mismos y, 3) establecer objetivos de reducción y medir el progreso hacia las metas de reducción. INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC 8/30/11 2:53:37 PM 6.3 Residuos peligrosos y químicos tóxicos 25 000 Millones de libras 4000 20 000 3500 3000 15 000 2500 2000 10 000 1500 1000 5 000 500 Número de instalaciones 4500 221 0 0 1988 1989 1990 1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 Año Total de desechos u otras liberaciones Número de instalaciones Figura 6.1 Emisiones del Inventario de Liberación de Tóxicos (TRI) (en millones de libras) desde 1988 y número de instalaciones que reportan emisiones Adaptado de www.epa.gov/tri. 6.3.1 RESIDUOS PELIGROSOS En Estados Unidos, un residuo peligroso es un subconjunto de un desperdicio sólido. Los desperdicios sólidos se definen según la Ley sobre conservación y recuperación de recursos (RCRA). Esta definición regulatoria no dice nada acerca del estado físico del desperdicio, así es que algunos desperdicios sólidos se encuentran en forma líquida. En Estados Unidos, los desperdicios sólidos están legalmente definidos como cualquier material descartado no excluido por el 40 C.F.R. 261.4(a). Los desperdicios excluidos incluyen elementos como las aguas residuales domésticas, los residuos domésticos peligrosos, cenizas volantes y cenizas de fondo de la combustión del carbón y el abono que regresa al suelo. C.F.R. son las siglas en inglés del Código de Reglamentos Federales, documento en el que se publican los reglamentos federales. El número 40 indica la sección del C.F.R. relacionada con el medio ambiente. El C.F.R. se puede accesar vía Internet. De tal manera, un desperdicio peligroso denota un desperdicio regulado. Sólo ciertas corrientes de desperdicio son designadas como peligrosas según los reglamentos federales. Los desperdicios se clasifican como peligrosos con base en: 1) características físicas como reactividad, corrosividad e inflamabilidad, 2) toxicidad, 3) cantidad generada y, 4) la historia del químico en términos de daños ambientales causados y el probable destino ambiental. Los residuos peligrosos pueden o no mostrar toxicidad. Acceso al código de reglamentos federales http://www.gpoaccess.gov/cfr/ Escombros de construcción y demolición http://www.epa.gov/epawaste/conserve/ rrr/imr/cdm/index.htm ua ttp : / /v i r t c06.indd 221 ega.c .mx/h INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC om om La toxicología ambiental, también conocida como ciencias de la salud ambiental, es un campo interdisciplinario que lidia con los efectos de los químicos sobre organismos vivientes. Debido a que la energía y el material se distribuyen y hacen ciclos a través de las cadenas alimenticias, es probable que un impacto en un nivel se refleje también en otros niveles. Por ejemplo, existe evidencia de que los niveles elevados de PCB en un pescado resultan en l.alfa 6.3.2 TOXICIDAD Prueba de toxicidad ALFAOMEGA 8/30/11 2:53:37 PM 222 Capítulo 6 Riesgo ambiental efectos adversos a la salud de niños nacidos de madres que incluían pescado en sus dietas. Mientras que la bioacumulación (concentración de un químico acumulada en un organismo a lo largo del tiempo) de los PCB puede no tener efecto adverso directo en peces adultos, hubo un impacto en ciertos peces de descendencia y en el siguiente nivel trófico (seres humanos). Los efectos tóxicos se dividen en dos tipos: carcinógenos y no carcinógenos. Un carcinógeno promueve o induce tumores (cáncer), que es el crecimiento incontrolado o anormal y la división de células. Los carcinógenos actúan atacando o alterando la estructura y la función del ADN dentro de una célula. Muchos carcinógenos parecen situarse en sitios específicos; es decir, un químico particular ataca un órgano específico. En adición, los carcinógenos se categorizan con base en si causan efectos directos o indirectos: los carcinógenos primarios inician directamente el cáncer; los pro-carcinógenos no son carcinógenos sino que se metabolizan para formar carcinógenos y, por lo tanto, inician el cáncer indirectamente; los co-carcinógenos no son carcinógenos pero mejoran la carcinogenicidad de otros químicos, y los promotores mejoran el crecimiento de las células cancerígenas. Recuadro / 6.1 Cómo se desarrolla el cáncer El cáncer se refiere a un grupo de enfermedades que involucran crecimiento de tejido maligno anormal. Las investigaciones han revelado que el desarrollo del cáncer involucra una serie compleja de pasos, y los carcinógenos pueden operar en un número de maneras distintas. A la larga, el cáncer resulta de una serie de defectos en los genes que controlan el crecimiento de las células, su división y diferenciación. Los defectos genéticos que llevan al cáncer pueden suceder debido a que un químico (u otro agente carcinogénico) daña en forma directa al ADN. Alternativamente, un agente puede tener efectos indirectos que incrementan la probabilidad, o aceleran el comienzo del cáncer sin interactuar directamente con el ADN. Por ejemplo, un agente puede interferir con los mecanismos de reparación del ADN, incrementando por lo tanto la probabilidad de que la división de una célula dará lugar a células con ADN dañado. Un agente puede también incrementar los rangos de las divisiones celulares, incrementando por lo tanto, el potencial para que se introduzcan errores genéticos al tiempo que las células replican su ADN en la preparación para la división. (EPA, “Hoja de datos para los lineamientos de la evaluación de riesgo carcinógeno”, marzo de 2005) La clasificación de un químico sobre si es carcinógeno para los seres humanos requiere evidencia suficiente de si la exposición humana lleva a una incidencia significativamente más alta de cáncer. Tal evidencia en general es recolectada de los trabajadores en ambientes de trabajo en donde existe contacto prolongado con un químico. (A esto se le llama datos epidemiológicos.) Mientras que existen pocos carcinógenos humanos conocidos (por ejemplo, benceno, cloruro de vinilo, arsénico y cromo hexavalente), muchos químicos son carcinógenos humanos probables (por ejemplo, benzo(a)pireno, tetracloruro de carbono, cadmio y PCB) y cientos de químicos tienen evidencia sugestiva de que son carcinógenos. Como se comenta más adelante, los químicos son enlistados como carcinógenos sospechosos cuando la evidencia experimental indica riesgo de cáncer incrementado en los animales de prueba y hay información insuficiente disponible para mostrar una relación directa de causa y efecto para los seres humanos. Los efectos no carcinógenos incluyen todas las respuestas toxicológicas que no sean carcinogénicas, de las cuales hay un sinnúmero de ejemplos: daño a los órganos (incluyendo riñones e hígado), daño neurológico, inmunidad supresora y efectos de nacimiento y de desarrollo (daño en la habilidad ALFAOMEGA c06.indd 222 INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC 8/30/11 2:53:38 PM 6.3 Residuos peligrosos y químicos tóxicos Menos serio Reversible No debilitante No amenazante de la vida Más serio Irreversible Debilitante Amenazante de la vida Erupción cutánea Náusea 223 Figura 6.2 Continuidad de los riesgos a la salud debido a la exposición a no carcinógenos con rango desde menos serio a más serio Daño a los riñones, hígado Cáncer Asma Daño al sistema nerviosos Tos, irritación de la garganta Defectos de nacimiento Bronquitis crónica Dolor de cabeza Abortos involuntarios Mareos o inteligencia reproductiva de un organismo). Por ejemplo, los niveles de plomo elevados en los niños han demostrado provocar dificultades del aprendizaje y coeficientes intelectuales más bajos. Los efectos tóxicos que se manifiestan después de la exposición a químicos frecuentemente resultan de la interferencia con los sistemas de enzimas (catalizador) que median las reacciones bioquímicas críticas para la función del órgano. La figura 6.2 representa la continuidad de riesgos debido a la exposición a no carcinógenos como un rango de menos serio a más serio. Los riesgos que son reversibles, no debilitantes y/o que no amenazan la vida se consideran de menor preocupación que aquellos que son irreversibles, debilitantes y/o que amenazan la vida. Los químicos colectivamente conocidos como interruptores endocrinos ejercen sus efectos al imitar o interferir con las acciones de las hormonas, los compuestos bioquímicos que controlan procesos fisiológicos básicos como crecimiento, metabolismo y reproducción. Los interruptores endocrinos pueden Recuadro / 6.2 c06.indd 223 http://www.setac.org/node/100 http://www.who.int/ipcs/assessment/en/ Químicos interruptores endocrinos Los químicos interruptores endocrinos son químicos que, cuando se absorben en el cuerpo, imitan o bloquean las hormonas e interrumpen las funciones normales del cuerpo. Esta interrupción puede suceder mediante la alteración de los niveles normales de hormonas, la detención o la estimulación de la producción de hormonas, o al cambiar la manera en que las hormonas viajan a través del cuerpo, afectando así las funciones que estas hormonas controlan. Estos químicos y sustancias se acumulan en el pescado y la vida salvaje, y el número de advertencias sobre la ingestión de pescado y vida salvaje debido a los interruptores endocrinos se ha incrementado y ha llegado a más de 30% de los lagos y 15% de las millas de ríos de Estados Unidos. Los estudios documentan que estos químicos se están acumulando en el pescado y la vida salvaje a niveles que están causando efectos hormonales y reproductivos serios en el pescado y la vida salvaje en la cima de la cadena alimentaria, incluyendo aves zancudas, caimanes, panteras de Florida, visones, osos polares, focas, ballenas beluga y orcas. Muchas subpoblaciones con exposición relevante están experimentando principalmente efectos reproductivos, resultando en infertilidad y fallas reproductivas. INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC Interruptores endocrinos En los seres humanos, diversos problemas de salud posiblemente vinculados con los químicos interruptores endocrinos se han registrado: 1) reduce el conteo de espermas en muchos países, 2) 55% de incremento en la incidencia de cáncer testicular de 1979 a 1991 en Inglaterra y Gales, 3) incrementos en el cáncer de próstata y, 4) incremento en el cáncer de mama en las mujeres, incluyendo un incremento anual de 1% en Estados Unidos desde los años 1940 (Amigos de la Tierra, 2009). En la vida salvaje, los siguientes son ejemplos de efectos que se han vinculado con químicos interruptores endocrinos: 1) masculinización de algunos Nucella lapillus (una clase de caracol marino), 2) en pruebas de rutilos pequeños en varios ríos del Reino Unido se han encontrado huevos, 3) baja viabilidad de huevos, ovarios agrandados y tamaño de pene reducido en los caimanes de Florida y, 4) adelgazamiento de cascarones de huevo y apareamiento hembrahembra en los pájaros (Amigos de la Tierra, 2009). Los riesgos asociados con los químicos interruptores endocrinos apenas se empiezan a descubrir y cuantificar, debido a que las dosis que provocan los efectos son mucho más bajas que aquellas tradicionalmente probadas en los estudios de toxicidad. ALFAOMEGA 8/30/11 2:53:38 PM 224 Capítulo 6 Riesgo ambiental Tabla / 6.3 Factores que afectan la toxicidad de un químico o un material Actividad química de forma e innata. Dosificación, especialmente relación dosis-tiempo. Ruta de exposición. Especies. Capacidad para ser absorbido. Metabolismo. Distribución dentro del cuerpo. Excreción. Presencia de otros químicos. ejercer efectos carcinógenos o no carcinógenos. Se cree que contribuyen al cáncer de mama en las mujeres y al cáncer de próstata en los hombres. Los químicos identificados como interruptores endocrinos incluyen pesticidas (como el DDT y sus metabolitos), químicos industriales (como algunos surfactantes y los PCB), algunos fármacos de prescripción y otros contaminantes como las dioxinas (National Science and Technology Council, Estados Unidos, 1996). La probabilidad de una respuesta toxicológica se determina mediante la exposición a un químico (un factor en la ecuación 6.1): un producto de la dosis química y la duración sobre la cual dicha dosis es experimentada. En los seres humanos existen tres principales vías de exposición: ingestión (comer y/o beber), inhalación (respiración) y contacto dérmico (piel). La tabla 6.3 enlista factores importantes que afectan la toxicidad de un químico o un material. Algunos químicos (por ejemplo, la dioxina) son letales para la prueba en animales en muy pequeñas dosis, en donde otros crean problemas a niveles mucho mayores. La tabla 6.4 enlista compuestos químicos con amplia e j e m p l o / 6.2 Toxicidad del cromo ¿Qué forma del cromo, Cr(III) o Cr(VI), es tóxica? solución La toxicidad del cromo varía grandemente dependiendo de en cuál estado oxidativo se encuentra. Cr(III) o Cr+3 es relativamente no tóxico, mientras que Cr(VI) o Cr+6 causa daños a la piel o nasal y cáncer de pulmón. Por supuesto, los químicos pueden someterse a reacciones de oxidación y reducción en condiciones ambientales, así es que la liberación de la forma menor de toxicidad no significa que el cromo no poseerá riesgo alguno para la salud humana o el medio ambiente. ALFAOMEGA c06.indd 224 INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC 8/30/11 2:53:38 PM 6.3 Residuos peligrosos y químicos tóxicos 225 Tabla / 6.4 Dosis oral letal mediana para diversos organismos y químicos Químico Organismo LD50 (mg químico/kg peso corporal) Metil etil cetona Rata 5 500 Fluoranteno Rata 2 000 Pireno Rata 800 Pentaclorofenol Ratón 117 Lindano Ratón 86 Dieldrina Ratón 38 Sarín (gas nervioso) Rata 0.5 variación de toxicidades. Aquí, la toxicidad se define como causante de muerte, un punto final experimental que (para la prueba con animales) es más fácil determinarlo que, por ejemplo, el cáncer de pulmón. Un método común para expresar la toxicidad es en términos de la dosis letal mediana (LD50), la cual es la dosis que resulta en la muerte de 50% de una población de organismos de prueba. La LD50 se presenta típicamente como la masa de contaminante dosificada por masa (peso corporal) del organismo de prueba, utilizando unidades de mg/kg. Por lo tanto, un rodenticida con una LD50 de 100 mg/kg resultaría en la muerte de 50% de una población de ratas, cada una pesando 0.1 kg, si se aplicara a una dosis de 10 mg por rata. Una dosis de 20 mg por rata de 0.1 kg resultaría en la muerte de más de 50% de la población, y una dosis de 5 mg por rata de 0.1 kg resultaría en la muerte de menos de 50 por ciento. Un término similar, la concentración letal mediana (LC50), se utiliza típicamente en estudios de organismos acuáticos y representa la concentración de contaminante acuoso en el ambiente (opuesto a la dosis inyectada o ingerida) a la cual 50% de los organismos de prueba mueren. Para identificar la LD50 o la LC50, una serie de experimentos a distintas concentraciones arroja una curva de respuesta de dosis como se ilustra en la figura 6.3. Cambios más sutiles (de comportamiento o de desarrollo) también reflejan una respuesta tóxica pero son difíciles de evaluar. Estos puntos finales no letales son medidos como una concentración efectiva que afecta a 50% de la población (EC50). Recuerde que lo que determina la toxicidad no es sólo la dosis, sino también la duración de la exposición a un químico o sustancia. La toxicidad aguda se refiere a la muerte (o alguna otra respuesta adversa) resultante de la exposición a corto plazo (horas a días) a un químico. La toxicidad crónica se refiere a una respuesta resultante de la exposición a largo plazo (semanas a años) a un químico. Los efectos agudos son típicamente experimentados a concentraciones contaminantes más altas de los de efectos crónicos. Por ejemplo, la EPA ha INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC c06.indd 225 % de efecto o respuesta (ejem., mortalidad) FUENTE: Valores de Patnaik, 1992. Reimpreso de Mihelcic, 1999, con permiso de John Wiley & Sons, Inc. 100 50 EC50 o LC50 0 Concentración de químico de prueba Figura 6.3 Forma típica de curva de respuesta de dosis utilizada en la identificación de EC50 y LC50 para químicos y organismos de prueba ALFAOMEGA 8/30/11 2:53:38 PM 226 Capítulo 6 Riesgo ambiental Tabla / 6.5 Valores de LC50 de 48 horas para 2,4-D para organismos seleccionados Especie Daphnia magna (zooplancton) LC50 (mg/L) 25 Pimephales promelas (pez de agua dulce) 325 Trucha arcoiris 358 FUENTE: Patnaik, 1992. Reporte del mercurio al Congreso http://www.epa.gov/mercury/reportover. htm ALFAOMEGA c06.indd 226 establecido criterios de calidad de agua aguda (1.7 μg/L) y crónica (0.91 μg/L) para el mercurio (II) para proteger la vida acuática en los Grandes Lagos de los efectos tóxicos. Aquí, el criterio agudo es más alto que el valor crónico. A medida que la duración se incrementa, las concentraciones que pueden ser toleradas sin efecto adverso son más bajas. La toxicidad aguda del cobre para la trucha arcoiris ha demostrado que se reduce de una LC50 de 0.39 mg/L a una duración de 12 horas, a 0.13 mg/L a 24 horas, a 0.08 mg/L a 96 horas. La toxicidad de un químico específico también varía según la especie. La tabla 6.5 demuestra este efecto, comparando los valores de LC50 de 48 horas para el 2,4ácido diclorofenoxiacético (2,4-D), un herbicida común utilizado en las granjas y céspedes caseros, para diversos organismos acuáticos. Mientras que las concentraciones del 2,4-D enlistadas en la tabla 6.5 no tienen probabilidad de ser encontradas en aguas superficiales (aunque los niveles de químicos de agricultura en escorrentía se incrementan con las lluvias de primavera y el derretimiento de nieve), la variación observada en los valores de LC50 sugiere un escenario en el que las poblaciones microcrustáceas de sedimentos vivientes serían afectadas mientras que las poblaciones de peces no. Tal escenario podría alterar e irrumpir potencialmente la cadena alimentaria con grandes impactos en el ecosistema. Un entendimiento de la función de la cadena alimentaria y la bioacumulación y toxicidad de contaminantes (en cada nivel trófico) es necesario para evaluar adecuadamente el riesgo que plantean los contaminantes químicos miríados introducidos en nuestro medioambiente (vea el capítulo 5). La naturaleza específica de la toxicidad de las especies presenta un defecto fundamental en los procedimientos comúnmente aplicados para calcular los efectos en los seres humanos con base en experimentos con animales de prueba. Los seres humanos pueden ser sustancialmente más o menos susceptibles a los efectos tóxicos de un compuesto específico a una dosis determinada de lo que son los organismos sustitutos de laboratorio. Cuando se utilizan estudios animales para determinar estándares para exposición humana, las incertidumbres involucradas en la utilización de los resultados son contabilizados a través del uso de supuestos conservativos y aplicaciones de factores de seguridad que pueden resultar en un estimado que es conservativo mediante diversas órdenes de magnitud, una teoría basada en la filosofía “mejor seguro que lamentarlo”. En adición, el hecho de que alguna especie salvaje pueda ser más sensible a químicos tóxicos que los seres humanos, ha llevado a la promulgación del criterio de la calidad del agua en la que los estándares más rigurosos basados en la vida salvaje o en la salud humana regulan los límites de descargas. Por ejemplo, el nivel máximo de contaminantes (MCL) de cromo permitido para el agua potable es de 0.1 mg/L, mientras que el criterio agudo para la vida acuática de agua dulce es de 21 μg/L. En este caso, el estándar de la vida salvaje es de aproximadamente una quinta parte del valor basado en la salud humana. Los segmentos sensibles de una población, conocidos como poblaciones susceptibles, deben recibir distinta consideración al determinar los efectos tóxicos de los químicos o sustancias. Los segmentos embrionarios, juveniles, ancianos y/o enfermos de cualquier población (humana o ambiental) son propensos a ser más susceptibles a los efectos adversos de la exposición química de lo que son los adultos jóvenes saludables. En algunos casos, el sexo de un individuo también puede influir en su susceptibilidad. La toxicidad sinérgica resultante de la exposición a múltiples químicos, es un fenómeno que está recibiendo atención en aumento. Por ejemplo, considere dos compuestos con valores LC50 de 5 y 20 mg/L, respectivamente. Cuando se INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC 8/30/11 2:53:38 PM 6.4 Ética y riesgo de la ingeniería 227 Tabla / 6.6 Toxicidad combinada potencial resultante de la exposición a una mezcla de químicos A y B Tipo de interacción Efecto tóxico, químico A Efecto tóxico, químico B Efecto combinado, químicos A + B Aditividad 20% 30% 50% Antagonismo 20% 30% 5% Potenciación 0% 20% 50% Sinergismo 5% 10% 100% presentan juntos, sus valores individuales de LC50 pueden caer a 3 y 10 mg/L, niveles que son más bajos que los valores individuales LC50. En algunos casos, los químicos pueden tener el efecto opuesto (antagónico), resultando en una combinación que es menos tóxica que cuando se presenta por separado. La tabla 6.6 proporciona un ejemplo de los posibles efectos que las mezclas químicas tendrían en toxicidad combinada. Advierta que los efectos combinados de los dos químicos (A y B) pueden ser mayores o menores. Éste es un ejemplo de la dificultad en la evaluación de los riesgos de las mezclas químicas. Desafortunadamente, los estudios científicos de los efectos sinérgicos crónicos son escasos, en gran parte porque existe un sinnúmero de químicos y combinaciones de químicos y porque los experimentos de largo plazo involucran dificultades inherentes. 6.4 Ética y riesgo de la ingeniería Los ingenieros deben entender los riesgos ambientales para poder proteger a todos los segmentos de la sociedad y a todos los habitantes de los ecosistemas. Estos individuos incluyen a los residentes de comunidades en las que reside la ingeniería, la vida acuática que habita en un río corriente abajo de un sitio de construcción o planta de tratamiento y a la comunidad mundial de más de 6 mil millones de personas. Con mucha frecuencia, los ingenieros trabajan para minimizar o eliminar el riesgo de un miembro promedio de la sociedad o un habitante de un ecosistema que es valorado por su deporte recreacional o su beneficio comercial. Dadas las limitaciones de la evaluación de riesgos y la multitud de incertidumbres, los ingenieros necesitan considerar cuidadosamente todos los segmentos de la sociedad así como la salud del ecosistema (por ejemplo, la biodiversidad y las especies en peligro). También es importante reconocer los segmentos susceptibles de cualquier población que puedan ser significativamente más sensibles a la exposición ambiental de un químico o sustancia. Por ejemplo, el impacto de un químico variará según edad, género, estado de salud, ocupación y estilo de vida de una persona. En el fenómeno de la justicia ambiental, ciertos segmentos de la sociedad que se encuentran en desventaja socioeconómica pueden cargar con una mayor cantidad de riesgo ambiental. Un elemento de justicia ambiental INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC c06.indd 227 Carga mundial de morbilidad http://www.who.int/quantifying_ ehimpacts/en/ Justicia ambiental http://www.epa.gov/compliance/ environmentaljustice/ ALFAOMEGA 8/30/11 2:53:38 PM 228 Capítulo 6 Riesgo ambiental Instalaciones del TRI Instalaciones del TRI Ingreso mediano Ingreso $ 0–26 598mediano $ 0–26 598 $ 26 599–44 459 $ 26 599–44 459 $ 44 460–56 $ 44 607 460–56 607 $ 56 608–150 001 $ 56 608–150 001 Figura 6.4 Instalaciones requeridas para enlistar sus emisiones tóxicas en el TRI, por ingreso mediano Advierta que las instalaciones que emiten químicos tóxicos están ubicadas principalmente en las áreas con ingresos medianos menores. Meuser y Szacz, American Behavioral Scientist 43 (4), p. 602, derechos reservados © 2000. Reimpreso con autorización de SAGE Publications, Inc. Indigentes y medio ambiente http://www.unep.org/indigenous Discusión en clase Los individuos en desventaja económica también podrían estar viviendo en una ubicación en el mundo en desarrollo en donde están expuestos a agentes patógenos causantes de enfermedades en agua potable contaminada y ostentar la carga añadida de impacto de gran escala del sida y de los efectos crónicos de la malaria. El cambio climático que deshiela el hielo del Ártico está molestando la subsistencia de estilos de vida del pueblo Inuit, que vive en las regiones árticas, así como a los osos polares que se cazan en estas áreas. ¿Es justo que un riesgo mayor sea asumido por estos segmentos de la comunidad mundial? ALFAOMEGA c06.indd 228 es aparente en el Condado de Santa Clara, California, en donde las instalaciones que se requieren para enlistar sus emisiones tóxicas en el Inventario de Liberación de Tóxicos de la EPA se encuentran ubicadas en comunidades con ingresos medianos menores (figura 6.4). La gente en desventaja económica suele habitar lugares que los expone a un mayor número de concentraciones más altas de químicos tóxicos (por ejemplo, junto a carreteras que contribuyen a los contaminantes del aire, junto a las industrias que emiten químicos de preocupación, a favor del viento de los incineradores); vive en edificios que tienen materiales peligrosos asociados con construcciones más viejas o que tienen envejecimiento de su infraestructura; o tienen empleos con exposición elevada a materiales peligrosos. Estos individuos de mayor riesgo viven en áreas rurales o urbanas, teniendo por lo general poca influencia política y con frecuencia son miembros de grupos minoritarios en desventaja económica. Podrían ser segmentos de una población que tiene niveles de exposición elevados debido a sus hábitos de cacería o pesca debido a un estilo de vida más subsistente (como es el caso de los nativos americanos quienes comen más pescado o partes del pescado que contienen mayores concentraciones de tóxicos que en la dieta estadounidense promedio). Incluyen a las comunidades afroamericanas ubicadas cerca del intenso número de instalaciones de procesamiento de petróleo y químicos ubicadas a lo largo de la parte baja del Río Mississippi. INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC 8/30/11 2:53:38 PM 6.5 Evaluación del riesgo Recuadro / 6.3 Justicia ambiental y derechos humanos John Muir en el Río Merced con los Arcos Reales y la Columna de Washington al fondo, en el Parque Nacional de Yosemite, California. John Muir Papers, HoltAtherton Special Collections, University of the Pacific Library. Derechos Reservados 1984 MuirHanna Trust. John Muir, fundador del Sierra Club, dijo, “Todos necesitan la belleza tanto como el pan, lugares en donde jugar y en donde rezar, en donde la naturaleza puede sanar y dar fuerza al cuerpo y al alma por igual”. La EPA define la justicia ambiental como el “tratamiento justo y participación significativa de toda la gente sin importar raza, color, origen nacional o ingresos con respecto al desarrollo, implementación y ejecución de leyes, reglamentos y políticas ambientales”. http://www.who.int/en/ La constitución de la Organización Mundial de la Salud (escrita por primera vez en 1946) dice: “El disfrute del estándar de salud más alto alcanzable es uno de los derechos fundamentales de todo ser humano”. En 2002, el agua fue reconocida como un derecho básico cuando el Comité de las Naciones Unidas para los Derechos Económicos, Sociales y Culturales acordó: “El derecho al agua claramente cae dentro de la categorías de garantías esenciales para asegurar un estándar de vida adecuado, particularmente debido a que es una de las más fundamentales condiciones para la supervivencia”. Los ingenieros tienen la responsabilidad de considerar a estos individuos en riesgo y a las comunidades que habitan y de minimizar, o eliminar, la probabilidad de que ostenten una mayor proporción de riesgo ambiental que los segmentos de la sociedad más saludables, mejor educados o políticamente más poderosos. Con el nuevo y creciente conocimiento de diseño sustentable e ingeniería verde, se tiene la capacidad de lograr estos retos al continuar mejorando la calidad de vida para todos los segmentos de la sociedad en el mundo en desarrollo y en el desarrollado al emplear algunos químicos y materiales benignos, reduciendo el consumo de energía y material, y tomando una perspectiva del sistema. 6.5 Evaluación de riesgo Las evaluaciones del riesgo crean preguntas como éstas: ¿Qué problemas de salud son causados por químicos y sustancias liberadas en el hogar, lugar de trabajo y medio ambiente? ¿Cuál es la probabilidad de que los seres humanos logren experimentar un efecto de salud adverso cuando son expuestos a concentraciones específicas de químicos? ¿Qué tan severa sería la respuesta adversa? Lo que resta de este capítulo se enfoca principalmente en cómo cuantificar los riesgos asociados con la exposición a químicos y otros agentes ambientales y los impactos subsecuentes en la salud humana. Los cuatro componentes de una evaluación de riesgo completa son: 1) evaluación del peligro, 2) evaluación de la dosis-respuesta, 3) evaluación de la exposición y, 4) caracterización del riesgo. La figura 6.5 ilustra cómo estos cuatro elementos se integran. Una evaluación de riesgo organiza y analiza un gran conjunto de información incrustada en los cuatro compoINGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC c06.indd 229 229 Evaluación de riesgo http://www.epa.gov/risk/ Discusión en clase Las tres declaraciones provistas en el recuadro 6.3 sugieren que los seres humanos necesitan lugares silvestres, los que se encuentran en desventaja económica no deberían ser obligados con un porcentaje desproporcionado de riesgo ambiental, y acceder a un nivel básico de agua dulce y saneamiento, un lugar de trabajo saludable, y un medio ambiente saludable y derechos legales, en lugar de comodidades o servicios que deberían ser marginados o privatizados. ¿Está de acuerdo con estas tres declaraciones? ¿A toda la gente en el mundo debería garantizársele algún acceso básico al agua que garantizaría algún nivel específico de salud? ¿Qué hay acerca de los ecosistemas? ALFAOMEGA 8/30/11 2:53:39 PM 230 Capítulo 6 Riesgo ambiental Evaluación del peligro Evaluación de la dosis-respuesta Evaluación de la exposición Caracterización del riesgo Figura 6.5 Componentes de una evaluación del riesgo completa Las evaluaciones de la respuesta a la dosis y a la exposición se combinan para arrojar una caracterización del riesgo. Recuadro / 6.4 nentes para determinar si algún peligro ambiental resultará en un impacto adverso en los seres humanos o en el medioambiente. El peligro ambiental podría ser la exposición a un químico específico o a un elemento más amplio tal como el cambio climático. 6.5.1 EVALUACIÓN DEL PELIGRO Una evaluación del peligro no es una evaluación del riesgo. Una evaluación del peligro consiste en una revisión y análisis de datos de toxicidad, evidencia de peso de que una sustancia provoca varios efectos tóxicos y la evaluación de si los efectos tóxicos en un contexto ocurrirán también en otros contextos. La evaluación del peligro determina si un químico o una sustancia están o no vinculados con una preocupación particular de la salud, mientras que una evaluación del riesgo tomará en cuenta la evaluación del peligro, así como la evaluación de la exposición. Las fuentes de datos de toxicidad incluyen los estudios de pruebas de ensayo, estudios de animales y estudios de seres humanos. Los estudios de prueba de ensayo son rápidos y relativamente fáciles, así es que se utilizan por lo común para cribar químicos. Los estudios de animales pueden medir efectos agudos o crónicos. Podrían investigar un punto final general (por ejemplo, la muerte) o un punto final más especializado (por decir, un defecto de nacimiento). Los estudios controlados de laboratorio se utilizan comúnmente para determinar la toxicidad de químicos específicos en la vida acuática. Los estudios de seres humanos típicamente consisten de estudios de casos que alertan a la sociedad sobre un problema y sobre estudios epidemiológicos controlados más extensos. El mejor estudio para determinar el impacto en los seres humanos es el estudio epidemiológico. La epidemiología es el estudio de las enfermedades en las poblaciones de seres humanos o animales, específicamente cómo, cuándo y en dónde ocurren. Los epidemiólogos intentan determinar qué factores están asociados con las enfermedades (factores de riesgo) y qué factores pueden proteger a la gente o a los animales contra la enfermedad (factores protectores). Bases de datos toxicológicos humanos y de ecosistemas Integrated Risk Information System (IRIS) El Integrated Risk Information System (IRIS) es una base de datos electrónica que contiene información sobre el efecto de cientos de químicos en la salud humana (vea www.epa.gov/iris/). El IRIS proporciona información para dos componentes de una evaluación de riesgo: la evaluación del peligro y la evaluación de la dosis-respuesta. El IRIS fue desarrollado por la EPA y está escrito por profesionales involucrados en la evaluación del riesgo, la toma de decisiones y las actividades reguladoras. De esta manera, la información la pueden utilizar individuos que no tienen experiencia en toxicología. El IRIS contiene información descriptiva y cuantitativa sobre la identificación del riesgo, factores de pendientes ALFAOMEGA c06.indd 230 orales, unidades de riesgo orales y de inhalación para efectos carcinógenos, así como dosis de referencia oral (RfDs) y concentraciones de inhalación de referencia (RfCs) para efectos crónicos no carcinógenos en la salud. Estos temas se comentan más adelante en este capítulo. Ecotoxicología La EPA mantiene la base de datos ECOTOX como una fuente para localizar datos de toxicidad de un solo químico en la vida acuática y las plantas terrestres y la vida silvestre (vea www.epa.gov/ecotox/). Esta base de datos se puede utilizar para apoyar las evaluaciones de peligro ecológico y para evaluar el daño potencial asociado con las aguas residuales efluentes y/o lixiviados. INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC 8/30/11 2:53:40 PM 6.5 Evaluación del riesgo 231 Tabla / 6.7 Dificultades de los estudios epidemiológicos Igualar a los grupos de control es difícil, debido a que los factores que llevan a la exposición a un químico pueden estar asociados con otros factores que afectan a la salud. La sociedad se ha vuelto más móvil, así que puede ser que los individuos ya no vivan en la misma comunidad durante toda su vida. Los certificados de muerte generalmente miden sólo la causa de la muerte, así es que pierden las condiciones de salud que los individuos tuvieron durante el curso de su vida. Otros puntos finales de toxicidad además de la muerte (por ejemplo, abortos involuntarios, infertilidad, dificultades del aprendizaje) pueden no estar medidos con el uso de los certificados de muerte. Los datos de exposición certeros pueden ser difíciles de obtener para un gran grupo de individuos. Se requieren grandes poblaciones para estos estudios para que los análisis estadísticos rigurosos puedan aplicarse a los datos. Muchas enfermedades pueden tomar años para desarrollarse. c06.indd 231 ua : / /v i r t INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC ttp puede interactuar con el proceso metabólico del sujeto u otros receptores ega.c .mx/h DOSIS Una dosis es la cantidad de un químico recibida por un sujeto que om om 6.5.2 EVALUACIÓN DE LA DOSIS-RESPUESTA l.alfa Los estudios epidemiológicos se dividen en dos clases básicas dependiendo si los eventos ya han ocurrido (retrospectiva) o si los eventos pueden suceder en el futuro (prospectiva). Los estudios más comunes son los estudios retrospectivos a los cuales también se les llama estudios de control de caso. Un estudio de control de caso puede comenzar cuando se observa el brote de una enfermedad y sus causas no son conocidas, o cuando la enfermedad es poco común dentro de la población en estudio. Sin embargo, estas clases de estudios tienen dificultades que se resumen en la tabla 6.7. Con los estudios epidemiológicos es extremadamente difícil probar la causalidad, esto significa probar que un factor de riesgo específico efectivamente causó la enfermedad que se está estudiando. La evidencia epidemiológica puede, sin embargo, fácilmente probar que este factor de riesgo está asociado (correlacionado) con un incidente mayor de enfermedad en la población expuesta a dicho factor de riesgo. Mientras más alta es la correlación, más certera es la asociación. El peso de la evidencia es una breve narrativa que sugiere el potencial sobre si un químico o sustancia pueden actuar como carcinógenos para los seres humanos. En la actualidad, el peso de la evidencia está clasificado en uno de los cinco descriptores enlistados en la columna izquierda de la tabla 6.8. Los científicos que analizan los datos disponibles obtenidos de los estudios de animales o de seres humanos desarrollan estos descriptores para carcinógenos. La columna derecha de la tabla 6.8 resume cómo estos descriptores están relacionados con la calidad y la cantidad de datos disponibles. El IRIS (descrito en el recuadro 6.4) proporciona información sobre el descriptor asociado con químicos en particular. Dosificación ALFAOMEGA 8/30/11 2:53:40 PM 232 Capítulo 6 Riesgo ambiental Tabla / 6.8 Explicación de los descriptores del peso de la evidencia Descriptor del peso de la evidencia Relación del descriptor con la evidencia científica Carcinógenos para seres humanos Evidencia epidemiológica convincente demuestra la causalidad entre la exposición humana y el cáncer, o la evidencia demuestra excepcionalmente cuando existe evidencia epidemiológica fuerte, evidencia animal extensiva, conocimiento del modo de acción e información de que el modo de acción es anticipado para suceder en seres humanos y progresar en tumores. Probabilidad de ser carcinógenos para seres humanos Efectos de tumores y otros datos clave son adecuados para demostrar el potencial carcinógeno para los seres humanos pero no alcanzan el peso de la evidencia para ser carcinógenos para los seres humanos. Evidencia sugestiva de potencial carcinógeno Datos humanos o animales son sugestivos de ser carcinógenos, lo cual crea una preocupación sobre los efectos carcinogénicos pero no se juzga lo suficiente para una conclusión más fuerte. Información inadecuada para evaluar el potencial carcinógeno Datos que se juzgan como inadecuados para desempeñar una evaluación. No es probable que sea carcinógeno para los seres humanos Los datos disponibles se consideran robustos como para decidir que no existe base alguna para preocupación de peligro carcinógeno humano. FUENTE: EPA, Lineamientos para la evaluación de riesgo carcinógeno, marzo 29, 2005. biológicos después de que la dosis cruza una frontera exterior. Dependiendo del contexto, la dosis puede ser: 1) la cantidad de químico administrada al sujeto, 2) la cantidad administrada al sujeto que alcanza una ubicación específica en el organismo (por ejemplo, el hígado) o, 3) la cantidad disponible para la interacción dentro del organismo de prueba después de que el químico cruza una barrera como la pared del estómago o la piel. Para calcular la dosis asociada con un químico, determine la masa del químico administrado por unidad de tiempo y divídalo entre el peso del individuo. En el caso de un adulto o niño que está bebiendo agua que contiene un químico en cuestión, la dosis puede determinarse como se muestra en el ejemplo 6.3. e j e m p l o / 6.3 Determinación de la dosis Asuma que el químico en cuestión tiene una concentración de 10 mg/L en el agua potable, que los adultos beben 2 litros de agua por día y los niños beben 1 litro de agua por día. Asuma también que un hombre adulto pesa 70 kg, una mujer adulta pesa 50 kg y un niño pesa 10 kg. ¿Cuál es la dosis para cada uno de estos tres miembros de la sociedad? solución Para encontrar la dosis asociada con un químico, determine la masa del químico tomada por unidad de tiempo y divídalo entre el peso del ALFAOMEGA c06.indd 232 INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC 8/30/11 2:53:40 PM 6.5 Evaluación del riesgo e j e m p l o / 6.3 233 Continuación individuo. En esta situación, la única ruta de exposición es al beber agua contaminada. La dosis para lo tres segmentos de la sociedad puede ser determinada de la siguiente manera: 10 mg L Dosis de mujer adulta: 10 Dosis de niño: L día 50 kg 10 Dosis de hombre adulto: * 2 mg L * 2 L día 70 kg mg L * 1 10 kg L día = 1.0 = 0.40 = 0.29 mg kg-día mg kg-día mg kg-día Advierta que, en este ejemplo, la dosis recibida por el niño y la mujer adulta es más grande que la recibida por el hombre adulto. Esta es una razón por la que ciertos segmentos de la sociedad pueden estar en mayor riesgo cuando son expuestos a un químico específico. Otra razón es que, en la mayoría de las situaciones, los niños, los adultos mayores y los enfermos son dañados en mayor proporción por la exposición a químicos tóxicos y gérmenes patógenos que los adultos jóvenes y saludables. Lo mismo aplicaría para las plantas y los animales que habitan los ecosistemas. Al determinar la dosis, los científicos pueden contar la absorción del químico. Por ejemplo, la pared estomacal puede actuar como una barrera para la absorción de algunos químicos que son ingeridos, mientras que la piel puede actuar como una barrera para los químicos que entran en contacto con las manos. Para contar con el hecho de que 100% de la toma (o absorción) de algunos químicos no sucede, multiplique la dosis por el porcentaje absorbido (denominado f en el ejemplo 6.4). El valor de f típicamente es de 0 a 0.1 (de 1 a 10 por ciento) para los metales y de 0 a 1.0 (de 0 a 100 por ciento) para muchos orgánicos. En muchos estados de Estados Unidos, la eficiencia de absorción aplicable al contacto dérmico se considera que es de 10% (f = 0.10) en cuanto al contacto con químicos orgánicos volátiles o semivolátiles y de 1% (f = 0.01) para los químicos inorgánicos. En cuanto a la ingestión de tierra y polvo contaminados, se asume que es de 100% (f = 1.0) para químicos orgánicos volátiles y de 100% para los químicos absorbidos más fuertemente a la tierra (por ejemplo, los PCB y pesticidas). Sin embargo, el medio en el que el químico está presente (agua contra lípidos, aire contra agua) puede determinar la extensión de la absorción. DOSIS-RESPUESTA En los estudios de animales de laboratorio, el daño a la salud típicamente se mide sobre un rango de dosis (mínimo tres). Debido a que las poblaciones de muestras son mantenidas bajas durante INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC c06.indd 233 ALFAOMEGA 8/30/11 2:53:40 PM 234 Capítulo 6 Riesgo ambiental e j e m p l o / 6.4 Contabilidad de la eficiencia de absorción al determinar la dosis Asuma que los científicos saben que sólo 10% del químico comentado en el ejemplo 6.3 es absorbido a través de la pared estomacal. En este caso, la exposición al químico fue únicamente a través de agua potable contaminada. ¿Cuál es la dosis para las tres poblaciones objetivo? solución Debido a que 10% del químico es transportado a través de la pared estomacal, f = 0.10. Las dosis que cuentan para el transporte incompleto del químico en cuestión para los tres segmentos de sociedad son las siguientes: 10 mg Dosis de mujer adulta: 10 Dosis de niño: mg L L día = 0.04 50 kg 10 Dosis de hombre adulto: L * 0.10 * 2 mg L * 0.10 * 2 70 kg * 0.10 * 1 10 kg L día L día = 0.029 = 0.10 mg kg-día mg kg-día mg kg-día Aquí, la dosis es mucho más baja que cuando el efecto de absorción fue descuidado; sin embargo, los niños y las mujeres adultas aun reciben una dosis más grande que los hombres adultos. estos estudios para ahorrar tiempo y dinero, las dosis aplicadas deben estar a concentraciones relativamente altas, esto es, a concentraciones más altas de las que se observan típicamente en el medio ambiente (por ejemplo, en el lugar de trabajo y en el hogar). Consecuentemente, una evaluación de la dosis-respuesta se lleva a cabo para permitir una extrapolación de los datos obtenidos de los estudios de laboratorio desarrollados para dosis más altas a dosis más bajas que son más representativos de la vida diaria. Debido a este proceso de extrapolación, la evaluación puede pasar por alto peligros como los efectos de interrupción endocrina, los cuales pueden suceder con dosis excesivamente bajas. Sin embargo, como se describe en esta sección, las evaluaciones de la respuesta a la dosis son llevadas a cabo de maneras diferentes para los carcinógenos y los no carcinógenos. Carcinógenos Los científicos tienen conocimiento de los efectos carcinógenos de los químicos principalmente a través de estudios en pruebas de animales de laboratorio. Los estudios de laboratorio son manejados a dosis más altas para que los científicos puedan observar cambios estadísticos ALFAOMEGA c06.indd 234 INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC 8/30/11 2:53:40 PM como respuesta según la dosis. En este caso, la respuesta adversa es la formación de un tumor o algún otro signo de cáncer. Los carcinógenos son tratados como si tuvieran efecto sin umbral, lo cual es, según la suposición de que cualquier exposición a una sustancia causante de cáncer resultará, con un grado de incertidumbre, en la iniciación de un cáncer. La figura 6.6 muestra un ejemplo de una evaluación de dosis-respuesta para un químico carcinógeno. Debido a que un acercamiento científico conservador se utiliza y, como se ha visto previamente, la evidencia sugiere que no existe ningún efecto umbral, la intersección de la curva dosis-respuesta a bajas dosis está entre la intersección del cero. La aplicación de tal modelo de la dosis-respuesta implica que la probabilidad de contraer cáncer es de cero, sólo si la exposición al carcinógeno es de cero. La pendiente de la curva dosis-respuesta a dosis muy bajas es llamada factor de potencia o factor de pendiente. El factor de pendiente es un estimado por arriba del límite del riesgo por el incremento de dosis que se puede utilizar para calcular las probabilidades de riesgo carcinógeno para diferentes niveles de exposición. Como se muestra en la figura 6.6, el factor de pendiente tiene unidades de mg/kg por día inversas o (mg/kg por día)−1. Ésta iguala la unidad de riesgo para una toma diaria crónica de 1 mg/kg por día. Los valores del factor de pendiente para muchos químicos carcinógenos están disponibles en la base de datos del IRIS (vea el recuadro 6.4). Como verá después en diversos ejemplos, para obtener el riesgo general se multiplica el factor de pendiente por la dosis calculada. Para la mayoría de las evaluaciones de riesgo se determina la dosis diaria promedio al asumir que un individuo está expuesto a la máxima concentración del carcinógeno durante toda su vida. En este caso, se asume que el individuo adulto vive 70 años y pesa 70 kg. Este tiempo promedio de 70 años puede ser diferente al tiempo real de exposición, como se comentará más adelante al reunir todo para realizar una asesoría de riesgo para determinar una limpieza basada en riesgo de nivel de contaminantes encontrados en el agua potable y la tierra. Probabilidad de contraer cáncer (riesgo) 6.5 Evaluación del riesgo 235 Curva lineal de dosis-respuesta Δy ⎛ mg ⎞ es el factor de pendiente, unidades de Δx ⎝ kg-día⎠ –1 1 Dosis (mg/kg-día) Figura 6.6 Relación lineal de dosisrespuesta para una sustancia o químico carcinógeno La intersección de cero indica que, de acuerdo con este modelo, no existe ningún efecto umbral, así es que la probabilidad de contraer cáncer es de cero sólo si la exposición a un carcinógeno es de cero. El eje y puede pensarse como la probabilidad de contraer cáncer a una dosis dada. El eje x es la dosis (mg de químico por kg de peso corporal por día). La pendiente de la curva dosis-respuesta cerca de la intersección para una dosis de 1 mg/kg por día es referida como el factor de potencia o factor de pendiente, con unidades de mg/kg por día inversas. No carcinógenos Los químicos no carcinógenos no inducen tumores. En este caso, el punto final adverso sería un impacto en la salud como enfermedad del hígado, dificultades del aprendizaje, pérdida de peso o infertilidad. Obviamente, muchos puntos finales no resultan en cáncer o en la muerte. Un punto importante que se debe entender es que, a diferencia de los carcinógenos, se asume que los no carcinógenos tienen un efecto umbral. Esto es, existe una dosis límite o nivel límite por debajo de la cual se cree que no existe un impacto adverso. La figura 6.7 muestra la evaluación de la dosis-respuesta para un no carcinógeno. En la figura 6.7 se definen diversos términos nuevos. Primero, existe un nivel de efecto adverso no observable (NOAEL). El NOAEL es la dosis (unidades de mg/kg por día) a la que no se observa ningún efecto de salud adverso. Una dosis menor o igual a este nivel se considera como segura. Sin embargo, debido a que existe incertidumbre en esta dosis segura de no carcinógenos, los científicos aplican dos factores de seguridad al NOAEL para determinar la dosis de referencia (RfD). La dosis de referencia está definida por la EPA como un estimado, con incertidumbre que abarca tal vez un orden de magnitud, una exposición oral diaria a la población humana (incluyendo subgrupos sensibles) que se encuentra probablemente sin un riesgo apreciable de efecto deletéreo durante una vida. INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC c06.indd 235 ALFAOMEGA 8/30/11 2:53:40 PM Probabilidad de efectos de salud adversos (riesgo) 236 Capítulo 6 Riesgo ambiental La RfD se puede expresar matemáticamente: NOAEL RfD = _______ UF Nivel de efecto adverso no observable (NOAEL) Dosis de referencia (RfD) Umbral Curva de dosis-respuesta Dosis (mg/kg-día) Figura 6.7 Relación de dosis-respuesta para un químico o sustancia no carcinógena Advierta la presencia de un umbral de dosis por debajo del cual no se observa respuesta adversa para la respuesta que está siendo evaluada. El eje y puede considerarse como la probabilidad de contraer un efecto adverso a una dosis determinada. El eje x es la dosis (mg de químico por kg de peso corporal por día). El NOAEL es la dosis a la cual no se observa efecto de salud adverso. Las dosis menores o iguales a este nivel pueden considerarse como seguras. La dosis de referencia (RfD) es un estimado de una dosis de vida que probablemente no tiene riesgo significativo. Las RfDs se utilizan para su ingestión oral a través de rutas de exposición como beber agua o ingerir alimentos. (6.2) Advierta que la ecuación 6.2 y la figura 6.7 muestran que la DdR es más baja que el NOAEL. El factor de incertidumbre (UF) normalmente tiene un rango de 10 a 1 000. La aplicación del UF cuenta para diversas incertidumbres al aplicar los valores NOAEL para calcular los valores DdR. (Más adelante, el recuadro 6.6 comenta estas incertidumbres y cómo cuentan los valores UF para estas incertidumbres en la caracterización del riesgo.) La inclusión del UF para determinar una dosis segura muestra que la dosis de referencia (unidades de mg/kg-día) fue desarrollada para contar para la incertidumbre asociada con la conducción de estudios de dosisrespuesta en pequeñas poblaciones de animales de prueba homogéneos para la aplicación a seres humanos. La dosis de referencia también debe contar para grupos de sociedades (como los niños) que pueden ser más sensibles a los químicos. Como se verá más adelante, las dosis de referencia se utilizan en las evaluaciones de riesgo para tomas orales de no carcinógenos al beber agua o ingerir alimentos. La concentración de referencia (RfC) fue desarrollada como un estimado de una exposición a la inhalación (por respiración) para una duración determinada que es probable que no tenga un riesgo apreciable de efectos adversos a la salud durante una vida. La concentración de referencia puede considerarse como un estimado (con la incertidumbre de un orden de magnitud o mayor) de la exposición por inhalación continua a un no carcinógeno que probablemente no implique riesgo significativo para poblaciones humanas. La base de datos del IRIS proporciona valores separados para el RfD y el RfC. 6.5.3 EVALUACIÓN DE LA EXPOSICIÓN El propósito de la evaluación de la exposición es el de determinar la extensión y frecuencia de la exposición humana a químicos específicos. Algunas de las preguntas que se responden mediante la evaluación de la exposición se enlistan en la tabla 6.9. Tabla / 6.9 Algunas preguntas respondidas durante la evaluación de la exposición ¿Cuáles son las fuentes importantes de químicos (por ejemplo, aplicación de pesticida)? ¿Cuáles son las vías (por ejemplo, agua, aire, alimentos) y rutas de exposición (por ejemplo, ingestión, inhalación, contacto dérmico)? ¿A qué cantidad del químico está expuesta la gente? ¿Qué tan frecuente está expuesta la gente? ¿Cuánta incertidumbre se asocia con los estimados? ¿Qué segmentos de la sociedad (o ecosistema) tienen mayor riesgo? ALFAOMEGA c06.indd 236 INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC 8/30/11 2:53:40 PM 6.5 Evaluación del riesgo La evaluación de la exposición también puede determinar el número de personas expuestas y el grado de absorción mediante varias rutas de exposición. Recuerde que el estudio de la evaluación de la exposición también deberá determinar la exposición de los individuos promedio en la sociedad y de los grupos de alto riesgo (por ejemplo, trabajadores, niños, mujeres, grupos en desventaja económica, adultos mayores, residentes de área). Los niños en general tienen una dieta más limitada que puede llevar a exposiciones relativamente más altas pero intermitentes. También hacen cosas como gatear y llevarse a la boca manos y objetos, lo cual resulta en una exposición incrementada a los químicos mediante la ingestión oral. Los adultos mayores y los incapacitados pueden tener estilos de vida sedentarios, lo cual cambia su exposición. Las mujeres embarazadas y en lactancia generalmente consumen más agua, lo que puede llevar a una diferente evaluación de la exposición. Por último, las muchas diferencias psicológicas entre los hombres y las mujeres, como el peso corporal y las tasas de inhalación, pueden llevar a diferencias importantes en las exposiciones. La evaluación de la exposición también puede ser aplicada a una ubicación específica. Como se mencionó antes en este capítulo, la exposición adicional podría estar asociada con el hecho de vivir cerca de una carretera, incinerador, relleno sanitario o fábrica. Podría también estar asociada con el hecho de vivir o trabajar en un tipo particular de edificio, beber de una fuente de agua específica, o comer un tipo y cantidad particular de alimento. Se consideran muchos detalles, y un estudio científico va junto con cada uno de estos escenarios. Recuadro / 6.5 c06.indd 237 Tabla / 6.10 Algunas barreras clave para el redesarrollo de zonas industriales abandonadas Elementos de responsabilidad. Diferencias en los estándares de limpieza (pueden variar entre los gobiernos federal y estatal). Incertidumbre de costos asociada con la evaluación de la contaminación y la limpieza. Obtención de financiamiento, debido a que los prestamistas querrán que el gobierno deslinde responsabilidades asociadas con estos sitios. Asuntos concernientes en la comunidad. Zonas industriales abandonadas De acuerdo con la EPA, las zonas industriales abandonadas son “sitios comerciales e industriales abandonados, olvidados o subutilizados en donde la expansión o el redesarrollo es complicado debido a la contaminación ambiental real o percibida”. En Estados Unidos existe un estimado de medio millón de zonas industriales abandonadas, principalmente ubicadas en áreas urbanas. Los asuntos concernientes en justicia ambiental y económica están asociados con estos sitios, debido a que muchas están ubicadas en las comunidades más pobres. Desafortunadamente, las zonas industriales abandonadas típicamente permanecen olvidadas debido a que los compradores, los prestamistas y los desarrolladores habitacionales se alejan por razones de responsabilidad y buscan establecimientos de espacios verdes, esto es, espacios abiertos típicamente ubicados en las afueras de pueblos y ciudades. Sin embargo, el desarrollo de espacios verdes no es deseable para la sociedad y el medio ambiente debido a cuestiones como la pérdida de tierras de cultivo y su estilo de vida asociado, la pérdida de espacio abierto y el hábitat de la vida silvestre, y los problemas de inundaciones relacionados con la administración de aguas pluviales y la pavimentación, lo cual causa incremento en la escorrentía. Otro conjunto de impactos no deseados asociados con el desarrollo de espacios verdes es que no existe infraestruc- INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC 237 tura (a menos que sea un área urbana), así es que debe construirse y pagarse (lo cual consume energía y materia prima). En adición, la ubicación de empleos lejos del núcleo urbano pueden aislar a los empleadores de los trabajadores que no poseen un vehículo o tendrían que hacer diversos trasbordes de autobús para llegar a su sitio de trabajo. También, el desarrollo de espacios verdes generalmente resulta en problemas futuros de extensión y congestión. En contraste, las zonas industriales abandonadas están normalmente ubicadas cerca de infraestructura de ambiente de construcciones existentes, transportación de masas y fuentes de trabajo. Por lo tanto, no existen beneficios económicos, sociales y ambientales claros para redesarrollar una zona industrial abandonada en vez de desarrollar un establecimiento de espacio verde. La tabla 6.10 enlista algunas barreras clave para el redesarrollo de zonas industriales abandonadas. Escuchar las preocupaciones de la comunidad, atraer a los inversionistas y trabajar con unidades de gobierno locales en el planeamiento del proceso son componentes críticos del trabajo del ingeniero para un redesarrollo exitoso de zonas industriales abandonadas. Puede saber más acerca de las zonas industriales abandonadas visitando el sitio de la EPA, www.epa.gov/ brownfields. ALFAOMEGA 8/30/11 2:53:40 PM 238 Capítulo 6 Riesgo ambiental Edificios verdes en zonas industriales abandonadas http://www.epa.gov/brownfields/ sustain.htm Zonas industriales abandonadas en Nueva Jersey http://www.nj.gov/dep/srp/brownfields ALFAOMEGA c06.indd 238 Debido a limitaciones de espacio, el enfoque será en cómo la evaluación de la exposición está relacionada con el uso de la tierra para propósitos residenciales, comerciales e industriales. Mucha de esta actividad está asociada con la toma de decisiones relacionada con propiedades de ingeniería abandonadas u olvidadas (denominadas zonas industriales abandonadas, comentadas en el recuadro 6.5) para algo que sea beneficioso para la sociedad y el medio ambiente. Muchas veces, las zonas industriales abandonadas son contaminadas por actividades pasadas en ese sitio. El redesarrollo de las zonas industriales abandonadas requiere que un ingeniero trabaje con un grupo diverso de los inversionistas –miembros de la comunidad, organizaciones no gubernamentales, funcionarios de gobierno, prestamistas financieros, agentes de bienes raíces y desarrolladores habitaciones– para logar un uso de valor agregado para este sitio. La tabla 6.11 muestra tres tipos de uso de suelo y parámetros asociados utilizados en una evaluación de exposición. Los tres tipos de uso de suelo considerados en la tabla 6.11 son residencial, industrial y comercial. Los ejemplos de actividades específicas que constituyen cada uso también se proporcionan en la tabla. La categoría de uso de suelo comercial es extremadamente variado, así es que se puede dividir en diferentes subtipos. Por ejemplo, el uso comercial puede incluir guarderías, escuelas, gasolineras, almacenes de maderas, edificios gubernamentales, oficinas de profesionales y negocios comerciales que sirven alimentos. En todos estos casos, existen distintos niveles de restricciones en cuanto al acceso público y distintos niveles de exposición para los trabajadores y los clientes. La tabla 6.11 también calcula el consumo humano de químicos a través de mecanismos como beber agua, respirar aire e ingerir tierra (polvo). También puede existir contacto dérmico mediante el contacto directo con químicos o tierras contaminadas. Los cálculos de estas tasas de consumo (IR) están basados en estudios científicos, el tipo de individuo y la actividad que se lleva a cabo en el sitio. Como podrá imaginarse, la especificidad del sitio está relacionada con la evaluación de la exposición. Por ejemplo, la tabla 6.12 muestra la cantidad de tierra que se adhiere al cuerpo y es ingerido a diario por poblaciones humanas específicas basadas en el uso de suelo y empleos asociados. Para determinar la adherencia a la tierra, los científicos necesitan conocer cuánta piel está expuesta a contacto dérmico potencial (piel) con los químicos y tierra contaminada. Como ejemplo, los científicos asumen que un trabajador adulto usa camisa de manga corta, pantalón largo y zapatos. La cantidad de área de superficie de piel expuesta al polvo y a la suciedad para estas suposiciones de ropa es también una función del peso corporal del trabajador. El área dérmica total disponible para el contacto entonces es asumida como 3 300 cm2. Esto supone que la piel expuesta consiste de la cabeza (1 200 cm2), manos (900 cm2) y antebrazos (1 200 cm2). Las condiciones climáticas como el recubrimiento de nieve y las condiciones de congelamiento no se supone que afecten la cantidad de tierra ingerida por el ser humano debido a que los estudios sugieren que hasta 80% del polvo en el aire de los interiores proviene de la tierra externa. Se cree que la tierra externa es transportada hacia adentro de los edificios mediante la deposición atmosférica, calefacción, ventilación y sistemas de aire acondicionado y al tráfico peatonal. El ambiente del aire de interiores claramente afecta a la salud, especialmente debido a que, como se declaró antes, los estadounidenses gastan ahora 85% de su día en el interior de algún tipo de edificio. Sin embargo, la evaluación de la exposición dérmica a la tierra contaminada también consideraría las condiciones climáticas en las áreas del INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC 8/30/11 2:53:40 PM 6.5 Evaluación del riesgo 239 Tabla / 6.11 Usos de suelo y suposiciones de evaluación de exposición asociadas con cada uso La EPA publica un Manual de factores de exposición que proporciona más detalles sobre valores específicos utilizados en la evaluación de la exposición (Centro Nacional para la Evaluación Ambiental, EPA/600/P-95/002F, 1997). Uso de suelo Ejemplos de este uso de suelo Tasas de consumo (IR) de agua, inhalación de aire e ingestión de tierra* Frecuencia de exposición (EF) (días por año) y duración de exposición (ED) (años) Residencial (la actividad principal es residencial) Viviendas de una sola familia, condominios, edificios de departamentos Toma de niños 1 L/día Por tomar agua: EF: 350 días/año ED: 30 años Toma de adultos 2 L/día Por inhalación de aire: EF: 350 días/año ED: 30 años Por ingestión de tierra Inhalación de adultos ED: 6 años para 20 m3/día niños entre 1-6 ED: 24 años para adultos Consumo de niños EF: 350 días para entre 1-6 años niños y adultos 200 mg tierra/día Adults consume 100 mg soil/day Industrial (la actividad principal es industrial o la zonificación es industrial) Fabricación, servicios, investigación y desarrollo industrial, almacenamiento de petróleo bruto Toma de adultos 1 L/día Por tomar agua: EF: 245 días/año ED: 21 años Inhalación de adultos Por inhalación de aire 10 m3/día EF: 245 días/año ED: 21 años Por ingestión de tierra: ED: 21 años para adultos EF: 245 días para niños y adultos Comercial (el uso es un negocio o se pretende que sea para hospedar, educar o proporcionar cuidados para niños, adultos mayores, enfermos u otras subpoblaciones sensibles) Guarderías, instalaciones educativas, hospitales, casa hogar para adultos mayores y centros de cuidado, tiendas de conveniencia, oficinas de profesionales, almacenes, gasolineras, autoservicios, instituciones financieras, edificios gubernamentales Toma de adultos 1 L/día Por tomar agua EF: 245 días/año ED: 21 años Inhalación de adultos 10 m3/día Por inhalación de aire EF: 245 días / año ED: 21 años Por ingestión de tierra EED: 21 años para adultos EF: 245 días para niños y adultos * Recuerde que el peso promedio para un hombre, una mujer y un niño es, respectivamente, de 70 kg, 50 kg y 10 kg. INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC c06.indd 239 ALFAOMEGA 8/30/11 2:53:41 PM 240 Capítulo 6 Riesgo ambiental Tabla / 6.12 Cantidad de tierra que se supone se adhiere a la superficie de la piel y tomada diariamente para poblaciones específicas basadas en el uso de suelo y empleo asociado Población objetivo Adherencia de tierra (mg tierra/cm2 de piel) Masa de tierra tomada tomada diariamente (mg/día) Vida adulta en área residencial 0.07 50 Vida infantil en área residencial 0.2 200 para edades entre 1 a 6 100 para los demás Trabajador adulto en comercial III 0.01 50 Trabajador adulto en comercial IV 0.1 50 Trabajador industrial 0.2 50 Comercial III se refiere a gasolineras, distribuidoras de autos, comercios varios. La población de trabajadores participa en actividades en la propiedad que son de naturaleza de intensidad de tierra baja. Comercial IV se refiere a hoteles, oficinas, bancos. Una población de jardineros ha sido identificada como una población receptora adecuada. Participan en actividades en la propiedad que son de naturaleza de intensidad de tierra alta. norte (recubrimiento de nieve y tierra congelada durante un periodo particular del año) que limita directamente el contacto entre la tierra y la piel. Para los ingenieros, el conocimiento de la evaluación del riesgo y la exposición proporciona información para determinar si un sitio contaminado necesita ser remediado y, si es así, a qué nivel. La tierra contaminada y las aguas subterráneas en los sitios de zonas industriales abandonadas se pueden corregir utilizando tecnología de ingeniería. Alternativamente, las barreras tecnológicas e industriales se pueden utilizar para minimizar o prevenir la exposición. Por ejemplo, pavimentar un estacionamiento puede prevenir el contacto dérmico directo con tierras contaminadas que se encuentran debajo. Otro ejemplo, en este caso, para prevenir la exposición con aguas subterráneas contaminadas, sería que el título de propiedad estableciera una restricción sobre la colocación de pozos si una propiedad tiene el servicio de un abastecimiento de agua municipal. 6.5.4 CARACTERIZACIÓN DEL RIESGO Como se mostró previamente en la figura 6.5, la caracterización del riesgo toma en cuenta los tres primeros pasos en la evaluación del riesgo (evaluación del peligro, evaluación de la dosis-respuesta y la evaluación de la exposición). La caracterización del riesgo está específicamente determinada al integrar información sobre la dosis-respuesta y las evaluaciones de exposición. El proceso se desarrolla de forma diferente para los carcinógenos y los no carcinógenos. Una pregunta importante es, ¿cuál es un nivel de riesgo aceptable? Los creadores de política y los científicos han determinado que un riesgo ambiental aceptable es un riesgo de vida de 1 oportunidad en un millón (10⫺6) de un efecto adverso, y un riesgo inaceptable es 1 oportunidad en 1 000 (10⫺3) de un efecto adverso. ALFAOMEGA c06.indd 240 INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC 8/30/11 2:53:41 PM 6.5 Evaluación del riesgo Un riesgo 10⫺6 significa que si un millón de individuos fueran expuestos a un químico tóxico al mismo nivel y exposición, entonces 1 individuo tendría un efecto adverso debido a esta exposición. Un riesgo de 10⫺3 significa que un individuo sufriría un efecto adverso si 1 000 personas fueran expuestas a las mismas condiciones. Típicamente, los gobiernos estatal y federal han establecido el riesgo aceptable entre 10⫺4 y 10⫺6, siendo 10⫺5 y 10⫺6 los valores más comúnmente utilizados en las políticas establecidas por dichos gobiernos. Estos valores representan el riesgo incrementado debido a la exposición al peligro sobre el riesgo de fondo. En los ejemplos de las dos siguientes subsecciones, una caracterización de riesgo se puede utilizar para determinar una concentración admisible de un químico en el aire, agua o tierra para un riesgo aceptable. También se puede utilizar para determinar el riesgo ambiental resultante para un químico particular en una concentración dada y el escenario de exposición para dicho químico en un medio ambiente particular. En el primer escenario, los creadores de políticas arreglarían el riesgo aceptable a un nivel predeterminado (por decir, 10⫺4 a 10⫺6), y la concentración admisible del químico en un medio particular que resultaría en ese riesgo sería estimada. En la segunda situación, la concentración del químico en un medio particular es conocida y el riesgo es determinado. 241 Discusión en clase Al determinar un nivel de riesgo aceptable, hay que tener en cuenta que muchos individuos que están asociados con un individuo cuya salud está dañada también son indirectamente dañados. La muerte o enfermedad de un individuo tiene un impacto emocional y financiero en los miembros de la familia, amigos y compañeros del individuo. También se asocian costos económicos y sociales más amplios con la muerte y la enfermedad de un individuo. Desafortunadamente, una caracterización de riesgo típica no captura estos impactos económicos y sociales. ¿Cuáles son sus sentimientos personales y profesionales acerca de este tema? ¿Son los mismos o difieren? CARCINÓGENOS Al desarrollar una caracterización de riesgo para carcinógenos, un punto importante es que la dosis se supone que es una dosis diaria promedio recibida por un sujeto durante una vida de exposición. Para los carcinógenos, una vida de exposición se supone que es de 70 años. Más adelante en esta sección se describe cómo se cuenta esta vida de exposición. En términos simples, el riesgo asociado con los químicos carcinogénicos es igual a la dosis multiplicada por la unidad de riesgo asociada con una dosis de 1 mg/kg por día: riesgo = dosis × riesgo por dosis de unidad (6.3) Recuerde que para los carcinógenos, la unidad de riesgo asociada con una dosis de 1 mg/kg por día se llama el factor de pendiente. e j e m p l o / 6.5 Riesgo determinante En el ejemplo 6.3 se determinó que la dosis para un hombre adulto expuesto a un químico encontrado en el agua potable a 10 mg/L era de 0.29 mg/kg-día. ¿Cuál es el riesgo asociado con esta exposición? ¿Es aceptable este riesgo dentro de los lineamientos? Suponga que esta dosis es aplicada durante una vida de 70 años y el químico encontrado en el agua es benceno, un carcinógeno conocido. La base de datos del IRIS proporciona un factor de pendiente oral de 0.055 (mg/kg-día)⫺1 para la ingestión oral de benceno. INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC c06.indd 241 ALFAOMEGA 8/30/11 2:53:41 PM 242 Capítulo 6 Riesgo ambiental e j e m p l o / 6.5 Continuación solución Recuerde que previamente se vio que el factor de pendiente iguala la unidad de riesgo para una ingesta crónica diaria de 1 mg/kg por día. Para determinar la caracterización del riesgo, multiplique la dosis por el factor de pendiente: riesgo = 0.29 mg kg-día * 0.055 kg-día mg = 1.59 * 10 -2 Esta solución significa que si 100 individuos fueran expuestos a benceno a una concentración de 10 mg/L durante toda su vida, 1.59 individuos desarrollarían cáncer. Extrapolado a una población de 10 000, esto significa que si todos ellos tuvieran una exposición similar al benceno como la de este adulto, 159 individuos desarrollarían cáncer. Extrapolado a una población de 1 millón, se esperaría que 15 950 individuos desarrollaran cáncer. Esto está muy por arriba de los riesgos aceptables de 1 en 10 000 (10⫺4) y de 1 en un millón (10⫺6). Esta es una razón por la que el nivel máximo de contaminantes (MCL) para el benceno en el agua potable es de 0.005 mg/L (o 5 μg/L), mucho más abajo que el valor de 10 mg/L establecido en este ejemplo. El ejemplo 6.5 supone que los individuos fueron expuestos al químico carcinógeno durante su vida de 70 años. ¿Qué sucede en el caso en el que la exposición es en realidad menor que una vida entera de un individuo? Por ejemplo, suponga que la exposición ocurrió durante un periodo de empleo de 30 años cuando un trabajador estaba expuesto solo durante el horario de trabajo. En este caso, riesgo = dosis ⫻ tiempo de exposición riesgo ____________________ ____________ ⫻ unidad de dosis longitud del tiempo de vida (6.4) Recuerde que para los carcinógenos se supone que la exposición se lleva a cabo durante un periodo de vida (70 años); por lo tanto, la longitud del tiempo de vida se establece en 70 años. El término longitud del tiempo de vida en la ecuación 6.4 es referido como el tiempo promedio (AT) y típicamente tiene unidades de días. El AT para los carcinógenos se supone que sea de 25 550 días (70 años ⫻ 365 días/año). El tiempo de exposición en la ecuación 6.4 es la frecuencia de la exposición (EF) multiplicada por la duración de la exposición (ED). EF es el número de días que un individuo está expuesto al químico por año. ED es el número de años que un individuo está expuesto al químico. La tabla 6.11 proporciona ejemplos de duraciones de exposición y frecuencias de exposición para distintas situaciones de uso de suelo. Por ejemplo, en el caso del uso residencial y una ruta de exposición de beber agua, el ALFAOMEGA c06.indd 242 INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC 8/30/11 2:53:41 PM 6.5 Evaluación del riesgo EF se supone que es de 350 días/año (50 semanas) y se supone que el ED es de 30 años. La aplicación de este valor EF supone que un individuo pasa dos semanas lejos de su casa al año por vacaciones u otras actividades profesionales o familiares. La aplicación de este valor ED supone que un individuo reside en una casa durante solamente 30 años de su vida. Advierta las diferencias para otros usos de suelo. Por ejemplo, la tabla 6.11 muestra que, en un establecimiento industrial, un trabajador promedio está en el sitio de trabajo sólo 245 días al año (por lo que EF ⫽ 245 días/año) y tiene un historial de empleo promedio de 21 años (ED ⫽ 21 años). Los supuestos valores de EF y ED se pueden utilizar para desarrollar una expresión para determinar la concentración aceptable de un químico en el agua potable para un riesgo aceptable establecido: riesgo aceptable × BW × AT concentración aceptable = ________________________ SF × IR × EF × ED (6.5) En la ecuación 6.5, BW es el peso corporal promedio de la población objetivo, e IR es la tasa de consumo, en este caso, 2 litros de agua al día (2 L/día). La examinación cuidadosa de la ecuación 6.5 muestra que es similar a una mirada simple a la ecuación 6.4. Algunos parámetros se añadieron para definir los términos en la ecuación 6.4, y la ecuación se volvió a arreglar para establecer el problema para calcular la concentración aceptable en el agua potable en lugar del riesgo. La dosis también se oculta en la ecuación 6.5. Aquí, la dosis iguala al IR multiplicada por la concentración aceptable dividida entre el BW. ¿Cómo cambiaría el riesgo aceptable en el ejemplo 6.6 si la evaluación de exposición también mostrara que la población objetivo consumió 30 g de pescado al día? La respuesta es simple. No habría cambio alguno en el ejemplo / 6.6 243 Discusión en clase Si quisiera diseñar un sistema de remediación para eliminar la exposición de los residentes a las aguas subterráneas contaminadas con toxafeno en el ejemplo 6.6, ¿cuáles son algunos métodos que podría usar? Podría diseñar, construir y operar un sistema de remediación de aguas subterráneas que bombeara el agua subterránea a la superficie y tratar el agua contaminada en un reactor aéreo. Otro acercamiento involucraría la trata del químico en su lugar utilizando tecnología in situ. Esta tecnología podría usar algún proceso biológico, químico o físico (o alguna combinación de los tres). ¿Cuáles son los otros métodos de no tratamiento para eliminar la exposición? Determinar una concentración admisible de un químico carcinógeno en el agua potable Calcule una concentración admisible de aguas subterráneas para el químico toxafeno si el desarrollo residencial se sitúa sobre un acuífero de aguas subterráneas contaminado con toxafeno. Suponga que determina el riesgo para un adulto que pesa 70 kg y consume 2 L de agua por día del acuífero contaminado. El estado en el que trabaja ha determinado que un riesgo aceptable es la ocurrencia de 1 cáncer por 105 personas. Utilice los valores de la tabla 6.11 para la frecuencia de exposición y la duración de exposición proporcionados para el uso de suelo residencial. solución La base de datos del IRIS proporciona un factor de pendiente oral para el toxafeno de 1.1 por mg/kg-día. Recuerde que para los carcinógenos, el AT se supone que sea de 70 años. Al utilizar la ecuación 6.5 y los datos de exposición de la tabla 6.11, resuelve la concentración aceptable de toxafeno INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC c06.indd 243 ALFAOMEGA 8/30/11 2:53:41 PM 244 Capítulo 6 Riesgo ambiental e j e m p l o / 6.6 Continuación en el agua subterránea (suponiendo que la única vía de exposición es al beber agua contaminada): 70 kg * 10 - 5 * 70 años * Concentración = 1.1 kg-día mg = 0.77 g L * 350 días año 365 días año * 1 000 g 1 mg 2L * 30 años * día o 0.77 ppbm Advierta que si el riesgo aceptable fuera de 1 en 1 millón (10−6), la concentración admisible de toxafeno se reduciría a 0.077 μg/L (o 0.077ppbm). riesgo aceptable a menos que por alguna razón tuviera conocimiento de que se encontró toxafeno en el pescado. En este caso, el toxafeno se encuentra en el agua subterránea debajo del vecindario residencial. No se tiene información para sugerir que el pescado que estos individuos consumieron entró en contacto con el agua subterránea contaminada. Si el pescado entró en contacto con el químico, la ingestión del toxafeno en el pescado sería añadida al cálculo. Esto es, la exposición sería por beber 2 L de agua al día y e j e m p l o / 6.7 Determinar una concentración admisible de un químico en el aire de interiores Suponga que el químico benceno, un carcinógeno conocido, se encuentra en el aire a una concentración constante de 1 μ/m3. Calcule el riesgo de exposición a este benceno para un adulto promedio que pesa 70 kg e inhala 20 m3 aire/día con una absorción de 50%. El factor de pendiente de inhalación del químico es de 0.015 (mg/kg-día)−1. solución El riesgo es 1 g 3 riesgo = m * 20 1 mg m3 * 0.5 * 1 000 g día 0.015 kg-día mg = 9.5 * 10 - 3 * 70 kg Este valor significa que, por cada 1 000 personas continuamente expuestas a este químico, 9.5 desarrollarían cáncer durante su tiempo de vida. ALFAOMEGA c06.indd 244 INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC 8/30/11 2:53:41 PM 6.5 Evaluación del riesgo 245 comer 30 g de pescado al día. La sección 6.6 proporcionará un problema de ejemplo que incluye exposición al agua y al pescado. Otra solución sería investigar si existe una fuente de agua municipal cercana a dicha comunidad que pudiera servir como su fuente de agua potable. En este caso, una restricción escrita sería colocada en la propiedad para que los dueños individuales de propiedades no pudieran instalar un pozo de aguas potables. Más aún, un estudio hidrogeológico tendría que llevarse a cabo para evaluar si las aguas subterráneas contaminadas recaen hacia una corriente o río, en donde el químico podría ejercer toxicidad a la vida acuática o tal vez contaminar una toma de corriente de agua potable. Esta opción probablemente sea costosa y limpiará sólo la contaminación que se encuentra en el sitio. No prevendrá el hecho de que nuevas cantidades de éste u otro químico se introduzcan en el sitio. NO CARCINÓGENOS Como se estableció antes, las caracterizaciones de riesgo desarrolladas para los no carcinógenos son manejadas en forma diferente que las de los carcinógenos. Recuerde que los no carcinógenos tienen una dosis umbral, por debajo de la cual no se cree que sucedan efectos adversos. Una dosis segura referida como la dosis de referencia (RfD) calcula (con una incertidumbre de una orden de magnitud o más) una dosis de tiempo de vida de un no carcinógeno que probablemente se encuentre sin riesgo significativo para las poblaciones humanas. La base de datos del IRIS, comentada antes, proporciona valores para las RfDs. El riesgo aceptable para la exposición a un químico no carcinógeno se determina al calcular un coeficiente de riesgo (HQ). Para la exposición a un carcinógeno, la dosis se supone que se aplica durante un tiempo de vida de 70 años. Los efectos no carcinógenos son evaluados sobre la duración de la exposición real, la cual puede ser corta. Por lo tanto, el HQ es la dosis diaria promedio de un químico recibida durante el periodo de exposición dividida entre la dosis de referencia (RfD). dosis diaria promedio durante el periodo de exposición HQ = _______________________________________ RfD (6.6) Los HQs menores que o iguales a 1 son considerados seguros; los HQs mayores a 1 son considerados no seguros. Esto tendría sentido de un estudio cuidadoso de la ecuación 6.6. Si el HQ es igual a 1, la dosis diaria promedio a la que un individuo o comunidad está expuesto iguala la dosis de referencia (la dosis segura). Recuadro / 6.6 Contabilidad de incertidumbres en la evaluación de la dosis-respuesta para proporcionar estimados de riesgo conservadores por unidad de dosis En el proceso de evaluación de la dosis-respuesta, numerosas fuentes de incertidumbre provocan incertidumbre en los estimados de riesgo por unidad de dosis utilizados en la ecuación 6.3 para carcinógenos (el factor de pendiente) y no INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC c06.indd 245 carcinógenos (el coeficiente de riesgo). Sin embargo, la política pública se ha desarrollado y ahora toma en cuenta dichas incertidumbres que lleva a estimados conservadores de los valores usados en la caracterización del riesgo. ALFAOMEGA 8/30/11 2:53:41 PM 246 Capítulo 6 Riesgo ambiental Recuadro / 6.6 Continuación de la población humana (variabilidad interindividuo o intraespecie), la incertidumbre al extrapolar datos animales a humanos (incertidumbre interespecie), la incertidumbre al extrapolar de datos obtenidos en un estudio con una exposición menor al tiempo de vida (extrapolar de exposición subcrónica a crónica), la incertidumbre al extrapolar de un nivel de efecto adverso de menor observancia (LOAEL) en vez de un valor NOAEL y la incertidumbre asociada con la extrapolación cuando la base de datos está incompleta. La EPA ha comenzado a recomendar el uso del método benchmark dose o dosis estándar (definida como el límite estadístico inferior para una dosis correspondiente en un nivel específico de riesgo) para mejorar la calidad de los valores RfD y RfC y para reducir el número de factores de incertidumbre utilizados. Este acercamiento utiliza todos los datos disponibles para calcular el NOAEL, en vez de basarse en un punto simple. Este desarrollo proporciona un ejemplo de medios por los que la política pública está siendo continuamente mejorada en cuanto a la estimación del riesgo por valores de unidades de dosis. En el caso de los carcinógenos, el modelo lineal de dosis-respuesta aplicado comúnmente (figura 6.6) es conservador debido a que este modelo lleva a una respuesta más alta (riesgo) estimada a dosis más bajas que otros modelos, como el modelo multigolpes con forma de S y la curva dosis-respuesta con forma de U. Este es el caso común que debe ser extrapolado en los datos de dosis-respuesta generados utilizando estudios de animales de prueba para reducir significativamente las dosis humanas en las evaluaciones de riesgo. Más aún, la falta de un nivel de umbral en la relación de dosis-respuesta para los carcinógenos proporciona un estimado conservador de riesgo. Aun si la dosis fuera una molécula por kilogramo por día, se estima que existe algún riesgo de contraer cáncer si no se supone un nivel de umbral. Para los no carcinógenos, la aplicación de los factores de incertidumbre (UF) al determinar los valores RfD y RfC (y por lo tanto, HQ) proporcionan estimados conservadores de valores HQ. Estos factores de incertidumbre cuentan para la variación en la susceptibilidad entre los miembros e j e m p l o / 6.8 Determinar el riesgo de químicos no carcinógenos ¿Existe un riesgo no seguro asociado con la inhalación diaria del aire con una concentración de 0.010 μg/m3 del químico tolueno? En este problema verá los efectos no carcinógenos. La base de datos del IRIS establece que la inhalación RfD para el tolueno es de 0.114 mg/kg-día. Suponga que un adulto pesa 70 kg e inhala 20 m3 de aire contaminado al día. solución Determine la dosis promedio diaria a la que el individuo está expuesto, y divida este valor entre el RfD para determinar el cociente de riesgo. La dosis promedio diaria es 0.010 g m3 * 20 mg m3 * 1 000 g día 70 kg = 2.8 * 10 - 6 mg kg-día Utilice este valor y el RfD para determinar el HQ: ALFAOMEGA c06.indd 246 INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC 8/30/11 2:53:41 PM 6.5 Evaluación del riesgo e j e m p l o / 6.8 247 Continuación 2.8 * 10 - 6 HQ = 0.114 mg kg-día = 2.5 * 10 - 5 mg kg-día Debido a que el HQ es mucho menor que 1, el riesgo es aceptable. Los individuos expuestos al químico tolueno deberían estar libres de efectos adversos en la salud en esta instancia. La ecuación 6.6 y la información comentada previamente se pueden utilizar para desarrollar una expresión para determinar la concentración aceptable de un químico no carcinógeno en el agua potable: HQ × RfD × BW × AT concentración aceptable = ________________ IR × EF × ED (6.7) Todos los términos en la ecuación 6.7 se han definido previamente: HQ es el coeficiente de peligro, RfD es la dosis de referencia, BW es el peso corporal de la población objetivo, AT es el tiempo promedio, IR es la tasa de consumo (en este caso, la tasa de consumo de agua), EF es la frecuencia de exposición y ED es la duración de la exposición. e j e m p l o / 6.9 Determinar las concentraciones aceptables de un químico no carcinógeno en el agua potable Calcule la protección estándar de aguas subterráneas aceptable para el químico cloroformo, un químico clasificado como probable (pero no conocido) carcinógeno. Un desarrollo comercial es situado sobre un acuífero de aguas subterráneas contaminadas con cloroformo, y los establecimientos comerciales usarán el agua subterránea como una fuente de agua potable. Suponga que determina el riesgo para un adulto promedio que pesa 70 kg y consume 1 L de agua al día. Utilice los valores en la tabla 6.11 para la frecuencia de exposición y la duración de la exposición proporcionados para el uso comercial. solución La base de datos del IRIS dice que el RfD del cloroformo para la ingestión oral es de 0.01 mg/kg-día. La tabla 6.12 proporciona un EF de 245 días/año y un ED de 21 años. El AT para los no carcinógenos es típicamente de 30 años. La concentración aceptable de cloroformo en el agua subterránea INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC c06.indd 247 ALFAOMEGA 8/30/11 2:53:41 PM 248 Capítulo 6 Riesgo ambiental e j e m p l o / 6.9 Continuación (suponiendo que la única ruta de exposición es al beber agua contaminada) se encuentra en la ecuación 6.7: concentración aceptable = 1 * 0.01 = mg kg-día 1 HQ * RfD * BW * AT IR * EF * ED * 70 kg * 30 años * 365 días año * 1 000 g mg días L * 245 * 21 años año día = 1 490 g/L L 1 500 g/L = 1.5 mg/L (o 1.5 ppmm) Advierta las similitudes y diferencias entre las ecuaciones 6.7 y 6.5. Si el HQ en la ecuación 6.7 se establece a 1 (la dosis segura alta) y se multiplica por el RfD, el valor resultante es la dosis segura del químico. Este cálculo es diferente de, pero aún similar, al método para calcular la concentración aceptable para los carcinógenos en el que fue dictado primero un riesgo aceptable. Los términos en la ecuación 6.7 para la concentración aceptable, IR y BW están todos relacionados a la dosis real recibida por la población objetivo. Para los no carcinógenos, el tiempo promedio (AT) es típicamente supuesto de 30 años (no 70 años como con los carcinógenos). 6.6 Problemas más complicados con por lo menos dos rutas de exposición Las evaluaciones de exposición pueden hacerse más complicadas que las mostradas en los ejemplos anteriores. Hasta este punto, la determinación de dosis asumió solo una ruta de exposición. Esta sección final investiga cómo el riesgo ambiental puede considerar diversas rutas de exposición a la vez y cómo algunos de los procesos de partición estudiados en los capítulos 3 y 5 son incorporados en problemas multimedia más complejos en los que un químico se comparte entre las fases de agua, aire y/o sólidas. El primer ejemplo utilizará una caracterización de riesgo para determinar un estándar de calidad de agua de superficie para la que la evaluación de exposición identificó la ingestión al comer pescado contaminado que vive en dichas aguas en adición a beber el agua contaminada. El segundo ejemplo usará una caracterización de riesgo para determinar los estándares de limpieza aceptables para la tierra contaminada que en potencia puede filtrar verticalmente hacia la superficie y contaminar las aguas subterráneas que se encuentran abajo. En esta situación, el químico no sólo es disuelto en el agua intersticial de la tierra, sino que también puede ser absorbido al recubrimiento orgánico en las partículas de la tierra y/o dispersado hacia los huecos de espacio de aire que se encuentran en la estructura de la tierra. Ambos ejemplos requieren su conocimiento sobre cómo un químico se dispersa en el ambiente. ALFAOMEGA c06.indd 248 INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC 8/30/11 2:53:42 PM 6.6 Problemas más complicados con por lo menos dos rutas de exposición 249 Tabla / 6.13 Supuestos de evaluación de exposición utilizados por 3 estados hipotéticos al establecer un estándar de calidad de agua para un químico que se bioacumula en el pescado Estado 1 Tasa de consumo de agua (L/día) Estado 2 Estado 3 2 2 2 Peso corporal del adulto (kg) 70 70 70 Tasa de consumo de pescado (g/día) 6.5 30 15 Factores de bioacumulación, por ejemplo, concentración medida en el pescado dividida entre la concentración medida en el agua (L de agua/kg de pescado) 51 500 336 000 (agua fría) 84 086 (agua tibia) 7 310 6.6.1 ESTABLECER ESTÁNDARES DE CALIDAD DE AGUA CON BASE EN LA EXPOSICIÓN AL TOMAR AGUA Y COMER PESCADO La tabla 6.13 proporciona información de tres distintos estados hipotéticos que se podrían usar independientemente para establecer un estándar de calidad de agua superficial para un químico hipotético. La examinación cuidadosa de la tabla 6.13 muestra que los tres estados obtendrían distintos estándares de calidad de agua para el mismo químico. ¿Cómo puede ser? Una mirada más profunda a la información en la tabla 6.13 indica que los estados utilizan diferentes supuestos en su evaluación de exposición. Cada estado hipotético asume el mismo peso de un adulto (70 kg), la misma tasa de consumo de agua (2 L/día) y el mismo factor de pendiente de cáncer. Sin embargo, cada estado supone distintas tasas de consumo de pescado por la población adulta y una distinta magnitud de comportamiento de partición del químico del agua hacia el pescado (el factor de bioacumulación). Advierta que el estado 2 supone que el tipo de pescado encontrado en el agua fría tiene un mayor contenido de grasas (lípidos), por lo que el químico en cuestión (el cual es muy hidrofóbico) se dispersa a una mayor extensión en el pescado de agua fría que en el pescado de agua tibia. La dosis total en este caso resulta de beber agua y comer pescado y, en este caso, la mayor parte de la dosis viene de comer pescado contaminado. Los factores de alta bioacumulación en la tabla 6.13 indican que la concentración del químico en el pescado es mucho más grande que en el agua de superficie al que el pescado es expuesto. Cuando se multiplica por la tasa de consumo diaria para el pescado, resulta un valor muy grande. Esto es debido a que, en este caso, el químico es muy hidrofóbico, así es que no pretende disolverse en una gran extensión en el agua pero en su lugar se dispersa en una gran extensión de la grasa (lípidos) del pescado de agua fría. INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC c06.indd 249 Discusión en clase ¿Cuáles son algunos segmentos de la sociedad que están expuestos a un riesgo mayor como resultado de comer pescado contaminado? ALFAOMEGA 8/30/11 2:53:42 PM 250 Capítulo 6 Riesgo ambiental Con relación al tema de discusión, los segmentos de la sociedad expuestos a mayor riesgo por el consumo de pescado son probablemente los niños (dosis más alta a un peso corporal más bajo), mujeres embarazadas (tal vez el químico sea sospechoso de poner en peligro el desarrollo fetal) o pescadores recreacionales o de subsistencia que consumen más pescado o partes de pescado que contienen mayor contenido de lípidos que la población general (exposición incrementada debido al consumo incrementado). Este último grupo podrían ser los vacacionistas que consumen una mayor cantidad de pescado durante un tiempo corto durante un viaje de pesca. Más probablemente sean los individuos que dependen de este pescado para su subsistencia. Por ejemplo, en muchas partes de Estados Unidos, sus poblaciones nativas y de inmigrantes son conocidas por comer más pescado o partes de pescado que contienen mayores concentraciones de contaminantes que los que otras poblaciones consumen. 6.6.2 CÓMO DETERMINAR LOS ESTÁNDARES DE LIMPIEZA DE TIERRA ADMISIBLES QUE PROTEGEN LAS AGUAS SUBTERRÁNEAS Ahora desvíe su atención para determinar un nivel de limpieza adecuado al que un ingeniero debería remediar en un sitio que contiene tierra contaminada. Para este problema particular, suponga una evaluación de exposición que indica que la tierra contaminada no posee una amenaza directa para los adultos o niños que coman tierra contaminada o respiren los vapores que pueden emitirse de la tierra contaminada. Este podría ser el caso para las fugas de los tanques de almacenamiento subterráneos en los que la contaminación se encuentra debajo de la superficie de la tierra y los vapores de tierra resultantes no alcanzan la superficie de la tierra. En este caso, el problema es que la tierra contaminada actúa como una fuente de contaminación, y el químico en cuestión puede filtrarse de la tierra y contaminar el agua subterránea que está por debajo. El agua subterránea puede servir como fuente de agua potable para una casa o municipio, o quizás el agua subterránea recargue una corriente, en donde el químico puede entonces ejercer toxicidad para la vida acuática. La figura 6.8 muestra la complejidad de este problema. El resolver este tipo de problema requiere diversos pasos, detallados en la tabla 6.14. Enfoque sus esfuerzos en sólo uno de diversos cientos de químicos encontrados en los productos petroleros, benceno. También suponga que el agua subterránea no recarga una corriente, así es que no existe preocupación en cuanto al riesgo para un ecosistema acuático. Asuma el uso residencial del agua subterránea, y el ejemplo 6.6 proporcionó información sobre la frecuencia de la exposición, la duración de la exposición y el tiempo promedio para este tipo particular de uso de suelo. La concentración de benceno admisible se determina como sigue (utilizando el factor de pendiente apropiado de 0.055 (mg/kg-día)−1 de la base da datos del IRIS). 70 kg * 10 - 5 * 70 años * concentración = 0.055 kg-día mg * 365 días año 350 días año * 1 000 g mg 2L * 30 años * día (6.8) La concentración admisible se determina como 15 μg/L (15 ppbm). Este valor es un factor de tres más alto que el máximo nivel de contaminantes (MCL) para el benceno, el cual es 5 μg/L. El MCL es el estándar ejecutable ALFAOMEGA c06.indd 250 INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC 8/30/11 2:53:42 PM 6.6 Problemas más complicados con por lo menos dos rutas de exposición 251 Fuente de agua (pozo) Partículas de tierra Csorción Tanque de almacenamiento Contaminación migrando verticalmente Huecos llenos de aire Caire Huecos llenos de agua Cagua Flujo de agua subterránea Dilución y atenuación del químico Figura 6.8 Complejidad de una situación en la que una fuga de un tanque de almacenamiento subterráneo ha descargado un químico que contamina las aguas subterráneas de la subsuperficie. El químico puede dispersarse entre los huecos de aire en la tierra, los huecos llenos de agua en la tierra y los recubrimientos orgánicos en la tierra. La constante de Henry se utiliza para relacionar las concentraciones gaseosas y acuáticas del químico en equilibrio. Un coeficiente de partición de tierra-agua se utiliza para relacionar las concentraciones de las fases acuosas y absorbidas para el equilibrio de la sorción. El químico disuelto en el agua se puede filtrar verticalmente hacia el agua subterránea. En el proceso se puede atenuar química o biológicamente para diluirse mediante el agua subterránea limpia, cuesta arriba. por el EPA, así es que este valor de defecto será utilizado para calcular el estándar de limpieza de tierra en los pasos subsecuentes. Los MCLs están basados en tratamientos de tecnología, asequibilidad y otros factores de factibilidad como la disposición de métodos analíticos, tecnología de tratamiento y costos para lograr varios niveles de remoción. Los lineamientos de la EPA en cuanto al establecimiento de un MCL dicen que los MCLs son estándares ejecutables y deberán ser puestos tan cerca como se pueda a las metas de máximo nivel de contaminantes (MCLGs) (metas de salud). El paso 4 de la tabla 6.14 es el de determinar cómo la concentración del químico cambia conforme se mueve verticalmente a través de la zona no saturada hacia el agua subterránea. Un ingeniero podría desarrollar modelación hidrológica de punta para determinar el movimiento vertical del benceno de la tierra contaminada encontrado en la zona no saturada hacia la zona saturada que yace debajo. Por simplicidad, asuma que la migración de un contaminante de la tierra a las aguas subterráneas que yacen debajo tiene dos etapas. Primero, el químico debe dispersarse (de fases de sorción o gaseosa) hacia el agua intersticial que rodea el área contaminada. Después, la fuga resultante debe ser transportada verticalmente hacia las aguas subterráneas que yacen debajo. Mientras el químico disuelto es transportado hacia abajo con el agua que se filtra, puede ser transformado a una menor concentración mediante procesos químicos o biológicos que ocurren naturalmente. INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC c06.indd 251 ALFAOMEGA 8/30/11 2:53:42 PM 252 Capítulo 6 Riesgo ambiental Tabla / 6.14 Pasos para solucionar el problema de riesgo ambiental más complejo que sucede en los medios de tierra y aguas subterráneas Paso Procedimiento Paso 1: Determinar el uso de suelo y las rutas de exposición Suponga que existen aguas subterráneas que son actualmente usadas (o que se pueden usar en el futuro) como una fuente de agua potable para una casa o comunidad. Se supuso que el agua subterránea no recarga una corriente o río y que el agua subterránea potable contaminada es la única manera en la que la gente puede estar expuesta a la contaminación. Paso 2: ¿Cuál es el riesgo aceptable? Suponga que una entidad regulatoria ha establecido el riesgo aceptable en 10−5. Paso 3: ¿Cuál es el nivel aceptable del benceno en las aguas subterráneas? Desarrolle una caracterización de riesgo para determinar la concentración del benceno en las aguas subterráneas contaminadas que no excederá el riesgo aceptable dictado en el paso 2. La concentración aceptable de benceno en las aguas subterráneas se encuentra en la ecuación 6.5 (repetida aquí): riesgo aceptable × BW × AT concentración aceptable = _________________________ SF × IR × EF × ED Paso 4: Determinar cómo la concentración del químico cambia mientras se mueve verticalmente a través de la zona no saturada hacia el agua subterránea Esto se determina ya sea por un estudio hidrogeológico detallado o haciendo un supuesto que proporcione penetración hacia la dilución y atenuación del químico. Paso 4a: Determinar la concentración admisible en la tierra del agua intersticial que rodea el sitio de contaminación de la concentración aceptable en el agua subterránea. Utilice los resultados del estudio hidrogeológico o un factor de atenuación de dilución (DAF). Paso 4b: Calcular una concentración admisible de tierra (benceno total por masa total de tierra mojada) de la concentración admisible de agua intersticial. Aplique el conocimiento del balance de la masa y la partición de químicos entre el aire, la tierra y las fases acuosas. También se puede diluir con el agua no contaminada que se topa y que se encuentra corriente arriba en el agua subterránea. Por simplicidad, suponga que un valor de 16 cuenta para todos los procesos de dilución y atenuación. (Este valor es igual al utilizado realmente en algunos estados para determinar algunos reglamentos de limpieza de tierra basados en riesgo para el benceno, por ejemplo.) Esto es, la concentración de químicos en el agua intersticial que rodea la contaminación dividida entre 16 igualará la concentración en el agua subterránea a la que alguien podría estar finalmente expuesto. ALFAOMEGA c06.indd 252 INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC 8/30/11 2:53:42 PM 6.6 Problemas más complicados con por lo menos dos rutas de exposición 253 El paso 4a es para determinar la concentración admisible en el agua intersticial de la tierra que rodea el sitio de contaminación de la concentración aceptable en el agua subterránea. Moviéndose de la concentración admisible en las aguas subterráneas hacia el agua intersticial, la concentración permitida de benceno en el agua intersticial dentro de la zona de tierra contaminada que se filtrará verticalmente para no afectar el agua subterránea es: 0.005 mg/L × 16 = 0.080 mg/L Recuerde que este valor de 0.080 mg/L no es la concentración a la que alguien estaría expuesto si se tomara el agua contaminada. El valor de 0.080 mg/L es la concentración admisible en el agua intersticial de la tierra contaminada. Se reducirá por dilución y atenuación para que la concentración que se encuentra finalmente en el agua subterránea sea de 0.005 mg/L. El paso 4b es para calcular una concentración admisible de tierra (benceno total por masa total de tierra mojada) de la concentración admisible de agua intersticial. El paso final es para tomar la concentración de fase acuosa admisible en el agua intersticial (mg de benceno por L de agua) y convertirla a una concentración de tierra (mg de benceno por kg de tierra mojada). Para facilitar el problema, suponga que el sistema benceno-aguaaire-tierra se encuentra en equilibrio. Se determina la cantidad de benceno que es dispersada a equilibrio entre las fases del agua intersticial, los huecos de aire y la tierra absorbida. Esta masa total del benceno (de las fases acuosas del agua intersticial, el aire y la absorción) que se contiene en una unidad de masa de tierra es lo que se mide si recolecta una muestra de tierra de la subsuperficie y solicita que un laboratorio analice la tierra. Este valor también puede considerarse como la concentración admisible de benceno que puede dejarse en la tierra (unidades de mg de benceno por kg de tierra) que, si se filtrara verticalmente, no resultaría en una concentración subsecuente en las aguas subterráneas que dañaría a la salud humana según dicta el riesgo aceptable. Para llevar a cabo este cálculo, necesita información de la propiedad de la subsuperficie. Suponga que el sistema de subsuperficie es homogéneo, la porosidad de la tierra es de 0.3%, el contenido de carbono orgánico de la tierra es de 1% y la densidad de volumen de la tierra es de 2.1 g/cm3. Suponga también que un tercio de los espacios huecos de la tierra están llenos con aire y los otros dos tercios de los espacios huecos están llenos con agua. La masa total del químico es igual a la masa del químico absorbido en la tierra más la masa de químico en los vacíos llenos de agua más la masa del químico en los vacíos llenos de aire. Matemáticamente, esta declaración puede ser escrita como sigue, utilizando información acerca de la partición del equilibrio (capítulos 3 y 5): concentración admisible de tierra Cagua × Vagua Cagua × Vaire × KH + ______________ = (Cagua × K) + __________ Wb Wb ( ) ( ) (6.9) Aquí, Cagua es la concentración de agua intersticial del químico determinada en el paso 4a (0.08 mg/L), K es el coeficiente de partición tierra-agua para el químico en cuestión, KH es la constante sin dimensiones de la constante ley de Henry para el químico en cuestión, Vagua es la porosidad de la tierra INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC c06.indd 253 ALFAOMEGA 8/30/11 2:53:42 PM 254 Capítulo 6 Riesgo ambiental llenada con agua, Vaire es la porosidad de la tierra llenada con aire y Wb es la densidad de volumen de la tierra (que supuestamente es 2.1 g/cm3). En este caso se tienen los siguientes valores para estas variables: • Cagua se determinó en el paso 4a como 0.080 mg/L. • Vagua, la porosidad de la tierra llenada con agua, es igual a la porosidad (0.3) multiplicada por la fracción de huecos que están llenos con agua (2/3 en este problema). En este caso, Vagua es igual a 0.2 (expresado en unidades de Lagua/Ltotal). • Vaire, la porosidad de la tierra llenada con huecos de aire, es igual a la porosidad (0.3) multiplicada por la fracción de huecos que se llenan con aire (1/3 en este problema). En este caso, Vaire es igual a 0.1 (expresado en unidades de Laire/Ltotal). • K, el coeficiente de partición tierra-agua, se puede calcular a partir del coeficiente de partición octanol-agua como se comentó en el capítulo 3. Suponga que el benceno tiene un log Kow de 2.13. Para el benceno, el coeficiente de correlación normalizado a carbono orgánico (log Koc) como 2.02 (Koc es igual a 102.02 L/kg de carbono orgánico). Debido a que el contenido de carbono orgánico de la tierra fue declarado como 1%, la ecuación 3.32 se puede utilizar para determinar que K es 1.05 L/kg de tierra. • El KH para el benceno es de 0.18 a 20° C. Este valor es la reacción de un químico en la fase de aire yendo hacia la fase de agua. Las unidades de KH en esta situación son, por lo tanto, Lagua/Laire. Para simplificar el problema, suponga que la temperatura más fría de la subfase no afecta grandemente el comportamiento de la partición aire-agua del benceno. Al insertar estos valores en los desconocidos de la ecuación 6.9, resulta en concentración admisible de tierra 0.08 mg L * 1.05 = a0.08 b + ± L kg de tierra 0.08 + ± 2.1 mg L g tierra cm3 2.1 g tierra cm3 mg L * 0.2 Lagua Ltotal kg cm3 * 1 000 * L 1 000 g tierra Laire Lagua * 0.1 Laire Ltotal ≤ kg cm3 * 1 000 * 1 000 gtierra L * 0.18 ≤ (6.10) Al resolver las concentraciones de benceno en la fase de absorción, la fase de agua intersticial y los huecos de aire, respectivamente, resulta en concentración admisible de tierra = 0.084 mg/kg + 0.0076 mg/kg + 0.00069 mg/kg (absorción) (agua) ( aire) (6.11) = 0.092 mg de benceno/kg de tierra ALFAOMEGA c06.indd 254 INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC 8/30/11 2:53:42 PM Términos clave 255 Esta concentración admisible de tierra de 0.092 mg/kg (0.092 ppmm) es la concentración de benceno que puede permanecer en la tierra y aún así proteger el recurso de agua subterránea en los estándares de agua potable. Cualquier área de la tierra contaminada mayor a este valor tendría que removerse o remediarse hasta este nivel de limpieza más bajo. Términos clave • • • • • • • • • • • • • • • • bioacumulación caracterización del riesgo carcinógeno carcinógenos sospechosos coeficiente de riesgo (HQ) concentración de referencia (RfCs) curva de dosis-respuesta desperdicio peligroso desperdicio sólido dosis dosis de referencia (RfDs) dosis letal mediana (LD50) dosis límite efecto umbral efecto sin umbral epidemiología INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC c06.indd 255 • • • • • • • • • • evaluación de la dosis-respuesta evaluación de la exposición evaluación de peligro evaluación del riesgo exposición factor de incertidumbre (UF) factor de pendiente factor de potencia interruptores endocrinos Inventario de liberación de tóxicos (TRI) • justicia ambiental • Ley de planeación contra emergen- cias y derecho de la ciudadanía a la información (EPCRA) • Muir, John • nivel de efecto adverso no observable (NOAEL) • • • • • • • • • • • no carcinogénico percepción del riesgo peso de la evidencia poblaciones susceptibles riesgo riesgo ambiental toxicidad toxicidad aguda toxicidad crónica vías de exposición zonas industriales abandonadas • Ley sobre conservación y recuperación de recursos (RCRA) ALFAOMEGA 8/30/11 2:53:42 PM c a p í t u l o / Seis 6.1 ¿Cuál es la diferencia regulatoria en la RCRA entre una sustancia peligrosa y una tóxica? 6.2 Identifique varios tipos de riesgo durante su viaje todos los días a la escuela. ¿Cuál de estos riesgos se clasificaría como un riesgo ambiental? 6.3 Identifique las tres principales liberaciones de químicos en su ciudad o comunidad universitaria utilizando la base de datos del Inventario de Liberación de Tóxicos de la EPA. ¿Qué información puede encontrar sobre la toxicidad de estos químicos? ¿Es fácil o difícil encontrar esta información? ¿La información es consistente o es conflictiva? ¿Varía según la fuente (gobierno contra industria)? 6.4 a) Enliste un riesgo ambiental diferente asociado con un ambiente de interiores en el mundo desarrollado y el mundo en desarrollo. b) ¿Qué ocupantes de edificios particulares están en el mayor riesgo según los elementos que definió? 6.5 Regrese al capítulo 1 y visite el sitio web de la Organización Mundial de la Salud (www.who.org). Basado en dicha información, escriba un ensayo referenciado de dos cuartillas sobre el riesgo ambiental. ¿Cuánto riesgo ambiental existe por los factores como el agua y el saneamiento, aire de interiores, aire urbano y clima no seguros? 6.6 Si recuerda que la Agencia de Protección Ambiental define la justicia ambiental como “el trato justo y la participación significativa de todas las personas sin importar raza, color, nacionalidad de origen o ingresos con respecto al desarrollo, implementación y ejecución de las leyes, reglamentos y políticas ambientales”, investigue una cuestión de justicia ambiental en su ciudad o estado. ¿Cuál es la cuestión ambiental? ¿Qué grupos de la sociedad están siendo dañados por dicha cuestión ambiental? ¿Qué injusticia se está cometiendo? 6.7 En línea en www.scorecard.org puede buscar la ubicación y número de sitios de residuos peligrosos por ubicación. Úselo para buscar sitios de residuos peligrosos en una ciudad determinada. Comente sobre si el número y ubicación de sitios de desperdicio peligrosos posee alguna injusticia ambiental para los residentes de la comunidad que está investigando. 6.8 Enliste los cuatro componentes de una evaluación de riesgo completa. ALFAOMEGA c06.indd 256 Problemas 6.9 El Sistema Integrado de Información de Riesgos (IRIS), una base de datos electrónica que identifica los efectos en la salud humana relacionados con la exposición a cientos de químicos, se encuentra disponible en www.epa. gov/iris. Visite la página IRIS y determine a) el peso del descriptor de la evidencia; b) la dosis de referencia (RfD) y c) el factor de pendiente en caso de que esté disponible para los siguientes seis químicos/sustancias: arsénico, metilmercurio, etilbenceno, metil etil acetona, naftaleno y el humo del escape de motor a diesel. 6.10 Suponga que un adulto inhala 23 m3 de aire cada día y el factor de absorción por inhalación para el químico en cuestión es de 75% (por lo que 25% del químico es exhalado). Un análisis del viento muestra que la exposición es de 30% del tiempo en una base anual promedio. Suponga que un adulto vive en esta área durante todo su tiempo de vida, y que la concentración promedio de aire en la frontera de la propiedad de la fuente es de 0.044 mg/m3. Determine la dosis para un hombre adulto en mg/kg-día. 6.11 a) Determine la dosis (en mg/kg-día) para un químico bioacumulativo con BCF = 103 que se encuentra en el agua a una concentración de 0.1 mg/L. Calcule su dosis para una mujer adulta de 50 kg quien toma 2 L de agua de lago por día y consume 30 g de pescado al día que es atrapado del mismo lago. b) ¿Qué porcentaje de la dosis total viene de la exposición al agua y qué porcentaje viene de la exposición al pescado? 6.12 Calcule un estándar de protección al agua subterránea basada en riesgo (en ppb) para el químico 1,2-dicloroetano para un dueño de residencia en donde el pozo personal utilizado para beber agua está contaminado con 1,2-dicloroetano. Suponga que está determinando el riesgo para un adulto promedio que pesa 70 kg. El estado en donde trabaja ha determinado que un riesgo aceptable es de 1 ocurrencia de cáncer por 106 personas. Utilice los valores de ruta de ingestión, frecuencia de exposición, duración de exposición y tiempo promedio previstos para el uso residencial en la tabla 6.11. Suponga un factor de pendiente oral para 1,2-dicloroetano de 9.2 × 102 por (mg/kg)/día. 6.13 a) Calcule un estándar de protección al agua subterránea basado en riesgo para el químico benzo(a)pireno. Suponga que está determinando el riesgo para una mujer adulta promedio que pesa 50 kg y consume 2 L de agua y como 30 g de pescado al día. El estado ha determinado que un riesgo aceptable es de 1 ocurrencia de cáncer por 105 de INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC 8/30/11 2:53:42 PM Problemas personas. Utilice los valores de frecuencia de exposición, duración de exposición y tiempo promedio provistos para el uso de suelo residencial. b) De acuerdo con el Sistema Integrado de Información de Riesgos (IRIS) de EPA, ¿qué tipo de cancerígeno es el benzo(a)pireno, utilizando el peso de evidencia de los estudios de seres humanos y de animales? c) Suponiendo que el químico se esté filtrando de alguna tierra contaminada, calcule la concentración admisible del benzo(a)pireno en el agua intersticial de la tierra contaminada. 6.14 ¿Existe un riesgo no seguro asociado con un adulto de 70 kg que come 15 g de pescado diario que contiene 1 mg/kg de metilmercurio? El metilmercurio ha demostrado causar discapacidad neuropsicológica en los seres humanos. El RfD para el metilmercurio es de 1 × 104 mg/ kg-día. 6.15 ¿Existe un riesgo no seguro asociado con un adulto de 70 kg que come 15 g de pescado diario que contiene 9.8 Rg/kg de arocloro 1254? El arocloro 1254 puede mostrar efectos carcinógenos en seres humanos. Utilice la base de datos del IRIS para encontrar cualquier otra información requerida para resolver este problema. 6.16 Las concentraciones de toxafeno en el pescado pueden provocar discapacidad en la salud humana y en los pájaros que comen peces (como el águila calva) que se alimentan de peces. a) Si el coeficiente de partición de octanolagua (log Kow) para el toxafeno se supone que es igual a 4.21, ¿cuál es la concentración esperada de toxafeno en los peces? (Suponga que la concentración de toxafeno en la fase acuosa de equilibrio es de 100 ng/L.) b) Si se supone que una persona promedio bebe 2 L de agua no tratada diariamente y consume 30 g de pescado contaminado, ¿cuál ruta de exposición (beber agua o comer pescado) resulta en el mayor riesgo de toxafeno en 1 año? c) ¿Qué ruta de exposición es mayor para un grupo de mayor riesgo que se supone consuma 100 g de pescado al día? Sostenga todas INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC c06.indd 257 257 sus respuestas con cálculos. Asuma que la siguiente correlación aplica al toxafeno y al pescado específico en este problema: log BCF = 0.85 log Kow  0.07 6.17 Identifique una zona industrial abandonada en su comunidad, ciudad o una ciudad cercana. ¿Qué se hizo específicamente en el sitio? ¿Cuáles son los diversos impactos sociales, económicos y ambientales asociados con la restauración del sitio de la zona industrial abandonada? 6.18 El Código de Reglamentos Federales (CFR) es la codificación de los reglamentos generales y permanentes publicados en el Registro Federal por los departamentos y agencias ejecutivas del Gobierno Federal de Estados Unidos. Puede accesarlo en http://www.gpoaccess.gov/ cfr/. ¿Qué número de CFR está asociado con las siguientes secciones? (por ejemplo, 50 CFR para la Vida Silvestre y la Pesca). a) Protección del Medio Ambiente; b) Transportación; c) Conservación de Fuentes de Energía y Agua; d) Salud Pública y e) Carreteras. 6.19 Nairobi es una ciudad en Kenya, África. Utilice el siguiente sitio web para obtener el Reporte “Mirada al Medio Ambiente de la Ciudad de Nairobi”: http://www. unep.org/DEWA/Africa/docs/en/NCEO_Report_FF_ New_Text.pdf. Desarrolle una tabla que muestre las 10 principales causas de mortalidad en Nairobi en el año 2000. 6.20 Investigue la seguridad de los productos de su cuidado personal y de la limpieza del hogar utilizando un sitio web como http://lesstoxicguide.ca/index.asp? fetch=personal. Desarrolle una tabla que enliste 7 productos actuales de cuidado personal o de limpieza del hogar utilizados en su departamento, hogar o dormitorio. Añada una segunda columna que enliste una alternativa menos riesgosa para cada uno de los 7 productos. ALFAOMEGA 8/30/11 2:53:43 PM 258 Capítulo 6 Riesgo ambiental Referencias Fisk, W. J. 2000. “Health and Productivity Gains from Better Indoor Environments and Their Relationship with Building Energy Efficiency”. Annual Review of Energy and the Environment 25:537-566. Friends of Earth. 2009. “Endocrine Disrupting Pesticides”, http:// www.foe.co.uk/index.html, accesado el 21 de febrero de 2009. Meuser, M. y A. Szacz. 2000. “Unintended, Inexorable: The Production of Environmental Inequalities in Santa Clara County, California”. American Behavioral Scientist 43 (4): 602. ALFAOMEGA c06.indd 258 Mihelcic, J. R. 1999. Fundamentals of Environmental Engineering. Nueva York: John Wiley & Sons. National Science and Technology Council. 1996. The Health and Ecological Effects of Endocrine Disrupting Chemicals: A Framework for Planning. Committee on Environmental and Natural Resources. http://www.epa.gov/endocrine/pubs/framework.pdf, accesado el 18 de noviembre de 2008. Patnaik, P. 1992. A Comprehensive Guide to the Hazardous Properties of Chemical Substances. Nueva York: Van Nostrand Reinhold. INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC 8/30/11 2:53:43 PM c a p í t u l o / Siete Ingeniería Verde Julie Beth Zimmerman y James R. Mihelcic Este capítulo se enfoca en una estructura de diseño para la ingeniería verde llamado los 12 principios de la ingeniería verde y resalta las propuestas clave para la promoción de la sustentabilidad a través del diseño de ingeniería. El capítulo se basa en los análisis previos sobre sustentabilidad, métrica, procesos generales de diseño y retos de la sustentabilidad. La propuesta actual del diseño, manufactura y disposición se comenta en el contexto de los ejemplos y casos de estudio de varios sectores. Esto proporcionará una base para identificar qué considerar y cómo direccionar esas consideraciones cuando los productos, procesos y sistemas de diseño contribuyen a promover la sustentabilidad. Los temas de diseño de ingeniería fundamentales que serán direccionados incluyen las alternativas de toxicidad y benignas, la prevención y reducción de fuente de contaminación, separaciones y desmontaje, flujos y eficiencias de material y energía, análisis de sistemas, biomimetismo, y diseño, manejo y análisis del ciclo de vida. Secciones principales 7.1 ¿Qué es la “Ingeniería Verde”? 7.2 Diseño 7.3 Prevención de la contaminación, diseño para el ambiente, ecología industrial, sustentabilidad 7.4 Conceptos fundamentales 7.5 Medición de la sustentabilidad 7.6 Políticas que rigen la ingeniería verde y la sustentabilidad 7.7 Diseño de un futuro sustentable Objetivos de aprendizaje 1. Definir a la Ingeniería Verde y articular las metas de esta propuesta. 2. Describir la importancia y los beneficios de la propuesta de la Ingeniería Verde desde una perspectiva de diseño. 3. Resumir las diferencias y beneficios de los niveles en la jerarquía de prevención de contaminación. 4. Comentar estrategias clave para el diseño sustentable, incluyendo inherencia, resiliencia, pensamiento sistémico y el diseño de servicios en lugar de entidades físicas. 5. Hacer un diagrama de un sistema complejo con vueltas de retroalimentación. 6. Aplicar el costo del ciclo de vida para determinar el valor tiempo del dinero para pagos simples y anualidades. 7. Describir los componentes de una evaluación del ciclo de vida (LCA) y desempeñar una LCA comparativa, incluyendo una declaración de meta, definición de unidad de función/funcional y pasos de evaluación de inventario y análisis. 8. Desarrollar indicadores de sustentabilidad para un producto dado, proceso o sistema. 9. Articular los diversos mecanismos de políticas para fomentar la implementación de la Ingeniería Verde. 259 c07.indd 259 8/30/11 2:54:44 PM 7.1 ¿Qué es la “ingeniería verde”? Los ingenieros juegan un papel significativo y vital en casi todos los aspectos de nuestras vidas. Proporcionan servicios básicos como agua, saneamiento, movilidad, energía, alimentos, cuidados a la salud y protección en adición a avances como la comunicación en tiempo real y la exploración del espacio. La implementación de todos estos logros de ingeniería puede llevar a beneficios así como a problemas en términos de la economía, la sociedad (particularmente la salud humana) y el medio ambiente, los tres pilares de la sustentabilidad. La Ingeniería Verde es el diseño, descubrimiento e implementación de soluciones de ingeniería con una conciencia de los beneficios potenciales y los problemas en términos del medio ambiente, la economía y la sociedad a través del tiempo de vida del diseño. La propuesta de la Ingeniería Verde es escalable y aplica a través de diseño molecular, de productos, de proceso y de sistema. Esta propuesta es tan amplia como las disciplinas de la ingeniería por sí mismas y se basa en las tradiciones de la innovación, creatividad y brillantez que los ingenieros utilizan para encontrar nuevas soluciones a cualquier reto. La meta de la Ingeniería Verde es la de minimizar los impactos adversos y simultáneamente maximizar los beneficios a la economía, la sociedad y el medio ambiente. Los impactos adversos del diseño de ingeniería convencional, con frecuencia implementados sin una perspectiva de sustentabilidad, pueden encontrarse a nuestro alrededor en la forma de ineficiencias de uso del agua, agotamiento de materiales finitos y recursos de energía, congestión urbana y degradación de sistemas naturales como resultado de la actividad humana. Los beneficios mutuos resultantes del diseño de la ingeniería verde incluyen una economía competitiva y en crecimiento en el mercado mundial, calidad de vida mejorada para todas las especies, y protección y restauración mejorada de los sistemas naturales. Recuadro / 7.1 Los 12 principios de la Ingeniería Verde 1. Los diseñadores necesitan procurar garantizar que todas las entradas y salidas de material y energía sean tan inherentemente no peligrosas como sea posible. 2. Es mejor prevenir los residuos que tratar o limpiar los residuos después de que se han formado. 3. Las operaciones de separación y purificación deben ser un componente del marco de diseño. 4. Los componentes del sistema (productos, procesos y sistemas) se deben diseñar para maximizar la masa, la energía y la eficiencia temporal. 5. Los componentes del sistema se deben jalar hacia afuera en vez de ser empujados hacia adentro a través del uso de energía y materiales. 6. La entropía incrustada y la complejidad deben ser vistas como una inversión a la hora de tomar decisiones de diseño sobre reciclaje, reutilización o disposición benéfica. ALFAOMEGA c07.indd 260 7. La durabilidad pretendida, no la inmortalidad, debe ser un objetivo de diseño. 8. El diseño para la capacidad o aptitudes innecesarias se debe considerar como una falla de diseño. Esto incluye las soluciones de ingeniería de “un tamaño le queda a todos”. 9. Los productos multicomponentes deben procurar la unificación de materiales para promover el desmontaje y la retención de valor (minimizar la diversidad de material). 10. El diseño de procesos y sistemas debe incluir la integración de la interconectividad con los flujos de materiales y energía disponibles. 11. La métrica de desempeño incluye el diseño para el desempeño en la vida comercial “después de”. 12. El diseño debe estar basado en las entradas renovables y fácilmente disponibles durante el ciclo de vida. (Anastas y Zimmerman, 2003) INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC 8/30/11 2:54:45 PM 7.1 ¿Qué es la “ingeniería verde”? 261 Los principios de la Ingeniería Verde (Anastas y Zimmerman, 2003), listados en el recuadro 7.1, proporcionan una estructura para el entendimiento de la ingeniería verde. También representan técnicas que se pueden utilizar para hacer más sustentables las soluciones de ingeniería. Los estudiantes deberían revisarlas cuidadosamente y ver cómo cada principio encaja en su disciplina de ingeniería particular. Los 12 principios deben considerarse no como reglas, leyes o estándares inviolables. Son, al contrario, un conjunto de lineamientos para pensar en términos de criterios de diseño sustentable que, si se siguen, pueden guiar a avances útiles en términos de retos de sustentabilidad y diseño mejorado para un amplio rango de problemas de ingeniería. En un sistema complejo puede haber sinergias en las que el progreso hacia lograr la meta de un principio mejorará el progreso hacia otros principios diversos. Otros casos pueden requerir pros y contras entre la aplicación de dos principios que pueden ser resueltos sólo por las opciones y valores específicos de los practicantes dentro del contexto de la sociedad. Al final, la estructura de los 12 principios es una herramienta para ayudar concientemente y transparentemente en el direccionamiento de las opciones de diseño relevantes para los retos de sustentabilidad. 7.2 Diseño Incrustado en la práctica de la Ingeniería Verde está la palabra diseño. El diseño es la etapa de la ingeniería en donde la mayor influencia puede ser lograda en términos de egresos sustentables. En la etapa de diseño, los ingenieros son capaces de seleccionar y evaluar las propiedades del egreso final. Esto puede incluir ingresos materiales, químicos y de energía; la efectividad y la eficiencia; la estética y la forma y, las especificaciones pretendidas como la calidad, la seguridad y el desempeño. La etapa de diseño también representa el tiempo para la innovación, lluvia de ideas y creatividad, ofreciendo una oportunidad para integrar las metas de sustentabilidad en las especificaciones del producto, proceso o sistema. La sustentabilidad no debe ser vista como una restricción de diseño. Debe ser utilizada como una oportunidad para que las ideas o diseños existentes salten y conduzcan soluciones innovadoras que consideran los beneficios e impactos sistemáti- Guía de vehículos verdes http://www.epa.gov/greenvehicles/Index.do Vehículos verdes 101 http://www.ucsusa.org/clean_vehicles/ clean_vehicles_101/ Beneficios potenciales Redefinir el problema Reingeniería del sistema Optimizar la solución existente (incrementalismo) Inversiones (tiempo, dinero, recursos, energía) INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC c07.indd 261 Figura 7.1 Beneficios potenciales crecientes con grados crecientes de libertad de diseño para una inversión dada Advierta que el permitir un número incrementado de grados de libertad para resolver un problema libera más espacio de diseño para innovar y generar soluciones sustentables. ALFAOMEGA 8/30/11 2:54:46 PM 262 Capítulo 7 Ingeniería Verde cos durante la vida del diseño. Este potencial se muestra en la figura 7.1. La figura 7.1 demuestra que el permitir un número incrementado de grados de libertad para resolver un reto, direccionar una necesidad, o proporcionar un servicio crea mayor espacio de diseño para generar soluciones sustentables. Para una inversión dada (tiempo, energía, recursos, capital) se pueden realizar beneficios potenciales. Estos beneficios incluyen aumento de cuota de mercado, impacto ambiental reducido, daño a la salud humana minimizado y calidad de vida mejorada. En el caso en que las restricciones requieren mera optimización de la solución existente o hacer mejoras de incremento, algunas modestas ganancias pueden lograrse. Sin embargo, si los grados de libertad dentro del espacio de diseño pueden incrementarse, se pueden realizar más beneficios. Esto es porque el ingeniero tiene una oportunidad de diseñar una nueva solución que puede parecer muy diferente en forma pero proporciona el mismo servicio. Esto puede tener retos si el nuevo diseño está demasiado incrustado en un sistema existente y restringido. Finalmente, los mayores beneficios pueden lograrse cuando el ingeniero diseña con los máximos grados de libertad (en la escala de sistema más alta) para asegurar que cada componente dentro del sistema sea sustentable, se desempeñe con los otros componentes del sistema y cumpla con el propósito global que se pretende. e j e m p l o / 7.1 Grados de libertad y diseño sustentable En el 2004, las millas promedio por galón de un coche en carretera estadounidense era de 22. En respuesta a cuestiones acerca del cambio climático global, los ingenieros están trabajando hacia un diseño más innovador para mejorar el millaje de gasolina y reducir las emisiones de dióxido de carbono. ¿Cuáles son las oportunidades de diseño para el mejoramiento a escala con los crecientes grados de libertad y cuáles son los beneficios potenciales? solución La tabla 7.1 muestra tres soluciones de diseño. A medida que los grados de libertad en el diseño se incrementan, los ingenieros en este ejemplo tienen más flexibilidad para innovar una solución al problema. Tabla / 7.1 Tres soluciones de diseño investigadas en el ejemplo 7.1 Grados de libertad crecientes Solución de diseño Mejora incremental Reingeniería del sistema Redefinición de los límites del sistema Mejorar la eficiencia del motor Carnot; utilizar materiales de peso más ligero (compuestos en vez de metales) Utilizar un sistema híbrido eléctrico o de celda de combustible; cambiar la forma del carro para una aerodinámica mejorada; capturar el calor y la energía de desperdicio para su reutilización. Cumplir con las necesidades móviles sin auto individual; implementar un sistema de transporte público; diseñar comunidades de tal manera que los distritos comerciales y los empleos se encuentren a una distancia que se pueda caminar o andar en bicicleta; proporcionar acceso a los bienes y servicios deseados sin transportación vehicular. (Continúa) ALFAOMEGA c07.indd 262 INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC 8/30/11 2:54:46 PM 7.2 Diseño e j e m p l o / 7.1 263 Continuación Tabla / 7.1 Beneficios potenciales realizados Mejora incremental Reingeniería del sistema Redefinición de los límites del sistema Ahorro de combustible moderado; reducciones moderadas de emisiones de CO2 Ahorros de combustible mejorados; reducciones mejoradas de emisiones de CO2 eficiencia de material y energía mejorada. Eliminación de los impactos ambientales asociados con el ciclo de vida total del automóvil; ahorros de combustible y reducciones de CO2 maximizados; infraestructura mejorada; desarrollo más denso (crecimiento inteligente); salud de sociedad mejorada por la caminata y menor contaminación del aire. La fase de diseño ofrece oportunidades únicas en el ciclo de vida de un producto, proceso o sistema de ingeniería. Como se muestra en la figura 7.2, es en la fase de diseño de un producto típico en donde alrededor de 70 a 75% del costo se establece, aún cuando estos costos no serán realizados hasta mucho después en el ciclo de vida del producto. Los costos ambientales son análogos a los económicos. Por ejemplo, es también en la fase de diseño cuando se especifican los materiales. Esto con frecuencia dicta el proceso de producción así como los procesos de operación y mantenimiento (por ejemplo, pintura, revestimiento, resistencia a la corrosión, limpieza y lubricación). Tan pronto como el material se especifica como una decisión de diseño, el ciclo de vida total de ese material de la adquisición hacia el procesamiento y el final de la vida ahora se incluye como parte de los impactos Porcentaje de costos incurridos 100% 80% 60% Costos comprometidos 40% Costos incurridos Figura 7.2 Porcentaje de costos incurridos 20% Concepto INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC c07.indd 263 Ingeniería de diseño Pruebas Planeación Producción de proceso contra línea de tiempo de diseño Los costos pueden considerarse como económicos o ambientales. Durante la fase de diseño, aproximadamente 70% del costo se fija para el desarrollo, manufactura y uso. ALFAOMEGA 8/30/11 2:54:46 PM 264 Capítulo 7 Ingeniería Verde ambientales del producto, proceso o sistema diseño. Por lo tanto, es en la fase de diseño que el ingeniero tiene la mayor habilidad de afectar los impactos ambientales asociados con la salida final. Este proceso es similar para el diseño de una infraestructura tal como los sistemas de provisión de agua, las plantas de tratamiento de aguas residuales, las construcciones, los sistemas de transportación y el desarrollo residencial o comercial. Como ejemplo, piense en todos los materiales y productos que se utilizan para la construcción y para amueblar una construcción. En este punto, el ingeniero necesita tener la visión del futuro con respecto a cómo estos materiales se mantendrán, qué agentes de limpieza se usarán, cuáles serán las demandas de agua y de energía de la construcción, qué pasará con la construcción después de que haya terminado su vida útil, y cuál será el destino de estos materiales al final de la vida de la construcción. En términos de sistemas de transportación, un ingeniero puede pensar más allá del diseño de una nueva carretera que pretende liberar la congestión urbana, porque en muchas áreas, el potencial de volumen de carretera incrementado lleva a crecimiento incrementado, lo cual a cambio puede llevar a más tráfico y carreteras congestionadas. También es importante advertir que en la fase de diseño es cuando el ingeniero tiene la oportunidad de incorporar eficiencia incrementada; reducir el desperdicio de agua, materiales y energía; reducir costos y, lo más importante, impartir nuevos desempeños y capacidades. Mientras que muchos de los otros atributos listados pueden lograrse a través de las tecnologías de control de final de la tubería, sólo en la fase de diseño se pueden cambiar las características reales del producto, proceso o sistema. Por ejemplo, en el capítulo 6 se comentó cómo las simples sustituciones de materiales pueden eliminar la exposición a los químicos. El añadir nuevos desempeños y aptitudes ha mejorado con frecuencia las características ambientales mientras que ofrecen la oportunidad para la competitividad mejorada y el costo de mercado, mejorando el diseño por muchas razones. Simplemente al controlar o minimizar el desperdicio a través de la manufactura o aún al término de la vida no se puede alterar o mejorar la naturaleza fundamental del diseño. Cuando el diseño por sí solo es mejorado a través de los principios de innovación y sustentabilidad, se añade valor al mismo tiempo que ofrece un perfil mejorado de salud ambiental y humana. 7.3 Prevención de la contaminación, diseño para el ambiente, ecología industrial, sustentabilidad Sin importar su naturaleza, el desperdicio consume recursos, tiempo, esfuerzo y dinero, primero en su creación y luego en su manejo y gestión. Los desperdicios peligrosos requieren aún mayores inversiones para su monitoreo y control. Como se ha dicho previamente, la creación, manejo, almacenaje y disposición de desperdicios no añade valor al producto o servicio. En adición, los mecanismos tradicionales de manejo de desperdicios con frecuencia mueven desperdicios de un medio a otro, como el agua o como el relleno sanitario. Mientras que la eficiencia siempre ha sido un aspecto fundamental del buen diseño de ingeniería, el estado actual de nuestra infraestructura de proceso y producto puede plantearnos la pregunta qué tan bien esta regla ALFAOMEGA c07.indd 264 INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC 8/30/11 2:54:46 PM 7.3 Prevención de la contaminación, diseño para el ambiente, ecología industrial, sustentabilidad de diseño ha sido histórica o sistemáticamente aplicada. Se podría argumentar que durante el siglo xx, la ingeniería se enfocó mucho más en estrategias de diseño para lidiar con desperdicios como el tratamiento o disposición, en lugar de tecnologías innovadoras disruptivas basadas en eficiencias. En respuesta a los reglamentos, subsidios, leyes y capital invertido, se hizo mucho más importante hacer que los procesos ineficientes e insustentables existentes continuaran a través del uso de intervenciones tecnológicas elegantes y caras en lugar de entablarse en el diseño fundamentalmente eficiente y sustentable. El resultado de propuesta sesgada es un extenso portafolio de ingeniería sobre las maneras de monitorear, controlar y remediar el desperdicio. La ingeniería verde pretende reenfocar estos esfuerzos en diseños eficientes y sustentables. Esto significa evitar el desperdicio en primer lugar en donde quiera que sea practicable y eliminar el concepto de desperdicio en donde quiera que sea posible. La prevención de la contaminación está enfocada en el incremento de la eficiencia de un proceso para reducir la cantidad de contaminación generada. Esta es la idea del incrementalismo o la ecoeficiencia, en donde el sistema actual es ajustado para ser mejor que antes. Esto no toma en cuenta que el diseño actual puede no ser el mejor o el más apropiado para la aplicación actual. Esto es, el producto, proceso o sistema actual no fue diseñado con la intención de reducir el desperdicio y el impacto ambiental. Al contrario, se está mejorando dentro de sus restricciones actuales, tomando estas consideraciones en cuenta después del hecho, después de que el diseño se ha completado y con frecuencia implementado. La Ley de prevención de contaminación de 1990 (vea el recuadro 7.2) pasó a prevención de contaminación fomentada (no regulada) en Estados Unidos. Establece una jerarquía de prevención de contaminación (figura 7.3) como sigue: • Reducción de fuente—El desperdicio (sustancia peligrosa, agente tóxico o contaminante) debe ser evitado desde la fuente (antes del reciclaje, tratamiento o disposición). Recuadro / 7.2 265 P2 en EPA http://www.epa.gov/p2 Discusión en clase ¿Cómo difiere la prevención de la contaminación y la minimización de desperdicios de la ingeniería verde? Reducción de recursos Reciclaje Tratamiento Disposición Figura 7.3 Jerarquía de prevención de contaminación Ley de prevención de contaminación de 1990 La Ley de prevención de contaminación enfocó la atención de la industria, gubernamental y pública en reducir la cantidad de contaminación a través de cambios efectivos en costo en la producción, operación y uso de materias primas. Las oportunidades para la reducción de fuente con frecuencia no se realizan debido a los reglamentos existentes, y a los recursos industriales requeridos para el cumplimiento se enfocan en el tratamiento y la disposición. La reducción de fuente es fundamentalmente diferente de y más deseable que el manejo de desperdicios o el control de contaminación (2 U.S.C. 13,101 y 13,102, s/s et seq., 1990). prevenida o reducida en la misma fuente en donde sea factible; la contaminación que no puede ser evitada o reciclada debe ser tratada en una manera ambientalmente sana cuando sea factible; y la disposición u otra liberación en el medio ambiente debe ser empleada solo como último recurso y debe ser conducida en una manera ambientalmente sana. (2 U.S.C. 13,101b) El Congreso en este acto declara ser la política nacional de Estados Unidos que la contaminación deberá ser INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC c07.indd 265 ALFAOMEGA 8/30/11 2:54:46 PM 266 Capítulo 7 Ingeniería Verde Discusión en clase La jerarquía de prevención de contaminación claramente muestra que la reducción de fuente es favorecida por sobre los otros tres aspectos de la prevención de contaminación. La disposición es la alternativa menos preferida. ¿Cómo se relaciona la jerarquía de prevención de contaminación con el tratamiento de aguas residuales industriales y el manejo de desperdicio sólido? ¿En dónde puedo reciclar mis cosas? http://earth911.com Cero desperdicio http://zerowaste.ca.gov/ • Reciclaje. El desperdicio generado debe ser reutilizado ya sea en el proceso en el que fue creado o en otro proceso. • Tratamiento. El desperdicio que no puede ser reciclado debe ser tratado para reducir su riesgo. • Disposición. El desperdicio que no es tratado debe ser dispuesto en una manera ambientalmente sana. En el caso de tratamiento de aguas residuales, la jerarquía de prevención de contaminación sugiere que se deben enfocar los esfuerzos en las maneras de identificación para evitar que los materiales de desperdicio sean desaguados y transportados a una planta de tratamiento, en vez de dedicar todos nuestros esfuerzos a la mejora del diseño de las instalaciones de tratamiento. En términos de manejo de desperdicio sólido, es claro que la disposición en rellenos sanitarios no es la alternativa recomendada para manejar una corriente de desperdicio. En este caso, un ingeniero pensaría más allá del diseño de un relleno sanitario y se enfocaría en iniciativas más amplias para reducir la cantidad de desperdicio que se genera y se descarta. El permitir más grados de libertad de diseño y al moverse corriente arriba hacia oportunidades para rediseñar el producto, proceso o sistema, ofrece una mayor oportunidad de minimización de desperdicio o aún la eliminación de desperdicio. Mientras existen muchas barreras actuales, incluyendo la científica, técnica o económica, para el diseño de cero desperdicio es importante advertir que el concepto de desperdicio es humano. En otras palabras, no hay nada inherente en los materiales, energía, espacio o tiempo que los haga desperdiciarse. Se desperdician sólo porque aún nadie ha imaginado o implementado un uso definido para éstos. Si la creación de desperdicio no puede ser evitada bajo ciertas condiciones o circunstancias, los diseñadores e ingenieros pueden considerar mecanismos alternativos para explotar efectivamente estos recursos para propósitos de valor agregado. Por ejemplo, el desperdicio podría utilizarse benéficamente como materia prima al capturarlo y reciclarlo/reutilizarlo dentro del proceso, la organización o más allá. Esto da un costo y responsabilidad a los ahorros y beneficios. O tal vez el desperdicio de construcción podría ser capturado en el sito, en lugar de descartarlo hacia un relleno sanitario, para que pueda ser repropuesto para otras aplicaciones de la construcción. Es importante considerar que los materiales y energía que se utilizaron y ahora son “desperdicio” tienen entropía incrustada y complejidad representando una inversión en costo y recursos. Esto indica que la recuperación de desperdicio como una materia prima representa beneficios potenciales ambientales y económicos. La ecología industrial es el desplazamiento de los procesos industriales de sistemas (sistemas tipo 1) lineares (vuelta abierta), en los que las inversiones de recursos y capital se mueve a través del sistema para volverse desperdicios, a sistemas de vuelta cerrada en donde los desperdicios se vuelven entradas para nuevos procesos (sistemas tipo 3) (Graedel y Allenby, 1995). La figura 7.4 muestra la diferencia entre los sistemas tipo 1, 2 y 3. Advierta que los sistemas tipo 2 tienen algo de ciclo y generan algún desperdicio. Los sistemas tipo 3 se basan en sistemas naturales en donde no hay desperdicio alguno. En su lugar, cualquier desperdicio producido en la naturaleza se vuelve una fuente de alimentación o nutrientes para otras especies o procesos naturales. Piense si los procesos que le son familiares son de los tipos de sistemas 1, 2 o 3. Por ejemplo, el tratamiento convencional de aguas residuales es un ALFAOMEGA c07.indd 266 INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC 8/30/11 2:54:47 PM 7.3 Prevención de la contaminación, diseño para el ambiente, ecología industrial, sustentabilidad a) b) Recurso ilimitado Energía y recursos limitados Organismo 267 Desperdicio ilimitado Desperdicio limitado c) Energía Figura 7.4 Esquema de los ecosistemas tipo 1, 2 y 3 En este ecosistema, los desperdicios son reciclados de vuelta hacia el sistema. a) El ecosistema tipo 1 es un sistema industrial tradicional en donde las inversiones de recursos y capital se mueven a través de un sistema para convertirse en desperdicios. b) El ecosistema tipo 2 tiene algo de ciclo y genera algo de desperdicio. c) El ecosistema tipo 3 es un sistema de vuelta cerrada en donde los desperdicios se vuelven entradas para nuevos procesos. ecosistema tipo 2 en el sentido de que algunos de los materiales de desperdicio son reciclados (por ejemplo, la aplicación en el suelo de los biosólidos y el uso de metano generado por digestión anaeróbica para proporcionar calor o electricidad). Sin embargo, estos sistemas pueden aún dispersar nutrientes de nitrógeno y fósforo (una vez concentrados en entradas de alimento) a ambientes acuáticos. En esta situación, los nutrientes añadidos no sólo lastiman la calidad del agua, sino que se hacen difíciles de remediar una vez que se acumulan en los sedimentos. Para que una planta de tratamiento de aguas residuales convencional se mueva hacia un ecosistema tipo 3, el ingeniero podría considerar la modificación de la planta para transformar el nitrógeno de amonio acuoso a nitrógeno líquido vía las reacciones de nitrificación y dentrificación. También podría haber una reutilización del agua tratada para el consumo humano, la agricultura, las necesidades de paisaje y el soporte de los ecosistemas. El desperdicio puede ser eliminado a través del diseño de las tecnologías disruptoras que se mueven hacia productos sustentables, procesos o sistemas que inherentemente reducen las entradas innecesarias o los riesgos asociados con aquellas entradas al mismo tiempo que aún logran la consecución del egreso deseado. Otra estrategia para eliminar el concepto de desperdicio es la de diseñar moléculas, productos, procesos y sistemas para incorporar todas las entradas. Estas estrategias sugieren que el diseño de ingeniería con la intención de que todos los recursos utilizados estén en inversiones deseables, con valor agregado. Esta propuesta tiene beneficios ambientales y económicos en términos de la reducción de los impactos del ciclo de vida al eliminar los costos y los impactos de los recursos y los costos asociados de procuración y disposición para entradas que ya no son necesarias. INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC c07.indd 267 Discusión en clase ¿Puede usted pensar acerca de otros sistemas municipales o industriales que sean ecosistemas ya sea tipo 1 o tipo 2? ALFAOMEGA 8/30/11 2:54:47 PM 268 Capítulo 7 Ingeniería Verde ejemplo/7.2 Ecosistema tipo 2 aplicado a un relleno sanitario Con base en las prácticas ambientales actuales, dibuje una figura para mostrar cómo el manejo de desperdicios sólidos municipales es un ejemplo de un ecosistema tipo 2. solución La figura 7.5 muestra cómo el manejo de desperdicio sólido municipal es un ejemplo de un ecosistema tipo 2. Actualmente, 17% del desperdicio sólido municipal es incinerado para recuperar energía (la que algunos consideran como una forma de reciclaje o reutilización), 27% se recicla (aluminio, vidrio, papel) y composta (materia orgánica, recortes del jardín, desperdicio de alimentos) y 56% se envía a rellenos sanitarios. 17% 56% Recursos y energía limitados 27% Figura 7.5 Ejemplo de cómo el manejo de desperdicio sólido municipal es un ecosistema tipo 2 Diseño de la EPA para un programa ambiental http://www.epa.gov/oppt/dfe/ ALFAOMEGA c07.indd 268 El diseño para el medio ambiente (DFE) o el ecodiseño, es una propuesta a un diseño en el que las cargas ambientales son intencionalmente consideradas y eliminadas en donde sea posible en la fase de diseño. Las estrategias de DFE incluyen reducción de fuente, recuperación de material, y cuando éstas fallan, el uso de materiales tratables como opuesto a materiales no tratables. La tabla 7.2 proporciona diversos métodos para introducir estas estrategias. Cuando los impactos sociales, económicos y ambientales se consideran para largo plazo en la fase de diseño, el esfuerzo puede considerarse como un diseño sustentable. Recuerde que, como se comentó en el capítulo 1, la meta de sustentabilidad es alinear simultáneamente y adelantar beneficios para la sociedad, la economía y el medio ambiente. Esta estrategia va más allá de la prevención de la contaminación y el DFE para realizar beneficios aún más grandes para las generaciones actuales y futuras. INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC 8/30/11 2:54:47 PM 7.4 Conceptos fundamentales 269 Tabla / 7.2 Estrategias de diseño para el medio ambiente (DFE) para la eliminación de cargas ambientales • Cambios en la selección de materiales • Cambios en la selección de equipo; opciones de compra mejoradas • Prácticas de operación mejoradas • Prácticas mejoradas de recuperación y disposición • Logística mejorada FUENTE: Cooper, 1999. 7.4 Conceptos fundamentales La Ingeniería Verde y el diseño sustentable involucran diversos conceptos fundamentales, incluyendo la inherencia, el ciclo de vida, pensamiento sistémico, resiliencia, criterios de desempeño, proporcionar servicios y análisis financiero. Esta sección trata cada uno de estos conceptos a mayor detalle. 7.4.1 INHERENCIA Como se mostró en la ecuación de riesgo del capítulo anterior, el riesgo es una función de peligro y exposición: Riesgo = f(peligro, exposición) (7.1) En la química verde, el riesgo es minimizado al reducir o eliminar el peligro. A medida que el peligro intrínseco es reducido, existe una menor dependencia de los controles de exposición y por lo tanto menor probabilidad de falla. La meta final serían los materiales o químicos completamente benignos de tal manera que no exista necesidad de controlar la exposición. Esto es, los químicos y los materiales no causarían daño si fueran liberados hacia el ambiente o los seres humanos fueran expuestos a ellos. Los avances que se están haciendo en el movimiento hacia los químicos inherentemente benignos a través de la química verde son significativos y dramáticos. La química verde, la cual surgió como un área cohesiva de investigación en 1991, se define como el diseño de productos y procesos que reducen o eliminan el uso y la generación de sustancias peligrosas. La propuesta de la química verde fue delineada en el marco de los 12 principios de la química verde (Anastas y Warner, 1998) y ha funcionado como el documento lineal para el campo. La química verde es uno de los campos más fundamentales relacionados con la ciencia y la tecnología para la sustentabilidad que se enfoca en el nivel molecular para diseñar los químicos y los materiales para que sean inherentemente no peligrosos. La investigación fundamental de la química verde ha sido traída para soportar un diverso conjunto de retos, incluyendo la energía, la agricultura, los farmacéuticos y el cuidado de la salud, la biotecnología, la nanotecnología, INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC c07.indd 269 Química verde http://www.epa.gov/greenchemistry ALFAOMEGA 8/30/11 2:54:47 PM 270 Capítulo 7 Ingeniería Verde Tabla / 7.3 Ejemplos de química verde • Un agente extintor de fuego dramáticamente más efectivo que elimina halón y utiliza agua en combinación con un surfactante avanzado. • La producción de ingredientes activos de gran escala es la generación típica de miles de libras de desperdicio tóxico por libra de producto. • La eliminación de arsénico de los protectores de madera que se utilizan en la madera aplicada a las cubiertas del hogar y el equipo de parques infantiles. • La introducción de la primera materia prima plástica biobasado que tiene las cualidades de desempeño necesarias para una aplicación de multimillones de libras como un empaque de comida. • Un nuevo sistema de solvente que elimina el uso en gran escala de agua ultrapura en la manufactura de chips de computadora, reemplazándolo con el dióxido de carbono líquido, lo que permite la producción de chips de siguiente generación. productos de consumo y materiales. En cada caso, la química verde ha demostrado exitosamente que reduce el peligro intrínseco, que mejora la eficiencia de material y de energía, y que arraiga una perspectiva del ciclo de vida. La tabla 7.3 proporciona ejemplos de química verde que ilustran su amplitud de aplicabilidad. Es claro del capítulo 6 que la toxicidad es un tema complejo con muchos factores contribuyentes. Esto refuerza la dificultad de desempeño de una evaluación de riesgo precisa. Además, demuestra que una de las mejores estrategias para mitigar el riesgo es la de reducir o eliminar el peligro intrínseco de los químicos o materiales que se diseñan para un producto dado, proceso o sistema. También es crítico advertir que otras características de un producto, proceso o sistema (además de la toxicidad) pueden ser diseñadas para ser inherentes. Un diseño puede ser inherentemente más confiable, más durable, más resiliente y más eficiente. La intención es la de diseñar las propiedades deseables intrínsecamente, en vez de controlarlas o mantenerlas mediante circunstancias externas. 7.4.2 CICLO DE VIDA La iniciativa de ciclo de vida http://lcinitiative.unep.fr/ ALFAOMEGA c07.indd 270 Las consideraciones del ciclo de vida toman en cuenta el desempeño ambiental de un producto, proceso o sistema durante todas las fases de adquisición de materias primas para refinar dichos materiales, la manufactura, el uso y el manejo de fin de vida (vea la figura 7.6a). En el caso de infraestructura de ingeniería, las etapas de vida serían el desarrollo del sitio, la entrega de materiales y producto, la manufactura de la infraestructura, el uso de la infraestructura, y la remodelación, reciclaje y disposición (vea la figura 7.6b). En algunos casos, los impactos de transportación de movimiento entre estas etapas de ciclo de vida también son considerados. INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC 8/30/11 2:54:47 PM 7.4 Conceptos fundamentales Extracción de material Procesamiento de material Manufactura Uso de producto Reciclaje Remanufactura Reutilización 271 Término de vida a) Desarrollo de sitio Manufactura de la infraestructura Entrega de materiales y producto Uso de la infraestructura Reciclaje Remanufactura Reutilización Término de vida b) Figura 7.6 Etapas de ciclo de vida común Las etapas más comunes para a) producto manufacturado y b) infraestructura de ingeniería que hace el entorno urbanístico. La figura 7.6a y 7.6b también muestra, como vueltas de retroalimentación, el potencial para reciclaje, remanufactura y reutilización. Mientras que los beneficios son comúnmente asociados con estas varias estrategias de manejo de término de vida, también pueden tener impactos ambientales negativos y deben estar incluidos al hacer el diseño o diseños de mejora y cálculos de ciclo de vida. El ciclo de vida total debe considerarse debido a que los distintos impactos ambientales pueden suceder durante distintas etapas. Por ejemplo, algunos materiales pueden tener una consecuencia ambiental adversa al ser extraídos o procesados, pero pueden ser relativamente benignos en el INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC c07.indd 271 ALFAOMEGA 8/30/11 2:54:47 PM 272 Capítulo 7 Ingeniería Verde uso y facilidad para reciclar. El aluminio es ese tipo de material. Por un lado, la fundición del mineral de aluminio es muy intensa en energía (una razón por la que el aluminio es un metal reciclado favorecido). Sin embargo, un automóvil creará el volumen de su impacto ambiental durante la etapa de uso de su ciclo de vida, principalmente debido a la combustión de combustibles fósiles pero también debido a la escorrentía de los caminos y el uso de muchos fluidos durante la operación. Y para las construcciones, aunque una vasta cantidad de agua, agregados, químicos y energía se utilizan para producir los materiales de construcción, la transportación de los mismos hacia el sitio de trabajo y la construcción de un edificio, la vasta mayoría del uso de agua y energía sucede después de la ocupación, durante la etapa de operación del ciclo de vida del edificio. EVALUACIÓN AMBIENTAL DEL CICLO DE VIDA (LCA) La idea Definición de meta y alcance Análisis de inventario Interpretación Evaluación de impacto Figura 7.7 Componentes del marco de evaluación del ciclo de vida LCA 101 http://www.epa.gov/nrmrl/lcaccess/ lca101.html de las consideraciones del ciclo de vida es la de proteger en contra de la aplicación de la ingeniería verde y el diseño sustentable en solo una etapa del ciclo de vida. Para capturar efectivamente estos impactos a través del ciclo de vida total del producto, proceso o sistema, se deben considerar los impactos ambientales para el ciclo de vida total, al usar una evaluación del ciclo de vida (LCA). La LCA es tecnología avanzada para examinar el impacto ambiental total a través de cada etapa del ciclo de vida. El marco de LCA se dibuja en la figura 7.7. Las LCA se pueden utilizar para identificar procesos, componentes, materiales y sistemas que son contribuyentes principales para los impactos ambientales, comparar distintas opciones dentro de un proceso particular con el objetivo de minimizar los impactos ambientales, y comparar dos productos o procesos diferentes que proporcionen el mismo servicio. Este análisis puede entonces proporcionar lineamientos en donde existen las oportunidades para las decisiones de diseño para mejorar el desempeño ambiental. Como se muestra en la figura 7.7, el primer paso para desempeñar una LCA es definir la meta y el alcance. Esto puede cumplirse al responder las preguntas listadas en la tabla 7.4. En el primer paso de la LCA, la meta declara la aplicación y audiencia pretendidas, mientras que el alcance del estudio define la función o unidad funcional, enunciada en la tabla 7.5. La unidad funcional sirve como la base de la LCE, las fronteras del sistema y Tabla / 7.4 Preguntas para el primer paso de una evaluación de ciclo de vida (LCA): definición de la meta y el alcance • ¿Cuál es el propósito de la LCA? ¿Por qué se está llevando a cabo la evaluación? • ¿Cómo serán utilizados los resultados y por quién? • ¿Qué materiales, procesos o productos se deben considerar? • ¿Necesitan direccionarse las cuestiones específicas? • ¿Qué tan ampliamente las opciones alternativas serán definidas? • ¿Qué cuestiones o preocupaciones direccionará el estudio? ALFAOMEGA c07.indd 272 INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC 8/30/11 2:54:47 PM 7.4 Conceptos fundamentales e j e m p l o / 7.3 273 Marco para la evaluación del ciclo de vida Si se le pidiera llevar a cabo una LCA para un nuevo producto de papel, ¿cuál sería una posible descripción de la meta y el alcance? solución Este problema tiene varias soluciones posibles: solución 1 Meta posible: identificar qué etapa en el ciclo de vida de la producción de papel emite gases de invernadero significativos. Alcance posible: • Análisis de fibras de papel que tienen pulpa química. • Limitarse a un molino de pulpa y papel. • Llevar a cabo un análisis en una base por peso. solución 2 Meta posible: decidir entre este nuevo producto de papel y el producto de papel actualmente utilizado Alcance posible: • Restringir el análisis a la etapa de manufactura o cada tipo de papel (suponga que las mismas prácticas de tala y los mismos rangos de reciclaje al término de la etapa de vida son idénticos para los dos tipos de papel). • Negar cualquier material o componente que componga menos de 5% por peso del producto de papel final. • Llevar a cabo un análisis sobre la producción de 10 000 hojas de papel. los requerimientos y suposiciones de datos (por ejemplo, los impactos de la transportación entre las etapas del ciclo de vida serán negados). Una vez que la meta, el alcance y la unidad funcional han sido definidas, el siguiente paso de una LCA es el de desarrollar un diagrama de flujo para Tabla / 7.5 Definiciones de función y unidad funcional Función Unidad funcional Servicio proporcionado por el sistema Medios de cuantificación de función de producción Características de desempeño de un producto Bases para una LCA Referencia para normalización de datos de entrada y salida INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC c07.indd 273 ALFAOMEGA 8/30/11 2:54:47 PM 274 Capítulo 7 Ingeniería Verde e j e m p l o / 7.4 Determinación de la función y la unidad funcional en términos de LCA ejemplo 1 Si se le pide llevar a cabo una LCA en dos diferentes detergentes de lavandería, ¿qué podría utilizar como la unidad funcional para el análisis? solución 1 La base para la LCA podría ser el peso o volumen de cada detergente de lavandería necesario para correr 1 000 ciclos de lavadora. (Esto no dice nada acerca del desempeño de los detergentes de lavandería (cómo limpiar la ropa después de lavarla) ya que se supone que sea idéntico para el propósito de la LCA.) ejemplo 2 Si se le pide llevar a cabo una LCA en bolsas de compras de papel contra bolsas de compras de plástico, ¿qué podría utilizar como la unidad funcional para el análisis? solución 2 .mx/h ua ega.c ttp om om l.alfa La base de la LCA podría ser un volumen establecido de comestibles a ser cargados, en cuyo caso dos bolsas de plástico serían equivalentes a una bolsa de papel. O la unidad funcional podría estar relacionada con el peso de los comestibles cargados, en cuyo caso necesitaría determinar si las bolsas de papel o de plástico son más fuertes y cuántas de cada una serían necesarias para cargar el peso especificado. : / /v i r t ALFAOMEGA c07.indd 274 Mercurio e iluminación los procesos que se están evaluando y llevar a cabo un análisis de inventario. El análisis de inventario se mostró como parte del marco de la LCA en la figura 7.7. Ésta involucra la descripción de todas las entradas y salidas en el ciclo de vida de un producto, comenzando con lo que compone al producto, de dónde vinieron dichos materiales, a dónde van, y las entradas y salidas relacionadas con dichos materiales componentes durante su vida entera. También es necesario incluir las entradas y las salidas durante el uso del producto, tal como el uso de electricidad o baterías. El propósito del análisis de inventario es el de cuantificar qué viene y qué sale, incluyendo la energía y el material asociados con cada etapa en el ciclo de vida. Las entradas incluyen todos los materiales, renovables y no renovables, y la energía. Es importante recordar que las salidas incluyen los productos deseados y los subproductos y los desperdicios como las emisiones al aire, el agua y la tierra. Mientras que algunas de estas fuentes de datos son públicos y pueden encontrarse en la internet, otras requieren INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC 8/30/11 2:54:48 PM 7.4 Conceptos fundamentales una suscripción pagada para el acceso a los datos o se incluyen en el software de compra de evaluación del ciclo de vida. Los datos de inventario del ciclo de vida pueden venir de muchas fuentes, incluyendo la literatura prerevisada, los fabricantes o las asociaciones profesionales y las bases de datos genéricas. Los datos pueden ser promediados para un producto (tal como el promedio para todos los métodos para producir 1 kg de vidrio) o sector (promedio para todos los productores para producir 1 gal de agua potable) para mantener las propiedades naturales de esta información para las compañías individuales. Al llevar a cabo un análisis de inventario de ciclo de vida, es importante considerar la calidad de los datos para entradas y salidas al sistema. Los indicadores de calidad de datos incluyen la precisión, que estén completos, su representatividad, su consistencia y su reproducibilidad. La calidad de datos es especialmente importante para considerarse, ya que muchos de los datos disponibles del ciclo de vida se originan en Europa y Japón, en donde los procesos de manufactura y la energía de red mezclados para producir electricidad pueden ser diferentes que en Estados Unidos. El tercer paso en la LCA (como se mostró en la figura 7.7) es conducir una evaluación del impacto. Este paso involucra la identificación de todos los impactos ambientales asociados con las entradas y salidas detalladas en el análisis de inventario. En este caso, los impactos ambientales a través del ciclo de vida se agrupan en temas amplios. Los impactos ambientales pueden incluir factores de estrés como el agotamiento de recursos, el uso de agua, potencial de calentamiento global, agotamiento del agujero de ozono, toxicidad humana, formación de smog y uso de suelo. Este paso con frecuencia involucra algunas suposiciones sobre qué impactos a la salud humana y ambientales resultarán de un escenario de emisión dado, el cual es similar a una evaluación de riesgo. El paso final en la evaluación del impacto puede ser controversial, ya que con frecuencia involucra el pasar estas amplias categorías de impacto ambiental para arrojar un solo marcador para el desempeño ambiental global del producto, proceso o sistema que se está analizando. Esto es con frecuencia una consideración de la sociedad, la cual puede variar entre las culturas. Por ejemplo, las naciones de las islas del Pacífico Sur pueden dar mayor peso al cambio climático, dada su vulnerabilidad a elevarse a nivel del mar, mientras que otros países pueden dar mayor peso al impacto a la salud humana. En consecuencia, el marcador de impacto total puede ser distorsionado por los factores de peso. También, para un inventario de ciclo de vida idéntico, las decisiones resultantes de la evaluación del impacto pueden variar de país a país o de organización a organización. Las evaluaciones del impacto también pueden ser desempeñadas utilizando una tarjeta de registro con grados subjetivos asignados como números 1-5, siendo 5 el mejor, o un sistema de graduación más visual, tal como: ✓⫹, ✓ y ✓⫺. Finalmente, la LCA puede proporcionar una penetración hacia las oportunidades para la mejora del impacto ambiental de un producto, proceso o sistema dados. Esto puede incluir la selección de una de dos opciones o la identificación de áreas para la mejora de una sola opción. La LCA es extremadamente valiosa para asegurar que el impacto ambiental se está minimizando durante todo el ciclo de vida y que los impactos no se están cambiando de una etapa de vida a otra. Esto lleva a un sistema que está globalmente optimizado para reducir los efectos adversos para el producto, proceso o sistema específico. INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC c07.indd 275 275 La aplicación del pensamiento de ciclo de vida a los proyectos internacionales de desarrollo de agua y saneamiento http://cee.eng.usf.edu/peacecorps/ Resources.htm ALFAOMEGA 8/30/11 2:54:48 PM 276 Capítulo 7 Ingeniería Verde e j e m p l o / 7.5 Desarrollo de un análisis del ciclo de vida en materiales de tubería El propósito de este ejemplo extendido es el de mostrar el proceso y complejidad totales al desempeñar una LCA. Se examinarán cuatro productos de tubería para este ejemplo. solución Debido a que la solución a este problema es larga, hemos estructurado la solución en diez pasos. 1. Especifique la meta del estudio: Evaluar los impactos de ciclo de vida de cuatro diferentes productos de tubería para su uso en la distribución de agua para una nueva comunidad planeada para sustentabilidad. Los cuatro materiales de tubería son cloruro de polivinilo (PVC), cloruro de polivinilodeno (PVCD), polietileno (PE) y aluminio (Al). 2. Especifique el alcance del estudio: Para este ejemplo, la evaluación del ciclo de vida tendrá una frontera de sistema alrededor del ciclo de vida total, desde la extracción de la materia prima, a la manufactura, uso y el término de vida (rellenos sanitarios, incineración y reciclaje) (vea la figura 7.8). Extracción de materia prima Bauxita, petróleo Manufactura Producción de Al, PVC, PVDC, PE Manufactura de hojas Uso Manufactura de tuberías Uso de tuberías Salud humana Término de vida Término de vida, relleno sanitario, incineración, reciclaje Entradas de material y energía Energía de desperdicio, emisiones al aire, agua y suelo Figura 7.8 Frontera de sistema utilizada en el ejemplo 7.5 La frontera abarca el ciclo de vida desde la extracción de la materia prima hasta la manufactura, uso y término de vida. 3. Determine la función: La tubería proporciona un producto físico para transportar el agua a través del entorno urbanístico. Las propiedades deseables incluyen la capacidad de contener el medio que se está transportando, la minimización de la transferencia de calor, la vida larga y la resistencia a la degradación. Los factores como la estética, los adhesivos y los métodos de unión están fuera del alcance de este análisis de ciclo de vida. ALFAOMEGA c07.indd 276 INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC 8/30/11 2:54:48 PM 7.4 Conceptos fundamentales e j e m p l o / 7.5 277 Continuación 4. Determine la unidad funcional: Suponga 1 000 pies de material de tubería. Los ciclos de vida de empaque son idénticos para cada uno de los cuatro productos y por lo tanto no se incluyen en este estudio. La transportación desde cada una de las cuatro instalaciones de manufactura hasta el sitio de construcción es similar y no apta, por lo tanto, no está incluida en este estudio. 5. Desarrolle diagramas de flujo de proceso para la producción de los cuatro diferentes materiales de tubería: La figura 7.9 muestra el diagrama de flujo de proceso para la producción de tubería de cloruro de polivinilo (PVC). Minería Extracción Sal de rocas Metano Estabilizador Plastificad Electrólisis Cl2 VCM Cloración Tubería de PVC Emulsión, reacción de polimerización Calandrado Figura 7.9 Diagrama de flujo de proceso para la producción de tubería de cloruro de polivinilo (PVC) Figura 7.10 muestra el diagrama de flujo de proceso para la producción de tubería de cloruro de polivinilodeno (PVDC). Minería Extracción Sal de rocas Metano Electrólisis Tubería de PVDC Cl2 Calandrado Cloración Cloruro de vinilo Emulsión, reacción de polimerización Cloración Cloruro de vinilodeno Figura 7.10 Diagrama de proceso de flujo para la producción de tubería de cloruro de polivinilodeno (PVDC) INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC c07.indd 277 ALFAOMEGA 8/30/11 2:54:48 PM 278 Capítulo 7 Ingeniería Verde e j e m p l o / 7.5 Continuación La figura 7.11 muestra el diagrama de proceso de flujo para la producción de tubería de polietileno (PE). Figura 7.11 Diagrama de proceso de flujo para la producción de tubería de polietileno (PE) Perforación de pozos petroleros Refinería Agua Petróleo Craqueo a vapor Etileno Estabilizadores Aditivos Tubería de PE Extrusión Laminado Polimerización La figura 7.12 muestra el diagrama de proceso de flujo para la producción de tubería de aluminio (Al). Minería Minería Manufactura de cátodo/ánodo NaOH Piedra caliza Bauxita Fluoruro de Na-Al-Ca Carbón Manufactura de óxido de aluminio Figura 7.12 Diagrama de proceso de flujo para la producción de tubería de aluminio Tubería de aluminio Electrólisis Laminado/ recocido Metal de Al Fundición 6. Desarrolle un inventario de materiales de ciclo de vida consumidos en la producción de material de tubería: En este caso, el inventario de ciclo de vida es desempeñado para la masa de materias primas consumidas, energía, emisiones de aire y emisiones de agua. El inventario del ciclo de vida de la masa de materias primas específicas consumidas para la producción de tubería se muestra en la figura 7.13a. El inventario del ciclo de vida de energía consumida para los materiales de producción de tubería se muestra en la figura 7.13b. Advierta que la energía consumida para estos productos incluye la energía involucrada en el producto (esto es, si el petróleo utilizado para producir PVC, PVCD y PE fuera utilizado para la generación de energía ALFAOMEGA c07.indd 278 INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC 8/30/11 2:54:48 PM 7.4 Conceptos fundamentales e j e m p l o / 7.5 a) 279 Continuación 1.4 Masa (kg) 1.2 1.0 0.8 Petróleo crudo/gas natural Sal de rocas Piedra caliza Bauxita 0.6 0.4 0.2 0 b) PVC PVDC PE Al PE Al Energía (MJ) 70 60 Materia prima 50 Precombustión y combustión 40 30 20 10 0 PVC c) PVDC Emisiones de aire (g) 25,000 20,000 15,000 Materia particulada Químicos orgánicos volátiles Monóxido de carbono Óxidos de azufre Óxidos nitrosos 10,000 5,000 0 PVC PVDC PE Al Figura 7.13 Inventarios del ciclo de vida a) Inventario del ciclo de vida de masa de materias primas consumidas para la producción de tuberías; b) inventario del ciclo de vida de energía consumida para la producción de materiales de tubería y, c) inventario del ciclo de vida para las emisiones de aire de indicadores de contaminación del aire (por unidad funcional). en lugar de para la producción de un producto) así como la precombustión y la energía de combustión para todas las etapas del ciclo de vida. La energía de precombustión es la energía requerida para adquirir el recurso, y la energía de combustión es la energía consumida en la adquisición y manufactura de los procesos per se de energía consumida para la producción de materiales de tubería y, c) inventario del ciclo de vida para las emisiones de aire de indicadores de contaminación del aire (por unidad funcional). El inventario del ciclo de vida de las emisiones de aire de indicadores de contaminación se muestra en la figura 7.13c. Como se comentará en el capítulo 12, los indicadores de contaminación del aire son aquellos que la Ley de aire limpio requiere a la Agencia de Protección Ambiental (EPA) que regule mediante los Estándares de la calidad del aire ambiental nacional. Éstos incluyen el ozono, el material particulado, INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC c07.indd 279 ALFAOMEGA 8/30/11 2:54:48 PM 280 Capítulo 7 Ingeniería Verde e x a m p l e / 7.5 Continued Sólidos suspendidos el monóxido de carbono, el dióxido de nitrógeno, el dióxido de azufre y el plomo. El inventario del ciclo de vida de las emisiones de agua para diversas emisiones clave se muestra en la figura 7.14. Este inventario reporta las Aluminio PE PVDC PVC 0 4,000 a) 8,000 Gramos 12,000 60 Gramos 80 16,000 Nitrógeno Aluminio PE PVDC PVC Carbón orgánico total b) Sales y ácidos ALFAOMEGA c07.indd 280 Metales totales 0 50 100 PVDC PVC 100 150 200 Gramos 250 300 Aluminio PE PVDC PVC 0 20,000 40,000 60,000 80,000 100,000 Gramos Aluminio PE PVDC PVC 0 e) 40 PE d) vida para las emisiones de agua clave Este inventario mide a) sólidos suspendidos, b) nitrógeno, c) carbón orgánico total, d) sales y ácidos y, e) metales totales (por unidad funcional). 20 Aluminio c) Figura 7.14 Inventario del ciclo de 0 20 40 60 80 100 120 140 160 Gramos INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC 8/30/11 2:54:49 PM 7.4 Conceptos fundamentales e j e m p l o / 7.5 281 Continuación emisiones del ciclo del agua para cada producto de tubería basado en los diagramas de flujo establecidos en el paso 5, incluyendo los sólidos suspendidos, nitrógeno, sales y ácidos, metales totales y carbón orgánico total. Peso (g) 7. Determine el inventario del ciclo de vida de la etapa final de vida (manejo de término de vida): En la etapa final de vida, el producto puede ser enviado a rellenos sanitarios, incinerado o reciclado (figura 7.15). 350 300 250 200 150 100 50 0 Figura 7.15 Inventario del ciclo de vida de la etapa final de vida (manejo de término de vida) (por unidad funcional) Reciclado Incinerado Enviado a rellenos sanitarios PVC PVDC PE Al 8. Determine la evaluación del impacto del ciclo de vida de los datos del inventario del ciclo de vida: En este paso, todos los datos del inventario, incluyendo las entradas de materias primas y de energía y todas las salidas en términos de aire, agua y desperdicio sólido, se agrupan en categorías más amplias de impacto ambiental como el potencial de calentamiento global (figura 7.16) y preocupaciones de salud humana (tabla 7.6). En la figura 7.16, GWP100 es el potencial de calentamiento global en kilogramos de CO2 equivalentes con una perspectiva de 100 años (vea el capítulo 2). Para las categorías como los efectos en la salud humana, es con frecuencia necesario incluir evaluaciones cualitativas, debido a que (como se comentó en el capítulo 6) el desempeño de evaluaciones de riesgo es difícil y complejo. Figura 7.16 Evaluación del impacto del ciclo de vida para el impacto ambiental de potencial de calentamiento global (GWP100) (por unidad funcional) 1 GWP100 relativo a CO2 (equivalentes en kg de CO2) 3,000 2,500 2,000 1,500 1,000 500 0 PVC PVDC PE Al 9. Interprete el inventario del ciclo de vida y la evaluación: En este punto en la LCA, las evaluaciones subjetivas se hacen de los impactos evaluados en el paso 8, comparando los impactos para cada uno de los diseños alternativos para determinar cuál tiene el mejor perfil ambiental INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC c07.indd 281 ALFAOMEGA 8/30/11 2:54:49 PM 282 Capítulo 7 Ingeniería Verde e j e m p l o / 7.5 Continuación Tabla / 7.6 Evaluación del impacto del ciclo de vida para las preocupaciones de la salud humana en el ejemplo 7.5 Material Preocupaciones de salud Dioxina (PVC/PVDC) Carcinógeno, disruptor potencial endocrino y teratógeno Exposición vinculada con diabetes Instituto de vinilo: 24.3 g/año Greenpeace: 283-565 g/año EPA: Datos insuficientes para evaluar las quejas Plastificadores (PVC/PVDC) Dietilhidroxilamino (DEHA): carcinógeno humano potencial, teratógeno, mutágeno y disruptor endocrino di-2-etilhexiloftalato (DEHP): carcinógeno humano potencial, teratógeno y disruptor endocrino Migración de plastificadores (PVC/PVDC) Preocupación por el DEHA y el DEHP como una vía adicional de exposición Aluminio Posible vínculo con la enfermedad de Alzheimer; exposición insignificante de esta vía de producto La producción de aluminio mediante la fundición vinculada con asma y enfermedad crónica de las vías respiratorias; provoca el desagüe ácido de las minas y para identificar las mejoras potenciales de diseño. En este caso se utilizará un sistema de rango de ✓⫹, ✓, y ✓⫺, en donde ✓⫹ es más favorable y ✓⫺ es menos favorable (tabla 7.7). Desde aquí, la LCA puede ir un paso más allá y combinarse con todos los marcadores para cada alternativa para producir un solo marcador que puede ser comparado con todos los diseños. Sin embargo, este paso requiere la medición de GWP contra los riesgos de salud; con frecuencia éstos son juicios de valor social o corporativo sobre qué impactos son más importantes que otros. Por ejemplo, un esquema de peso puede pesar los impactos en donde los impactos de la emisión ambiental son pesados en 30%, los efectos en la salud humana son pesados en 40% y los impactos de recursos (incluyendo el uso de suelo) son pesados en 30 por ciento. 10. Haga recomendaciones: Basado en la evaluación del ciclo de vida, las siguientes recomendaciones podrían hacerse para las mejoras ambientales y de la salud humana para producir más diseños de alternativas ambientales benignas que aquéllas actualmente disponibles o en consideración. ALFAOMEGA c07.indd 282 INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC 8/30/11 2:54:49 PM 7.4 Conceptos fundamentales e j e m p l o / 7.5 283 Continuación Tabla / 7.7 Interpretación del ciclo de vida de inventario y evaluación para el ejemplo 7.5 PVC PVDC PE Al Intensidad del material ✓⫹ ✓ ✓⫹ ✓⫺ Energía ✓⫹ ✓ ✓⫹ ✓⫺ Salud ✓⫺ ✓⫺ ✓⫹ ✓ Contaminantes del aire ✓ ✓ ✓⫹ ✓⫺ Contaminantes del agua ✓ ✓⫺ ✓⫹ ✓⫺ Potencial del calentamiento global ✓⫹ ✓ ✓⫹ ✓⫺ Término de vida ✓⫺ ✓⫺ ✓⫺ ✓ • Examine los cambios en las técnicas de manufactura para minimizar o eliminar la migración de plastificadores. Esto direccionará las preocupaciones de salud asociadas con la exposición humana a los plastificadores utilizados en el PVC y el PVDC, mejorando su marcador global. • Desarrolle plastificadores benignos alternativos mediante la química verde. Si se desarrollan plastificadores alternativos que no son de preocupación cuando los seres humanos son expuestos a éstos, esto también mejorará los marcadores de salud de PVC y PVDC, minimizando sus impactos globales del ciclo de vida. • Minimice la superficie de contacto de la tubería con el agua potable. Basado en las preocupaciones de salud asociadas con los productos de PVC, PVDC y aluminio, el minimizar estos impactos es importante para direccionar la carga global del ciclo de vida. En este caso, se estarían controlando las circunstancias en las que el producto es utilizado, en lugar de diseñar un producto inherentemente más benigno. Esta estrategia no es tan efectiva y no permite realizar muchos beneficios potenciales, debido a que los químicos de preocupación durante el uso continuarán siendo una cuestión para la exposición humana al término de vida. Mientras que el minimizar el contacto mejoraría el desempeño ambiental, es menos benéfico que la eliminación del plastificador todo junto, o desarrollar alternativas de plastificadores benignos. • Reutilice o recicle toda la tubería de aluminio. Dados los tremendos impactos ambientales asociados con la manufactura de la tubería de aluminio, particularmente la demanda de energía, una estrategia para mejorar el desempeño del ciclo de vida de la tubería de aluminio sería reciclar o reutilizar el producto en lugar de tener que producir producto virgen para cada uso. INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC c07.indd 283 ALFAOMEGA 8/30/11 2:54:49 PM 284 Capítulo 7 Ingeniería Verde EVALUACIÓN ECONÓMICA DEL CICLO DE VIDA: COSTO DEL CICLO DE VIDA De manera similar a una evaluación de impactos del ciclo de vida, un análisis financiero puede mirar hacia los costos a través del ciclo de vida de un producto, proceso o sistema. En este caso, los costos de compra por adelantado están incluidos, en adición a cualquier costo asociado con el uso, mantenimiento, reparación, operación, reemplazo (si el tiempo de vida esperado es más corto que el necesario), y el manejo de término de vida tal como la disposición o salvamento. Esto proporciona una mirada más realista de la economía asociada con un diseño dado y permite una toma de decisiones más informada. El costo de ciclo de vida (LCC) es conocido como el costo total de titularidad. Para ganar un entendimiento de lo que es, y lo que no es, un buen diseño desde un punto de vista financiero durante el ciclo de vida es importante contar con todos los costos presentes y futuros como una métrica simple. Esto permite la comparación en una base equivalente. Esto origina la cuestión del valor de tiempo del dinero. El dinero hoy en día vale más la pena que el dinero mañana, por lo que el dinero de dos periodos distintos no se puede comparar sin ajustes. Al desempeñar un análisis de LCC, es importante poner todos los costos y ganancias en un periodo común y aproximar los costos o ganancias que suceden durante el año como cantidades de un final de año. El valor del dinero de distintos periodos se puede ajustar utilizando una tasa de interés. Algunos cálculos estándar basados en el valor de tiempo del dinero se describen en la tabla 7.8. Incluyen valor actual (PV), valor futuro (FV), valor actual de una anualidad (PVA) y valor futuro de una anualidad (FVA). El interés es la cuota pagada por pedir dinero prestado, ya que el dinero que se está utilizando en el presente no está disponible para otros gastos o inversiones. La cantidad original prestada o gastada es llamada el principal. Si el interés se paga anualmente y el periodo es mayor a un año, el interés se llama gravado. Esto es, el dinero en el año 2 es el principal más el interés del año 1. El dinero en el año 3 es el principal más el interés de los años 1 y 2. En todas las ecuaciones siguientes, las unidades para la tasa de interés (i) y el número de periodos (n) deben coincidir. Por ejemplo, si una tasa de interés anual se reporta, entonces el número de periodos debe ser en años. Si el interés es mensual, entonces los periodos deben ser mensuales. Se Tabla / 7.8 Cálculos estándar basados en el valor de tiempo del dinero ALFAOMEGA c07.indd 284 Valor actual (PV) El valor actual (PV) de una cantidad que será recibida en el futuro. Valor futuro (FV) El valor futuro (FV) de una cantidad invertida (como en una cuenta de depósito) ahora a una tasa de interés dada. Valor actual de una anualidad (PVA) El valor actual de una corriente de pagos futuros como una hipoteca. Valor futuro de una anualidad (FVA) El valor futuro de una corriente de pagos (anualidad), suponiendo que los pagos sean invertidos a una tasa de interés dada. INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC 8/30/11 2:54:49 PM 7.4 Conceptos fundamentales 285 supone que las tasas de interés son anuales a menos que se dicte de otra manera. Basados en estos principios, el valor futuro del dinero se puede calcular como sigue: FV = PV * (1 + i)n (7.2) en donde PV es el valor actual del dinero, FV es el valor futuro del dinero, i es la tasa de interés anual y n es el número de años. e j e m p l o / 7.6 Determinación del valor futuro del dinero Si usted invirtiera $2 000 hoy en una cuenta que pagara 6% de interés, con el interés gravado anualmente, ¿cuánto habrá en la cuenta al final de 2 años? (Suponga que no hay retiros.) solución El valor futuro de la inversión inicial de $2 000 puede determinarse en la ecuación 7.2: FV = $2 000.00 * (1 + 0.06)2 = $2 247.20 La ecuación 7.2 se puede rearreglar para encontrar el valor actual del dinero: PV = FV (1 + i)n (7.3) Esta ecuación activa el proceso de descuento de traducir un valor futuro o de establecer un flujo de efectivo futuro a un valor actual. e j e m p l o / 7.7 Determinación del valor actual del dinero Si usted quisiera tener $1 millón dentro de 50 años y encontrara una inversión verde con una tasa de interés garantizada de 15% por año, ¿cuánto necesitaría invertir el día de hoy? solución Este problema requiere que la ecuación 7.3 sea resuelta para el valor actual de $1 millón. PV = INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC c07.indd 285 $1 000 000 (1 + 0.15)50 = $922.80 ALFAOMEGA 8/30/11 2:54:49 PM 286 Capítulo 7 Ingeniería Verde Las ecuaciones 7.2 y 7.3 pueden usarse para desempeñar las comparaciones de costos para inversiones en materiales más verdes, equipo e infraestructura, lo cual quizá tenga una etiqueta inicial de mayor precio. Estas ecuaciones también se pueden utilizar para determinar si un ingeniero debería recomendar la compra de equipo de bajo costo que tiene mayor costo de mantenimiento, tratamiento, energía, permisos y reemplazos. Las decisiones pueden entonces determinarse con una base ambiental (utilizando LCA) y con una base económica (usando análisis LCC). El valor actual de una anualidad (PVA), el cual es el valor de una anualidad al momento = 0, puede entonces ser calculado con base en la suma de una serie de cálculos de valor actuales: n 1 1 1 1 PVA = a A = Ac + p + + d 1 + i (1 + i)n (1 + i)j (1 + i)2 j=1 ( (7.4) en donde A es el valor de los pagos individuales en cada año, i es la tasa de interés y n es el número de años. Por lo tanto: PVA = A * a e j e m p l o / 7.8 (1 + i)n - 1 1 - (1 + i) - n d n b = A * c i(1 + i) i (7.5) Costo del ciclo de vida aplicado al sistema de tratamiento de aguas Su empresa acaba de recibir un contrato por 4 años para proporcionar agua potable a una comunidad. El sistema de tratamiento actual que está utilizando tiene altos costos de operación, pero el precio de compra del nuevo producto es caro, como se muestra en la siguiente tabla. Con base en un análisis LCC, ¿cuál sistema seleccionaría? Opciones Continuar con el anterior Precio de compra ($) 0 Comprar uno nuevo 4 000 Costo de operación ($/año) 2 000 500 Tiempo de vida (años) 4 4 solución Utilice la ecuación 7.5 para determinar el valor actual de una anualidad (PVA) para el sistema anterior y el nuevo. Esto permite considerar los costos de operación más altos, los cuales suceden cada año durante el contrato de 4 años. PVA anterior = $2 000 * c 1 - (1 + i) - 4 d i PVA nuevo = $4 000 + $500 * c ALFAOMEGA c07.indd 286 1 - (1 + i) - n d i INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC 8/30/11 2:54:49 PM 7.4 Conceptos fundamentales e j e m p l o / 7.8 287 Continuación El resultado final depende, por supuesto, de la tasa de interés, i. Si el banco proporciona una tasa de interés de 10% al año, entonces PVAanterior = $6 340 PVAnuevo = $5 585 Lo mejor sería comprar el nuevo sistema. Si el banco proporciona una tasa de interés de 20% al año, entonces PVAanterior = $5 180 PVAnuevo = $5 295 Por lo tanto, continuar con el sistema anterior sería mejor. Otras decisiones a considerar son los costos de manejo de material, de energía, facilidad de mantenimiento, costos de permisos y contribución global a la comunidad. Advierta que, en un problema de reemplazo como éste, se pueden añadir las ganancias al análisis, pero no hay necesidad de hacerlo si son las mismas para ambas opciones. En este caso, los ingresos por proporcionar agua potable serían los mismos, por lo que las ganancias se omitieron. En algunas situaciones será necesario tomar decisiones entre dos diseños diferentes que no tienen el mismo tiempo de vida. Por ejemplo, un sistema (sistema A) puede estar muy mal hecho y durar solamente 2 años, mientras que otro sistema (sistema B) puede proporcionar la misma función, estar mejor hecho y durar 20 años. Así como no se puede comparar exactamente el dinero de dos diferentes periodos, no es apropiado comparar sistemas con dos diferentes tiempos de vida. En este caso, suponga que comprará y dispondrá del diseño con el menor tiempo de vida con suficiente frecuencia como para igualar el tiempo de vida del diseño de mayor duración. En este caso, necesita comprar y disponer del sistema A diez veces para igualar a un sistema B. Para desempeñar un análisis LCC para tomar la decisión de compra entre el sistema A y el sistema B, convierta la inversión, los costos de operación y de término de vida en un solo pago de anualidad. e j e m p l o / 7.9 Costos anualizados con distintas vidas de servicios Basado en los siguientes costos para dos sistemas de filtración de aire interior y una tasa de interés de 15% anual, ¿cuál alternativa recomendaría a su cliente con base en el costo anual de cada alternativa? INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC c07.indd 287 ALFAOMEGA 8/30/11 2:54:49 PM 288 Capítulo 7 Ingeniería Verde e j e m p l o / 7.9 Continuación Alternativa 1 Alternativa 2 Precio de compra ($) 10 000 20 000 Costo de operación anual ($/año) 1 500 1 000 Valor de rescate ($) 500 1 000 Vida de servicio (años) 2 3 solución El problema requiere que resuelva A (con las ecuaciones 7.3 y 7.5), el cual es el valor de pagos individuales cada año. Esta cantidad representa los costos anuales de energía que se necesitarían efectuar para justificar la instalación de un sistema de filtrado de aire sobre otro en una base puramente económica. El costo anualizado de la alternativa 1 se puede representar esquemáticamente para cada año mediante el siguiente diagrama, en donde los costos (en dólares) están abajo, y las ganancias (en dólares) están arriba para cada uno de los dos años: $0 $500 Año 1 $1 500 $10 000 Año 2 $1 500 PVA = $10 000 + $1 500 * c = $12 061 1 - (1 + 0.15) - 2 $500 d 0.15 (1 + 0.15)2 Ahora el valor actual de una anualidad (PVA) se necesita traducir a un costo anual rearreglando la ecuación 7.5 para encontrar A: A = PVA * c = $7 418 i 0.15 d = $12 061 * c d 1 - (1 + i) - n 1 - (1 + 0.15) - 2 Esquemáticamente, esto se puede representar (los costos abajo, las ganancias arriba) como sigue: $0 $10 000 ALFAOMEGA c07.indd 288 $500 Año 1 Año 2 $1 500 $1 500 = $0 Año 1 Año 2 $7 418 $7 418 INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC 8/30/11 2:54:50 PM 7.4 Conceptos fundamentales e j e m p l o / 7.9 289 Continuación Para calcular el costo anualizado de la alternativa 2, convierta todos los costos al valor actual y luego calcule el costo anual: PVA = $20 000 + $1 000 * c = $21 626 1 - (1 + 0.15) - 3 $1 000 d 0.15 (1 + 0.15)3 Para traducir el PVA en un costo anual, rearregle la ecuación de PVA para encontrar A: A = PVA * c = $9 472 i 0.15 d = $21 626 * c d 1 - (1 + i) - n 1 - (1 + 0.15) - 3 Esquemáticamente, esto se puede representar como sigue: $0 $20 000 $1,000 Año 1 Año 2 Año 3 $1 000 $1 000 $1 000 = $0 Año 1 Año 2 Año 3 $9 472 $9 472 $9 472 Basado sólo en los costos, usted seleccionaría el sistema de filtración de aire interior 1, debido a que será menos caro de operar en una base anual ($7 418 contra $9 472). e j e m p l o / 7.10 Costos anualizados aplicados a la energía renovable Suponga que la instalación de un panel solar para generación de energía en sitio cuesta $50 000. ¿Cuánto necesita ahorrarse en cuentas anuales de energía para recuperar el costo del sistema en 5 años? Suponga una tasa de interés anual de 7%. solución En este caso se tienen los siguientes valores: PV = $50 000, i = 7% anual y n = 5 años. Se necesita encontrar el valor de los pagos individuales en cada año (A). Rearregle la ecuación 7.5 y encuentre A: A = PVA * c = $12 195 i 0.07 d = $50 000 * c d 1 - (1 + i) - n 1 - (1 + 0.07) - 5 INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC c07.indd 289 © olaf loose/iStockphoto. ALFAOMEGA 8/30/11 2:54:50 PM 290 Capítulo 7 Ingeniería Verde e j e m p l o / 7.10 Continuación En una base puramente económica, las cuentas anuales de energía tendrían que reducirse en $12 195 para recuperar los costos de instalar un panel solar de $50 000 durante 5 años a una tasa de interés anual de 7%. Al utilizar la misma fórmula, este problema puede resolverse para diferentes periodos de retorno de inversión y tasas de interés. MAS ALLÁ DE LAS CONSIDERACIONES DE CICLOS DE VIDA AMBIENTALES Y ECONÓMICOS Mientras que las dos sec- ciones previas han proporcionado información y habilidades para tomas de decisiones con base en las consideraciones de ciclos de vida ambientales y económicos, existen otros factores que se deben considerar en términos de intangibles. Los costos y beneficios intangibles incluyen la reputación, el valor de la marca, la responsabilidad potencial, el precio de la acción, los beneficios sociales y de calidad de vida, el apoyo al interesado, la lealtad de cliente y empleado, la innovación y el liderazgo. Estas características, mientras que son actualmente difíciles de cuantificar en términos de factores ambientales o económicos, pueden añadir valor significativo a un individuo, proyecto, comunidad o empresa. Estos intangibles son integrales para el entendimiento y la comunicación del valor a largo plazo de un proyecto. 7.4.3 PENSAMIENTO SISTÉMICO El pensamiento sistémico considera las partes componentes de un sistema como características o funciones añadidas al funcionar dentro de un sistema en lugar de aislado. Esto sugiere que los sistemas deberían ser vistos de una manera holística. Los sistemas como un conjunto pueden ser mejor entendidos cuando las vinculaciones e interacciones entre los componentes se consideran en adición a los componentes individuales. La naturaleza del pensamiento sistémico la hace en extremo efectiva para resolver los más difíciles tipos de problemas. Por ejemplo, los retos de sustentabilidad son algo complejos, dependiendo de las interacciones y la interdependencia y son actualmente manejados o mitigados mediante los mecanismos dispares. Una manera de comenzar un análisis sistémico es mediante un diagrama causal (CLD). Los diagramas causales proporcionan un medio para articular la naturaleza dinámica interconectada de los sistemas complejos. Estos diagramas consisten de flechas que conectan las variables (cosas que cambian con el tiempo) de una manera que muestra cómo una variable afecta a otra. Cada flecha en un diagrama causal es etiquetada con una s o una o. La s significa que cuando la primer variable cambia, la segunda cambia en la misma dirección. (Por ejemplo, ganancias incrementadas llevan a inversiones incrementadas en la investigación y el desarrollo). La o significa que la primer variable provoca un cambio en la dirección opuesta de las segundas variables. (Por ejemplo, más innovaciones de la ingeniería verde pueden llevar a responsabilidades ambientales y de salud humana reducidas). En los CLDs las flechas se juntan para formar curvas, y cada curva es etiquetada con una R o una B (figura 7.17). R significa refuerzo; esto es, las relaciones causales dentro de la vuelta crean crecimiento o colapso ALFAOMEGA c07.indd 290 INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC 8/30/11 2:54:50 PM 7.4 Conceptos fundamentales Innovaciones de ingeniería verde s s Temperatura global R Consumo de energía basada en fósil o Inversiones en investigación y desarrollo B Responsabilidades ambientales y de salud humana s s Emisiones de dióxido de carbono s Ganancias o exponencial. Por ejemplo, a mayor energía basada en combustible fósil consumida, mayor dióxido de carbono emitido, a mayor incremento en temperaturas globales, mayor energía se necesita consumir. B significa balance; esto es, las influencias causales en la vuelta mantienen a las variables en equilibrio. Por ejemplo, a mayores ganancias generadas por una empresa, mayores inversiones se pueden hacer en investigaciones y desarrollo, lo que llevará a más innovaciones de ingeniería verde, reduciendo el número de responsabilidades ambientales y de salud humana, lo que lleva a mayor potencial de ganancias. Los CLDs pueden contener muchas vueltas R y B diferentes, todas conectadas con flechas. El dibujar estos diagramas puede desarrollar un profundo entendimiento de la dinámica del sistema. Mediante este proceso, resaltarán las oportunidades de mejora. Por ejemplo, los vínculos entre el uso de energía, las emisiones de carbón y las temperaturas globales pueden llevar a encontrar maneras para reducir el consumo de energía. Un ejemplo que ilustra la diferencia entre el pensamiento sistémico y la perspectiva tomada por las formas tradicionales de análisis es la acción tomada para reducir los daños en los cultivos por insectos (descritos por Aronson, 2003). Cuando un insecto se come un cultivo, la respuesta convencional es la de rociar el cultivo con un pesticida diseñado para matar dicho insecto. Suponga que este pesticida se diseñó utilizando química verde, por lo que es peligroso solo para la peste objetivo y no es peligroso para la salud humana o el medio ambiente. Esto puede representarse por un diagrama sistémico como el siguiente: 291 Figura 7.17 Ejemplos de diagramas causales de refuerzo y de balance Cada flecha en un diagrama causal está etiquetada con una s o una o. La s significa que cuando la primera variable cambia, la segunda cambia en la misma dirección. La o significa que la primera variable provoca un cambio en la dirección opuesta de las segundas variables. La R significa refuerzo, esto es, la relación causal dentro de la vuelta para crear crecimiento o colapso exponencial. La B significa balance, esto es, las influencias causales en la vuelta mantienen a las variables en equilibrio (redibujado con permiso de Daniel Aronson). O Aplicación del pesticida ¡ Insectos que dañan el cultivo En este diagrama sistémico, la flecha indica la dirección de causación; en este caso, un cambio en la cantidad de pesticida aplicado provoca un cambio en los números de insectos que dañan los cultivos. La letra después de la flecha indica cómo las dos variables están relacionadas. En este caso, la o significa que cambian en la dirección opuesta: el uso del pesticida va arriba y el número de insectos va abajo. El diagrama sistémico se lee, “un cambio en la cantidad de pesticida aplicada provoca que el número de insectos que dañan el cultivo cambien en la dirección opuesta”. Mientras más pesticida se aplique, el menor número de insectos dañará los cultivos (y menor el daño total al cultivo). Al tomar una perspectiva sistémica de la situación, se puede dar cuenta que aunque al añadir cantidades incrementadas de pesticidas se limita el daño al cultivo por los insectos, esto con frecuencia no es una solución a largo plazo. Lo que en su lugar sucede con frecuencia es que, en los años INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC c07.indd 291 Pesticidas en aguas estadounidenses http://water.usgs.gov/nawqa/ ALFAOMEGA 8/30/11 2:54:50 PM 292 Capítulo 7 Ingeniería Verde subsecuentes, el problema del daño al cultivo se incrementa, y el pesticida deja de ser efectivo. Esto con frecuencia puede suceder debido a que el insecto que se comía los cultivos también estaba controlando la población de otro insecto, ya sea depredándolo o compitiendo con el mismo. En este caso, el control de una población de insectos puede llevar a un incremento significativo en la población de otro insecto. En otras palabras, la acción que pretende resolver el problema de hecho lo hace peor debido a las consecuencias no pretendidas que cambian el sistema y exacerban el problema original. Al representar este sistema más complicado como un diagrama de sistemas se vería como algo así: Número de insecto A dañando el cultivo o Aplicación del pesticida Número de insecto B s s s © Thomasz Pietryszck/iStockphoto. o Número total de insectos dañando el cultivo s Número de insecto B dañando el cultivo De conformidad con este diagrama, a mayor aplicación de pesticida, menor el número de insectos A (la peste original) que se comerán el cultivo. Esto lleva a una reducción inmediata en el número de insectos que se comen los cultivos (el efecto pretendido). Sin embargo, un número menor de insectos A finalmente llevan a mayor número de insectos B (las marcas en la flecha indican un retraso), debido a que el insecto A ya no controla el número de insectos B a la misma extensión. Esto lleva a una explosión de población de insectos B, a mayores números de insectos B que dañan los cultivos, y a mayores números de insectos que dañan los cultivos; exactamente lo opuesto de lo que se pretendía. Por lo tanto, aunque los efectos a corto plazo de la aplicación del pesticida fueron exactamente los pretendidos, los efectos a largo plazo son bastante diferentes. Con esta idea del sistema en la mente, se han desarrollado otras acciones con mejores resultados a largo plazo, como el manejo integral de pestes, el cual incluye el control del insecto que se come el cultivo mediante la introducción de más de sus depredadores en el área. 7.4.4 RESILIENCIA Otro concepto fundamental en el diseño de sustentabilidad es el concepto de resiliencia: la capacidad de un sistema para sobrevivir, adaptarse y crecer en frente de cambios no previstos, aún en incidentes catastróficos (Fiskel, 2003). La resiliencia es una característica común de los sistemas complejos como empresas, ciudades o ecosistemas. Estos sistemas evolucionan perpetuamente a través de ciclos de crecimiento, acumulación, crisis y renovación y con frecuencia se autoorganizan en nuevas configuraciones inesperadas. Por las leyes de la termodinámica, los sistemas cerrados decaerán gradualmente del orden hacia el caos, con tendencia a la máxima entropía. Sin embargo, los sistemas vivientes están abiertos en el sentido de que continuaALFAOMEGA c07.indd 292 INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC 8/30/11 2:54:51 PM 7.4 Conceptos fundamentales e j e m p l o / 7.11 293 Sistemas distribuidos que pueden mejorar la funcionalidad y la resiliencia Proporcione un ejemplo de un sistema distribuido compuesto por elementos independientes aún interactivos que pueden administrar funcionalidad mejorada y mayor resiliencia. ¿Cuáles son los beneficios potenciales en términos de sustentabilidad? solución Una recolección de generadores eléctricos distribuidos (por ejemplo, celdas de combustible) conectados a una red eléctrica pueden ser más confiables y tolerantes a las fallas que la generación centralizada de energía (Fiskel, 2003). Los beneficios de la sustentabilidad pueden incluir lo siguiente: • Recursos necesarios reducidos para la transmisión y distribución. • Pérdidas reducidas debido a la transmisión y distribución a larga distancia, por lo que se necesita generar menos energía para proporcionar la misma cantidad al usuario final. • Posible crédito otorgado al propietario para reducciones netas en las emisiones de área. • Emisiones globales más bajas si la fuente de energía distribuida está más limpia que la alternativa (por ejemplo, celdas de combustible, recuperación de gas de relleno sanitario, biomasa). • Potencial para emisiones reducidas al producir energía solo para cumplir con la demanda actual (mucha más flexibilidad en los niveles de producción con los sistemas distribuidos). mente aprovecharán las fuentes externas de energía y mantendrán un estado estable de baja entropía (Schrödinger, 1943). Esto permite que los sistemas resilientes soporten grandes perturbaciones sin falla o colapso. Esto es, estos sistemas son sustentables en términos de supervivencia a largo plazo y pueden adaptarse y evolucionar a un nuevo estado de equilibrio. Dada la incertidumbre y vulnerabilidad que rodean a los retos de sustentabilidad como el cambio climático, escasez de agua y demandas de energía, los diseños sustentables probablemente necesitarán incorporar a la resiliencia como un concepto fundamental. La idea de diseñar sistemas de ingeniería para la resiliencia será la de introducir sistemas más distribuidos y más pequeños que puedan continuar funcionando efectivamente en situaciones inciertas con mayor resiliencia. Los ejemplos incluyen la generación de energía y la recolección de agua fluvial a nivel casero y comunitario y el tratamiento de aguas residuales descentralizado. Otra vez, es necesario considerar los impactos del ciclo de vida del sistema entero al diseñar un sistema distribuido nuevo con más redundancia para reemplazar un sistema más centralizado para entender las ventajas y las desventajas potenciales entre los impactos ambientales y de salud humana para la resiliencia. Aquí es donde el tiempo de vida del sistema se vuelve un factor crucial en la evaluación del ciclo de vida. INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC c07.indd 293 ALFAOMEGA 8/30/11 2:54:51 PM 294 Capítulo 7 Ingeniería Verde 7.4.5 CRITERIOS DE DISEÑO Los criterios de desempeño son metas explícitas que un diseño debe lograr para ser exitoso. Estos son con frecuencia los criterios mínimos utilizados para definir los estándares de diseño. Para los diseños de ingeniería, estos criterios con frecuencia incluyen discusiones de desempeño, seguridad, calidad y costo. Por ejemplo, si un diseño no desempeña su función pretendida, no importa si es seguro, de alta calidad o no es costoso. El diseño ha fallado ya que no ha cumplido con uno de los estándares mínimos explícitos: el desempeño. El éxito de las estrategias de diseño de ingeniería como manejo de calidad total y Seis Sigma que tienen criterios explícitos para el éxito relacionados con cero defectos o alta eficiencia sugiere que las metas de sustentabilidad pueden ser tratadas de forma similar. Por ejemplo, los criterios de diseño para cualquier nuevo diseño pueden incluir “la reducción o eliminación de peligro para la salud humana y el medio ambiente” o “resiliencia máxima”. De esta manera, las metas de sustentabilidad pueden ser incorporadas en la evaluación del diseño como un estándar mínimo para traer el diseño a la producción o implementación. El tratar las metas de sustentabilidad como criterios de diseño asegura que sólo la(s) solución(es) que direccionan exitosamente estas cuestiones serán realizadas. Esto asegura que en lugar de reconocer y direccionar los objetivos de la sustentabilidad después de que el diseño ha sido completado, los ingenieros y los gestores los hacen una parte inherente del proceso de la concepción del diseño. Un diseño viable se define como uno que considera las metas de sustentabilidad. Esto evita que los diseños que son inherentemente sustentables en la etapa de diseño avancen, ya que no cumplen con los estándares mínimos, haciendo la sustentabilidad análoga a los criterios tradicionales para el diseño de ingeniería. Es crítico que los diseños verdes se lleven a cabo. Esto es, necesitan servir para su uso pretendido junto con, si no es que mejor que, el diseño convencional para cumplir con la función pretendida. Si un diseño no puede competir en el mercado con base en su desempeño o costo, no puede proporcionar ningún beneficio ambiental o a la salud humana ya que su potencial no será realizado. 7.4.6 PRODUCTOS CONTRA SERVICIOS La creación de entidades físicas para desempeñar las funciones pretendidas necesariamente tiene una carga ambiental y económica. Un mecanismo significativo para reducir estas cargas es el de proporcionar el mismo servicio o función sin la creación de dicha entidad física. Esto implica que los diseños deben definirse en términos de su función en lugar de la forma que proporcionan. Este concepto está cercanamente relacionado con la idea de la maximización de los grados de libertad de diseño. Al diseñar para las funciones pretendidas en lugar de una forma física prescrita, las organizaciones pueden lograr beneficios de ciclos de vida al eliminar la necesidad de adquirir y fabricar materias primas, producir un producto o proceso final y luego manejarlo en la etapa de término de vida. Por ejemplo, en vez de diseñar la infraestructura física para las telecomunicaciones, incluyendo polos y cables que deben establecerse para conectarse a través del entorno urbanístico, la meta de diseño podría ser la de proporcionar telecomunicaciones de alta calidad y resilientes. Esto permite al diseñador desarrollar soluciones como teléfonos celulares, los cuales requieren mucho menos recursos (naturales y económicos) en términos de infraestructura física al ALFAOMEGA c07.indd 294 INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC 8/30/11 2:54:51 PM 7.4 Conceptos fundamentales ejemplo / 7.12 295 Mantenimiento de la función al mismo tiempo que se reduce el consumo de recursos Proporcione un ejemplo de un producto que se está reemplazando por un servicio que reduce o elimina el consumo de recursos (naturales y económicos) mientras proporciona la misma función (Beckman, 2006). solución Este ejemplo investigará el descafeinado del café. Se examinan tres procesos como se muestra en la tabla 7.9. Estos tres procesos tienen distintos impactos ambientales detallados en la tabla. Tabla / 7.9 Tres procesos examinados para el descafeinado del café Proceso 1 Producción de café descafeinado utilizando cloruro de metileno como solvente en el proceso: el cloruro de metileno puede ser carcinógeno, ya que se le ha vinculado con cáncer de pulmón, hígado y páncreas en los animales de laboratorio. El cloruro de metileno también es un mutágneo/teratógeno y cruza la placenta, provocando toxicidad fetal en las mujeres que son expuestas a éste durante el embarazo (Bell et al., 1991). Proceso 2 Producción de café descafeinado mediante el uso de dióxido de carbono supercrítico como solvente: el dióxido de carbono supercrítico (sCO2) no está regulado como un solvente por la Administración de Alimentos y Fármacos y se cree que es no tóxico. Sin embargo, el sCO2 aún requiere cantidades significativas de energía para elevar la temperatura y la presión del gas hasta el punto de estado supercrítico. Proceso 3 Producción de café descafeinado con plantas de café que crecen con contenido reducido de cafeína: esto elimina la necesidad de transportar y procesar los granos de café para lograr la función deseada (el descafeinado). El especificar la meta como “producir café sin cafeína”, en lugar de “diseñar un sistema de solvente más seguro para el descafeinado”, permite más grados de libertad de diseño y los máximos beneficios ambientales y económicos pueden realizarse al eliminar el uso de solventes en el logro de la función deseada. mismo tiempo que cumplen con la meta pretendida. Por supuesto, es posible evaluar los costos ambientales y económicos, los beneficios y las ventajas y desventajas de desarrollar un sistema de telecomunicaciones con base en los polos y cables contra los teléfonos celulares, incluyendo la manufactura y el manejo de cada auricular individual al término de vida, utilizando la evaluación del ciclo de vida y el costo del ciclo de vida. 7.4.7 MATERIALES Y ENERGÍA INHERENTEMENTE BENIGNOS MEDIANTE LA QUÍMICA VERDE La química verde se dedica al diseño de productos y procesos químicos que reducen o eliminan el uso y la generación de materiales peligrosos (Anastas INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC c07.indd 295 ALFAOMEGA 8/30/11 2:54:51 PM 296 Capítulo 7 Ingeniería Verde Diseño inspirado en la naturaleza .mx/h ua ega.c ttp om om l.alfa www.asknature.org Biomimetismo : / /v i r t (L) iStockphoto. (R) © Chanyut Sribua-rawd/ iStockphoto. Recuadro / 7.3 y Warner, 1998). La química verde se dedica a direccionar el peligro mediante diseño molecular y los procesos utilizados para sintetizar dichas moléculas. Recuerde que el peligro tiene una definición extremadamente amplia (refiérase a la tabla 6.1 en el capítulo 6) para incluir no sólo la toxicidad, sino también los impactos relacionados con el agotamiento de recursos y el potencial calentamiento global. Por lo tanto, la química verde alentaría el uso de recursos renovables y materiales disponibles localmente (para reducir las emisiones de dióxido de carbono asociadas con la transportación). Este campo emergente también utiliza las lecciones y procesos de la naturaleza para inspirar el diseño a través del biomimetismo (Benyus, 2002). El biomimetismo (de bios, que significa vida, y mimetismo, que significa imitar) es una disciplina de diseño que estudia las mejores ideas de la naturaleza y luego imita estos diseños y procesos para resolver problemas humanos (vea el recuadro 7.3). El estudio de una hoja para inventar una mejor celda solar es un ejemplo de esta “innovación inspirada por la naturaleza” (Benyus, 2002). Biomimetismo El biomimetismo utiliza diseños de la naturaleza para resolver problemas humanos. Aproximadamente se pueden distinguir tres niveles biológicos a partir de los cuales la tecnología puede ser modelada: • Mimetizar los métodos naturales de manufactura de compuestos químicos para crear nuevos. • Imitar los mecanismos encontrados en la naturaleza (por ejemplo, el Velcro). • Estudiar los principios organizacionales del comportamiento social de organismos, como el comportamiento flocado de los pájaros o el comportamiento emergente de las abejas y las hormigas. Los ejemplos inspiran (de Biomimicry: Innovation Inspired by Nature, de Janine M. Benyus, con permiso de HarperCollins Publishers): Color sin pintura: el empaque de la capa final de pintura o tinta puede tener impactos ambientales significativos. Los organismos utilizan dos métodos para crear color sin pintura: pigmentos internos y el color estructural que hace que las mariposas tropicales, los pavorreales y colibríes sean tan magníficos. Un pavorreal es un pájaro completamente café. Sus “colores” resultan de la dispersión de la luz de barras de melanina de espaciado regular, y los efectos de interferencia a través de capas delgadas de queratina (lo mismo que sus uñas de las manos). ¿Qué pasa si los empaques pudieran cruzarse en algo claro y no tóxico que jugara con la luz para crear la ilusión de color? Iridigm, en San Francisco, está utilizando ideas estructurales de color de las mariposas tropicales para ALFAOMEGA c07.indd 296 crear una pantalla PDA que pueda leerse fácilmente en la luz del sol. En Japón, los investigadores están desarrollando una pantalla de cristal líquido cuya estructura puede ajustarse utilizando luz UV, luego reajustada para un mensaje diferente, todo sin tinta. Protección contra microbios: Para protegerse contra microbios precaristas, una biomímica buscaría pistas en las pieles de los organismos que pretenden mantenerse libres de limo. El alga roja y verde (quelpo) es capaz de estabilizar un compuesto normalmente activo llamado bromo para rechazar microbios sin dañar el alga. El ingeniero William McCoy de Nalco tomó prestada esta receta de estabilización para crear StabrexTM, una alternativa de cloro que mantiene los sistemas de enfriamiento industriales libres de microbios. Mantenerse limpio sin detergente: Si la meta es la de mantener el empaque limpio, la inspiración se esconde en las superficies microscópicas de las hojas. Las plantas, igual que el loto de pantano, no pueden soportar que la suciedad interfiera con su interacción con la luz del sol. Utilizando microscopios poderosos, los científicos alemanes se dieron cuenta de que las hojas de loto tienen superficies montañosas que mantienen las partículas de suciedad tambaleándose en los picos en lugar de adherirse. El agua de lluvia envuelve y rueda las partículas sueltas, alejándolas. Un número de nuevos productos están disponibles en las superficies de autolimpieza de efecto de loto, incluyendo tablillas de techos, pinturas de autos y una pintura de fachada de edificios, Lotusan, hecha por ispo. La pintura se seca con protuberancias semejantes al loto, y el agua de lluvia limpia la superficie. INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC 8/30/11 2:54:52 PM 7.4 Conceptos fundamentales 297 Unos cuantos de los ejemplos promisorios de sustancias inherentemente benignas en el mercado o bajo desarrollo incluyen solventes de lactato de etilo y coagulantes basados en plantas para el tratamiento de aguas potables. Millones de libras de solventes industriales tóxicos pueden ser capaces de ser reemplazados por solventes amigables con el ambiente hechos con lactato de etilo, un éster de ácido láctico. A diferencia de otros solventes, los cuales pueden crear preocupaciones de salud humana, dañar la capa de ozono o contaminar el agua subterránea, el lactato de etilo se considera significativamente más benigno. Los solventes de lactato de etilo tienen numerosas ventajas ambientales atractivas, incluyendo que son biodegradables, fáciles de reciclar, no corrosivos, no carcinógenos y que no provocan agotamiento del ozono (Henneberry, 2002). Como mayor evidencia de las características benignas de este químico, el lactato de etilo está aprobado por la Administración de Alimentos y Fármacos de Estados Unidos para su uso en productos alimenticios. Más importante, los solventes de lactato de etilo son competitivos en costo y en desempeño con los solventes tradicionales en un amplio rango de aplicaciones. En el caso del tratamiento de aguas para el mundo en desarrollo, las tecnologías del mundo desarrollado con frecuencia no son apropiadas, no son de bajo costo o están basadas en recursos locales, en otras palabras, son insustentables. Por ejemplo, estas tecnologías con frecuencia dependen de la cloración y los coagulantes de sales metálicas (como el alumbre), cuyo planteamiento es un reto durante sus ciclos de vida, incluyendo los impactos ecotoxicológicos al ser introducidos en el ambiente como lodo postratamiento y el daño a la salud humana como resultado de su consumo en el agua tratada. Los coagulantes con base de plantas, con frecuencia los cultivos de alimentos tradicionales, están biobasados y son renovables, requieren sólo de materiales y recursos locales, son relativamente de bajo costo, y pueden desempeñarse tan bien como, si no mejor que, los coagulantes convencionales al remover la turbidez y los microorganismos, incluyendo patógenos, del agua potable. Sin embargo, esta propuesta no dirige la necesidad de protección residual contra crecimiento microbiano durante el almacenamiento. 7.4.8 EFICIENCIA Mientras que las eficiencias de todos tipos siempre han sido un componente de buen diseño, el entendimiento de lo que se puede lograr continúa evolucionando. Los diseñadores ya no consideran la energía y la masa como las únicas metas para el uso eficiente; ahora también consideran el espacio y el tiempo. Esto puede lograrse mediante la intensificación de productos y procesos en componentes más pequeños y más distribuidos. Tal vez el abarcamiento más visible y exitoso de este principio a través de los años ha sido en productos electrónicos. Hace unas décadas, las computadoras eran del tamaño de habitaciones grandes. Ahora las computadoras con tan buen poder de procesamiento caben en dispositivos del tamaño de una baraja de cartas o menor. Sin embargo, es importante recordar la advertencia general y el concepto fundamental de una perspectiva del ciclo de vida. La generación de desperdicio se puede considerar como un defecto de diseño, y una manera de medirlo para los materiales es en términos de un factor E. Un factor E se define para medir la eficiencia de varias industrias químicas en términos de kilogramos de entradas de material relativas a los kilogramos del producto final (Sheldon, 1992). El factor E no considera a los químicos y los materiales que no estén directamente involucrados en INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC c07.indd 297 ALFAOMEGA 8/30/11 2:54:53 PM 298 Capítulo 7 Ingeniería Verde e j e m p l o / 7.13 Determinación del factor E Calcule el factor E para el producto deseado, dado el siguiente proceso de producción de químicos CH 3CH 2CH 2CH 2OH + NaBr + H 2SO4 : CH 3CH 2CH 2CH 2Br + NaHSO4 + H 2O La tabla 7.10 proporciona detalles acerca de las moléculas involucradas. Tabla / 7.10 Información necesaria para el ejemplo 7.13 Fórmula molecular Tipo Peso molecular Peso (g) Mol 0.80 (añadido) Reactivo CH3CH2CH2CH2OH 74.12 0.8 (añadido) Reactivo NaBr 102.91 1.33 (añadido) 1.33 (añadido) Reactivo H2SO4 98.08 2.0 (añadido) 2.0 (añadido) Producto deseado CH3CH2CH2CH2Br 137.03 1.48 0.011 Auxiliar NaHSO4 Auxiliar H2O solución Factor E = Factor E = © kg de entrada © kg de producto 0.0008 + 0.00133 + 0.002 0.00148 = 2.8 En este ejemplo, se requieren 2.8 veces más de masa de insumos de material de la que se obtiene en el producto final. Considere que este tipo de cálculo sólo es una medida de eficiencia de masa y no considera la toxicidad de los materiales utilizados o generados. la reacción, como los solventes y el agua de enjuague. Un factor E se determina mediante la siguiente ecuación: Factor E = © kg de entrada © kg de producto (7.6) De acuerdo con Sheldon, los químicos de volumen tienen un factor E de menos de 1 a 5, comparado con 5 a mayor de 50 para químicos finos, y 25 a más de 100 para farmacéuticos. ALFAOMEGA c07.indd 298 INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC 8/30/11 2:54:53 PM 7.4 Conceptos fundamentales Lago Tisso Agua Agua Fertilizante Lodo Agua de refrigeración Agua residual Estación de energía Vapor Agua Refinería de petróleo Gas Azufre Vapor Ácido sulfúrico Farmacéuticos Calor Invernaderos Calor Calor Calefacción urbana Gas Yeso Calor Ceniza volante Panel de yeso 299 Figura 7.18 Diagrama esquemático de un parque ecoindustrial en Kalundborgk, Dinamarca, que ilustra flujos de material y energía Aquí las aplicaciones industriales y comerciales están interconectadas de manera tal que los materiales locales que son el desperdicio de un proceso se vuelvan materia prima de un proceso cercano. De Wernick (1997). Piscicultura Concreto; carreteras 7.4.9 INTEGRACIÓN DE FLUJOS DE ENERGÍA Y MATERIALES LOCALES El principio de la Ingeniería Verde de integrar los flujos de energía y materiales está relacionado con los análisis anteriores sobre los tipos de ecología industrial y ecosistemas. Mientras que es importante considerar los sistemas de vuelta cerradas en donde el desperdicio iguala a los alimentos (tipo 3), no es necesario replicar siempre este concepto dentro de un solo proceso o más aún una sola instalación. Cualquier diseño es implementado dentro de un contexto de flujos de energía y materiales, algunos de los cuales pueden existir más allá de la instalación pero aun dentro de la comunidad local o regional. Tal vez no existe mejor ejemplo actual de un diseño entre procesos de gran escala para la integración de flujos de energía y materiales que el parque ecoindustrial ubicado en Kalundborg, Dinamarca (figura 7.18). Este arreglo representa la manifestación de la ecología industrial en la que las aplicaciones industriales y comerciales en su totalidad son el desperdicio de un proceso que se vuelve una materia prima de valor agregado para un proceso cercano. En este caso, advierta que lo que normalmente se consideraría como una emisión y responsabilidad ambiental (SO2) es ahora una materia prima de valor agregado para la manufactura y el panel de yeso (CaSO4). Lo mismo es verdad para la ceniza volante generada por la estación de energía, la cual se vende a un fabricante de cemento. De modo similar, el lodo producido de la manufactura farmacéutica, normalmente un costo de disposición y una carga ambiental, se vende a una compañía de fertilizantes como una materia prima de valor agregado. Lo mismo aplica para los flujos de energía que son compartidos benéficamente entre varios sectores industriales y residenciales de la comunidad. Discusión en clase Al utilizar materiales y energía fácilmente disponibles e integrarlos en el proceso o sistema, un diseñador puede incrementar la eficiencia global del sistema, reducir los costos mediante el uso de desperdicio como materia prima en vez de material virgen, y reducir los impactos a la salud humana y el ambiente. ¿Este tipo de arreglo para compartir el desperdicio y la materia prima tiene beneficios ambientales? ¿Qué hay acerca de los beneficios económicos? La respuesta a ambas preguntas es sí. Piense en un ejemplo y comente los beneficios ambientales, sociales y económicos. 7.4.10 DISEÑO PARA EL MANEJO DEL TÉRMINO DE VIDA Es imperativo considerar el término de vida de un producto o sistema, incluyendo las construcciones, en la fase de diseño, ya que las opciones se hacen a partir de las estructuras de montaje, sujetadores y el número y tipo de materiales. Una estrategia para direccionar esta cuestión es el diseño INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC c07.indd 299 ALFAOMEGA 8/30/11 2:54:53 PM 300 Capítulo 7 Ingeniería Verde para el desmontaje (DfD), el cual es el diseño para el desmantelamiento eventual (todo o en parte) para la recuperación de sistemas, componentes y materiales. El DfD es un fenómeno creciente dentro de las industrias fabricantes ya que se presta mayor atención al manejo del término de vida de los productos. El esfuerzo es llevado por la disposición creciente de grandes cantidades de productos de consumo, con la resultante contaminación y pérdida de materiales y energía que estos productos contienen. El DfD pretende maximizar el valor económico y minimizar los impactos ambientales a través de la reutilización, reparación, remanufactura y reciclaje. Este proceso de diseño incluye el desempeño de los montajes, componentes, materiales, técnicas de montaje o construcción, y sistemas de información y manejo para lograr esta meta. La recuperación de materiales maximiza el valor económico y minimiza los impactos ambientales a través de la reutilización, reparación, remanufactura y reciclaje. De último recurso están la recuperación de energía de materiales y la biodegradación segura. El DfD permite que los esfuerzos de soporte de flexibilidad, convertibilidad, mejorabilidad y expansibilidad eviten la disposición de productos o la eliminación de edificios. 7.5 Medición de la sustentabilidad Un indicador, en general, es algo que apunta hacia una cuestión o condición. Su propósito es el de mostrarle qué tan bien está funcionando un sistema. Si existe un problema, un indicador puede ayudarle a determinar qué dirección tomar para direccionar la cuestión. Los indicadores son tan variados como los tipos de sistemas que monitorean. Sin embargo, como se listó en la tabla 7.11, los indicadores efectivos tienen ciertas características en común. Un ejemplo de un indicador es el marcador de gasolina de su auto. El marcador de gasolina le muestra cuánta gasolina queda en su auto. Si el marcador muestra que el tanque está casi vacío, sabe que es momento de llenarlo. Otro ejemplo de un indicador es una tarjeta de reporte de medio curso. La misma muestra al estudiante y al instructor si están haciéndolo lo suficientemente bien como para pasar al siguiente grado o si se necesita ayuda extra. Ambos Tabla / 7.11 Características de indicadores efectivos • Los indicadores efectivos son relevantes; le muestran algo del sistema que necesita saber. • Los indicadores efectivos son fáciles de entender, aún para la gente que no es experta. • Los indicadores efectivos son confiables; puede confiar en la información que le proporciona el indicador. • Los indicadores efectivos son cuantificables; puede medir numéricamente la información que el indicador está rastreando. • Los indicadores efectivos se basan en datos accesibles; la información está disponible o puede ser reunida mientras aún haya tiempo para actuar. FUENTE: Con el permiso del Consorcio de Indicadores de la Comunidad (www.communityindicators.net) ALFAOMEGA c07.indd 300 INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC 8/30/11 2:54:53 PM 7.1 Políticas que regulan la ingeniería verde y la sustentabilidad indicadores proporcionan información para ayudar a prevenir o resolver problemas, esperanzadamente antes de que se vuelvan muy severos. Un ejemplo de un indicador unidimensional común del progreso económico es el producto interno (doméstico) bruto (GDP). Advierta, sin embargo, que muchos argumentan que el GDP no es suficiente para ser utilizado como un indicador de sustentabilidad debido a que mide la productividad económica en áreas que no serían consideradas en una visión de un mundo más sustentable; por ejemplo, las prisiones, el control de contaminación y el tratamiento para el cáncer. Mientras que los principios de la ingeniería verde proporcionan un marco para los diseñadores, muchos enfocados en los esfuerzos de sustentabilidad también desarrollan métricas o indicadores para monitorear su progreso en cumplir con las metas de sustentabilidad. Un indicador de sustentabilidad (SI,) mide el progreso hacia el logro de una meta de sustentabilidad. Los indicadores de sustentabilidad deberían ser una recolección de indicadores que representan la naturaleza multidimensional de la sustentabilidad, considerando las facetas ambientales, sociales y económicas. En términos de indicadores de sustentabilidad de campus, la Asociación de Líderes Universitarios para un Futuro Sustentable dice: La sustentabilidad implica que las actividades críticas de una institución de educación superior (son por lo menos) con tendencia ecológica, socialmente justas y económicamente viables, y que continuarán siendo así para las futuras generaciones. (ULSF, 2008). 301 Estadísticas nacionales de transportación: transportación, energía, medio ambiente http://www.bts.gov/ Seattle sustentable http://www.sustainableseattle.org Asociación de Líderes Universitarios para un Futuro Sustentable http://www.ulsf.org/ La tabla 7.12 compara los indicadores tradicionales contra los de sustentabilidad para una comunidad, incluyendo qué nueva información de los indicadores de sustentabilidad proporcionan sobre el progreso hacia la sustentabilidad que no sea capturado por indicadores más tradicionales. 7.6 Políticas que regulan la ingeniería verde y la sustentabilidad Existe un vínculo cercano, aunque con frecuencia no reconocido, entre la política y el diseño de ingeniería. Las políticas son con frecuencia dirigidas para la protección del bien público en la misma manera que la química y la ingeniería verdes están dirigidas para la protección de la salud humana y el medio ambiente. La política puede ser un regulador poderoso que influencia los diseños de ingeniería en términos de qué material y fuentes de energía se usan a través de subsidios y regulaciones estrictas sobre emisiones. De esta manera, la política puede jugar un papel significativo en el soporte de diseño de ingeniería para sustentabilidad. Dos tipos de políticas principales pueden afectar el diseño en esta escala: reglamentos y programas voluntarios. 7.6.1 REGLAMENTOS Un reglamento es una restricción legal promulgada por las agencias administrativas gubernamentales mediante la creación de reglas soportadas por una amenaza de sanción o multa. Mientras que los reglamentos ambientales tradicionales se enfocaban en las liberaciones de final de tubería, existe un área de políticas de emergencia enfocada en el diseño sustentable. Dos de los ejemplos más establecidos incluyen las iniciativas de responsabilidad extendida del producto (EPR) y la cobertura de sustancias específicas. INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC c07.indd 301 ALFAOMEGA 8/30/11 2:54:53 PM 302 Capítulo 7 Ingeniería Verde Tabla / 7.12 Indicadores tradicionales contra indicadores de sustentabilidad para una comunidad y qué se dice acerca de la sustentabilidad Tradicional Ingreso medio. Ingreso per cápita relativo al promedio de Estados Unidos. Tamaño de la economía según la medición de PNB y PBI. Número de horas de empleo pagado al salario promedio requerido para soportar las necesidades básicas. Indicadores económicos Sustentable Salarios pagados en la economía local que se gastan en la economía local. Dólares gastados en la economía local que pagan el trabajo local y los recursos naturales locales. Porcentaje de economía local basada en los recursos renovables locales. Énfasis de indicador de sustentabilidad Tradicional Qué salario puede comprar. Define las necesidades básicas en términos de consumo sustentable. Resiliencia financiera local. Niveles ambientales de contaminación en el aire y el agua. Toneladas de desperdicio sólido generadas. Costo de combustible. Uso y generación de materiales tóxicos (para la producción y el término de uso). Millas de vehículos viajadas. Indicadores ambientales Sustentable Énfasis de indicador de sustentabilidad Actividades de medición que provocan contaminación. Uso de materiales conservativo y cíclico. Uso de recursos en tasa sustentable. Tradicional Número de votantes registrados. SAT y otros marcadores de pruebas estandarizados. Sustentable Indicadores sociales Énfasis de indicadores de sustentabilidad ALFAOMEGA c07.indd 302 Porcentaje de productos producidos que son durables, reparables o fácilmente reciclables o para hacer composta. Energía total utilizada de todas las fuentes. Radio de energía renovable utilizada en tasa renovable a energía no renovable. Número de votantes que votan en las elecciones. Número de votantes que asisten a las juntas de la ciudad. Número de estudiantes entrenados para trabajos que están disponibles en la economía local. Número de estudiantes que van al colegio y regresan a la comunidad. Participación en el proceso democrático. Capacidad para participar en el proceso democrático. Hacer coincidir las habilidades de trabajo y el entrenamiento con las necesidades de la economía local. INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC 8/30/11 2:54:53 PM 7.1 Políticas que regulan la ingeniería verde y la sustentabilidad La EPR, así como la directiva de desperdicios de equipo eléctrico y electrónico (WEEE,) de la Unión Europea (UE), mantienen la responsabilidad en los fabricantes originales de los productos durante su ciclo de vida. La directiva de la WEEE pretende minimizar el impacto de los bienes eléctricos y electrónicos en el medio ambiente al incrementar la reutilización y el reciclaje y al reducir la cantidad de equipos eléctricos y electrónicos enviados a rellenos sanitarios. Busca lograr esto al hacer a los productores responsables del financiamiento de la recolección, tratamiento y recuperación de equipo eléctrico de desperdicio, y al obligar a los distribuidores (vendedores) a permitir a los consumidores regresar su equipo de desperdicio sin ningún costo. Esto lleva a los ingenieros a diseñar equipos eléctricos y electrónicos con los principios de la ingeniería verde en mente. Por ejemplo, este diseño pretende la facilidad del desmontaje, la recuperación de componentes complejos y la diversidad de material minimizada. Un impacto positivo de esta propuesta desde la perspectiva de una empresa es que reconecta al consumidor con el fabricante en la etapa de término de vida. Otra propuesta de políticas para llevar al diseño de ingeniería hacia metas sustentables es la de bloquear sustancias específicas que son preocupantes. Un ejemplo muy cercano a la directiva de la WEEE es la Restricción de Sustancias Peligrosas (RoHS,) de Estados Unidos. La RoHS está enfocada en “la restricción del uso de ciertas sustancias peligrosas en equipos electrónicos y eléctricos”. Esta directiva bloquea el posicionamiento en el mercado estadounidense de nuevos equipos eléctricos y electrónicos que contengan más de los niveles acordados de plomo, cadmio, mercurio, cromo hexavalente y retardadores de flama de bifenil polibromado (PBB) y éter difenil polibromado (PBDE). Al bloquear estos químicos de preocupación en niveles significativos, esta directiva está llevando a la implementación de los principios de ingeniería y química verdes en términos del diseño de químicos y materiales alternativos que reducen o eliminan el uso y la generación de sustancias peligrosas y previenen la contaminación. 303 Iniciativas de la comisión europea http://ec.europa.eu/environment/ 7.6.2 PROGRAMAS VOLUNTARIOS Otra estrategia de política para la promoción de la ingeniería verde es el establecimiento de programas voluntarios. Estos programas no se rigen por la ley o son aplicables, pero pretenden promocionar y motivar comportamientos deseables. El gobierno, la industria o las organizaciones no gubernamentales de terceros pueden patrocinar estos programas. Mientras que existen muchas variedades diferentes de programas voluntarios, dos tipos que han sido establecidos con éxito son ecoetiquetar y compras preferenciales. Los estándares ambientales permiten una evaluación ambiental del impacto de un producto en factores como la contaminación, el hábitat de vida silvestre, energía, recursos naturales, agotamiento del ozono y calentamiento global, y la contaminación tóxica. Las empresas que cumplen los estándares ambientales para su producto o servicio específico pueden aplicar una ecoetiqueta. Las ecoetiquetas pretenden proporcionar un indicador al consumidor sobre el desempeño ambiental del producto (por ejemplo, “empaje reciclado” o “emisiones no tóxicas”). Los terceros independientes, como Green Seal, el Consejo de la Construcción Ecológica de Estados Unidos y EnergyStar, proporcionan una verificación de etiquetas ambientales y certificaciones, para que estas etiquetas sean lo más confiables. Las ecoetiquetas de las partes principales son autopremiadas, por lo que son verificadas independientemente. En Estados Unidos, esta clase de etiquetas son regidas INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC c07.indd 303 EnergyStar http://www.energystar.gov/ Green Seal http://www.greenseal.org/ Edificios verdes http://www.usgbc.org ALFAOMEGA 8/30/11 2:54:53 PM 304 Capítulo 7 Ingeniería Verde por los lineamientos de la Comisión Federal de Comercio (FTC,) para el uso de declaraciones de mercado ambiental y deben ser certeras. La FTC ha tomado acciones contra diversos fabricantes por violar las leyes de la veracidad en la publicidad. Para apoyar aún más estos programas, muchas organizaciones están implementando estas políticas preferentemente ambientales o de compra preferencial. Estas políticas pueden implementarse por cualquier organización (hasta su colegio o universidad) y establecer obligatoriamente una preferencia para comprar productos desde artículos de oficina hasta computadoras hasta químicos industriales con perfiles de salud ambiental y humana mejorados. Al especificar compras de este tipo, las organizaciones están creando una demanda en el mercado para productos y servicios con impactos reducidos en la salud humana y el medio ambiente, una herramienta muy poderosa para conducir a la innovación en esta área para reducir los costos de estos productos mediante economías de escala. La tabla 7.13 proporciona razones por las que las empresas adoptan políticas de compra ambientales y los tipos de ahorros que logran como resultado. Muchas empresas adoptaron políticas de compra ambientales debido a razones de negocios tradicionales como se describe en la tabla 7.13. Aunque estas razones resultan en beneficios intangibles, existen ejemplos específicos de costos mediblemente reducidos asociados con la compra de productos preferiblemente ambientales. Estos incluyen un precio de compra más bajo (como en el caso de productos remanufacturados), costos operacionales reducidos (por ejemplo, a través de la eficiencia de energía), costos de disposición reducidos (por ejemplo, productos más durables) y costos de manejos peligrosos reducidos (por ejemplo, menos productos tóxicos). En adición, la compra de productos preferentemente ambientales puede reducir el potencial de responsabilidad futura de una organización, mejorar el ambiente de trabajo y minimizar el riesgo a los trabajadores. Tabla / 7.13 ¿Por qué las empresas adoptan políticas ambientales de compra y qué ahorran? Razones de negocios para adoptar políticas de compras ambientales Tipos de ahorros logrados a través de la compra preferentemente ambiental Distinguir una empresa y sus productos de los competidores Costos de reparación y reemplazo reducidos al usar productos más durables y reparables. Evitar costos ocultos y buscar ahorros en costos Costos de disposición reducidos al generar menos desperdicios Incrementar eficiencia en la operación Diseño y desempeño de los productos mejorados Unirse a una tendencia de mercado industrial o internacional Seguridad y salubridad del empleado incrementada en la instalación. Reconocer preferencias de mercado: sirviendo a los clientes que tienen un interés declarado en los productos y prácticas “amigables al ambiente”. Costos reducidos de material para los fabricantes. FUENTE: EPA, 1999. ALFAOMEGA c07.indd 304 INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC 9/13/11 6:29:39 PM Términos clave 305 7.7 Diseño de un futuro sustentable Al aplicar los principios de la Ingeniería Verde y al considerar los conceptos fundamentales de la sustentabilidad, los ingenieros pueden contribuir a direccionar los retos tradicionalmente asociados con el crecimiento y desarrollo económicos. Esta nueva alerta proporciona el potencial para diseñar un mejor mañana; uno en el que nuestros productos, procesos y sistemas sean más sustentables, incluyendo el ser inherentemente benignos a la salud humana y al medio ambiente, el minimizar el uso de materiales y energía y el considerar el ciclo de vida total. Términos clave • • • • • • • • • • • • • • • análisis de inventario biomimetismo ciclo de vida compra preferente o preferencialmente ambiental consecuencias no pretendidas costo del ciclo de vida (LCC) diseño de diagrama causal (CLD) diseño para el desmontaje (DfD) diseño para el medio ambiente (DFE) disposición ecodiseño ecoeficiencia ecoetiqueta ecología industrial evaluación del ciclo de vida (LCA) INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC c07.indd 305 • • • • • • • • • evaluación del impacto • reciclaje factor E • reducción de fuente función • reglamento indicador • resiliencia inherencia • responsabilidad extendida del • • • • • • • ingeniería verde producto intangibles • restricción de Sustancias Peligrosas interés • riesgo jerarquía de prevención de contaminación • Seis Sigma manejo de calidad total • valor actual (PV) minimización de desperdicios pensamiento sistémico • unidad funcional • valor actual de una anualidad (PVA) prevención de contaminación • valor futuro (FV) principios de ingeniería verde • valor futuro de una anualidad programa voluntario química verde (FVA) • tratamiento ALFAOMEGA 8/30/11 2:54:53 PM c a p í t u l o / Siete 7.1 Los gastos de tener y operar una instalación tradicional de tratamiento de aguas residuales son muy altos para la comunidad local. La comunidad está buscando ideas para direccionar esta cuestión. ¿Cuáles son las oportunidades de diseño para mejoramiento escalado con grados crecientes de libertad y cuáles son los beneficios potenciales? 7.2 Los laboratorios de enseñanza e investigación en su escuela resultan estar fuera del cumplimiento de los reglamentos de la EPA. A la EPA le gustaría un plan declarando cómo los laboratorios pueden estar dentro de los reglamentos. Con base en la jerarquía de prevención de contaminación, proporcione por lo menos una acción para cada nivel que su universidad podría tomar con respecto al desperdicio en los laboratorios de investigación. ¿Cuáles son las ventajas y desventajas de cada acción? 7.3 Visite el sitio web de los Premios Presidenciales a los Retos de la Química Verde en www.epa.gov/greenchemistry/pubs/pgcc/past.html. Seleccione un proyecto pasado ganador de premio. Basado en la descripción de este proyecto, ¿cuáles son los beneficios ambientales, económicos y sociales de este avance de química verde? 7.4 Comente si el zapato A (piel) o el zapato B (sintético) es mejor para el ambiente con base en los datos de la tabla 7.14. ¿Es posible pesar un aspecto (aire, agua, contaminación de la tierra o desperdicio sólido) como más importante que otro? ¿Cómo? ¿Por qué? ¿Quién toma estas decisiones en nuestra sociedad? Problemas de su casa al trabajo (10 millas cada tramo). Las opciones incluyen bicicleta, una persona en un auto, tres o más personas en un auto o tomar el autobús. Escriba una posible meta, alcance, función y unidad funcional para este LCA. 7.6 Dibuje un diagrama causal que vincule el consumo de energía, emisiones de aire, cambio climático, disponibilidad de agua, temperatura de la Tierra y la salud humana/ calidad de vida. 7.7 Dibuje y luego explique en palabras un diagrama causal para los siguientes elementos de sistema: PIB, población, consumo de recursos, calidad ambiental y salud. Luego redibuje el diagrama para incluir la ingeniería verde. 7.8 ¿El tratamiento y distribución de aguas potables centralizado es más o menos resiliente que las tecnologías de tratamiento de agua de punto de uso? ¿Por qué o por qué no? ¿Importa si estos sistemas de tratamiento de agua son implementados en el mundo desarrollado o en desarrollo? 7.9 Proporcione un ejemplo del reemplazo de un producto por un servicio que reduce o elimina el consumo de recursos (naturales y económicos) mientras proporciona la misma función. ¿Qué beneficios se asocian con la evolución del producto al servicio para este ejemplo? 7.10 Está a punto de comprar un auto que durará 7 años antes de que tenga que comprar uno nuevo, y el Congreso estadounidense acaba de aprobar un nuevo impuesto sobre 7.5 Usted está preparando una evaluación del ciclo de los gases de efecto invernadero. Suponga una tasa de intevida de diferentes opciones de transportación para llegar rés anual de 5%. Tiene dos opciones: a) comprar un auto usado por $12 000, elevar el convertidor catalítico con un costo de Tabla / 7.14 $1 000 y pagar un impuesto anual de carbono de $500. Este auto tiene Ejemplo hipotético de impactos ambientales del ciclo de vida de los un valor bruto de $2 000. b) zapatos por 100 pares de zapatos producidos Comprar un auto nuevo de $16 500 Producto Uso de Consumo de Uso de Contami- Contaminación Desperdicio y pagar solo $100 dólares anualenergía materia prima agua nación del del agua peligroso y mente en impuesto de carbono. (Btu) (gal) aire (lb) sólido Este auto tiene un valor bruto de $4 500. Con base en el costo anualiZapato A 1 Provisión limitada, 2 4 2 libras de 2 libras de lodo zado de estas dos opciones, ¿qué químicos orgánicos peligroso (piel) alguna renovable auto compraría? Zapato B 2 (sintético) ALFAOMEGA c07.indd 306 Gran provisión, no renovable 4 1 8 libras de químicos orgánicos inertes 1 libra de lodo 3 libras de desperdicio sólido no peligroso 7.11 Proporcione un ejemplo de un producto ya sea comercialmente disponible o actualmente bajo INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC 8/30/11 2:54:53 PM Problemas desarrollo que utilice el biomimetismo como la base para su diseño. Explique cómo el diseño está imitando un producto, proceso o sistema encontrado en la naturaleza. 7.12 Dos reactores, bencil alcohol y cloruro de tosilo, reaccionan en la presencia de un auxiliar, trietilamina, y el solvente tolueno para producir el producto éster sulfonato (vea la tabla 7.15). Calcule el factor E para la reacción. ¿Qué pasaría al factor E si los solventes y químicos auxiliares fueran incluidos en el cálculo? ¿Estos tipos de materiales y químicos deberían ser incluidos en una medición de eficiencia? ¿Por qué o por qué no? 7.16 El equipo de diseño para un proyecto de construcción se formó en su empresa la semana pasada y ya tuvieron dos juntas. ¿Por qué es tan importante para usted involucrarse inmediatamente en el proceso de diseño? Tabla / 7.15 7.17 EcoStar necesita determinar cuánto cargar por el nuevo modelo greenCar. Desarrollar, producir y comercializar el greenCar le cuesta a EcoStar $100 000 000 por año durante tres años antes de que se vaya al mercado. Una vez que llega al mercado, EcoStar no gastará ningún dinero adicional en el greenCar. A EcoStar le gustaría recuperar su inversión en el greenCar tres años después de su ingreso en el mercado. Si EcoStar anticipa la venta de 25 000 autos greenCar por año durante esos tres años, ¿Qué tanto necesitarían cambiar por greenCar por cambio de temporada? Suponga una tasa de descuento de 10%. Información útil para el problema 7.12 7.18 Para comparar las bolsas de plástico y de papel en Reactor Bencil alcohol 10.81 g 0.10 mol Reactor Cloruro de tosilo 21.9 g Solvente Tolueno MW 108.1 g/mol 0.115 mol MW 190.65 g/mol 0.09 mol MW 262.29 g/mol 500 g Auxiliar Trietilamina 15 g Producto Éster sulfonato 23.6 g MW 101 g/mol 7.13 Elija tres de los principios de la Ingeniería Verde (recuadro 7.1). Para cada uno, a) explique el principio en sus propias palabras; b) encuentre un ejemplo (comercialmente disponible o en desarrollo) y explique cómo demuestra éste el principio y, c) describa los beneficios ambientales, económicos y sociales asociados, identificando cuáles son tangibles y cuáles intangibles. 7.14 Desarrolle cinco métricas o indicadores sustentables para un sector corporativo o industrial análogas a las presentadas para las comunidades en la tabla 7.12. Compárelas con las métricas o indicadores de negocios tradicionales. Describa qué nueva información puede determinarse de las nuevas métricas o indicadores sustentables. 7.15 Una empresa de autos ha desarrollado un auto nuevo, el ecoCar, que da 100 millas por galón (mpg), pero el costo es ligeramente más alto que los autos actualmente disponibles en el mercado. ¿Qué tipo de incentivos podría ofrecer el fabricante o pedir al Congreso estadounidense que implementara para animar a los compradores a comprar el nuevo ecoCar? INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC c07.indd 307 307 términos de adquisición de materias primas, manufactura y procesamiento, uso y disposición, utilice los datos proporcionados por Franklin Associates, una firma consultora estadounidense nacionalmente conocida cuyos clientes incluyen a la Agencia de Protección Ambiental de Estados Unidos, así como muchas empresas y grupos industriales. En 1990, Franklin Associates comparó las bolsas de plástico con las bolsas de papel en términos de sus emisiones de energía y aire/agua en la manufactura, el uso y la disposición. La siguiente tabla es el resultado de su estudio: Etapas del ciclo de vida Emisiones de aire Energía requerida (contaminantes) oz/bolsa BTU/bolsa Papel Plástico Papel Plástico Manufactura de materia- 0.0516 les, manufactura de productos, uso de producto 0.0146 905 464 Adquisición de materias 0.0510 primas, disposición del producto 0.0045 724 185 a) ¿Qué bolsa elegiría si estuviera muy preocupado por la contaminación del aire? (Advierta que la información no le dice si las emisiones son tóxicas del aire o gases de invernadero. b) Si se supone que dos bolsas de plástico igualan una bolsa de papel, ¿cambia la opción? c) Compare la energía requerida para producir cada bolsa. ¿Qué bolsa requiere menos energía para su producción? ALFAOMEGA 8/30/11 2:54:54 PM 308 Capítulo 7 Ingeniería Verde Referencias Agencia de Protección Ambiental (EPA). 1999. “Pioneros del sector Privado: ¿Cómo las empresas están incorporando la compra preferentemente ambiental”. Reporte No. EPA742-R-99-001. Anastas, P. T. y J. C. Warner. 1998. Green Chemistry: Theory and Practice. Oxford: Oxford University Press. Anastas, P. T. y J. B. Zimmerman. 2003. “Diseño a través de los doce principios de ingeniería verde”. Environmental Science and Technology 37 (5): 94A-101A. Benyus, J. M. 2002. Biomimetismo: Diseño inspirado en la innovación, Nueva York: Harper Perennial. Cooper, J. S. y B. Vigon, 1999. “Lineamientos de ingeniería de ciclo de vida”. Preparado para la Oficina de Investigación y Desarrollo de la Agencia de Protección Ambiental de Estados Unidos, Laboratorio de Investigación de Manejo de Riesgo Nacional, por Battelle Memorial Institute, Contrato No. CR822956. Fiksel, J. 2003. “Diseñando sistemas resilientes, sustentables”. Environmental Science and Technology” 37:5330-5339. Anastas, P. T. y J. B. Zimmerman. 2006. “Los doce principios de la ingeniería verde como un fundamento para la sustentabilidad”. En: Sustainability Science and Engineering: Principles Book, ed. M. Abraham, Nueva York: Elsevier Science. Graedel, T. y B. Allenby. 1995. Ecología Industrial. Upper Saddle River, N.J.: Prentice Hall. Aronson, D. 2003. “Targeted Innovation: Using Systems Thinking to Increase the Benefits of Innovation Efforts”. R&D Innovator (ahora Innovative Leader) 6(2). Henneberry, M. 2002. Paint and Coatings Industrial Magazine 6. Asociación de Líderes Universitarios para un Futuro Sustentable (ULSF). 2008. “Cuestionario de Evaluación de Sustentabilidad”. Sitio web de la ULSF, www.ulsf.org/programs_saq.html. Beckman, E. 2006. “Using Principles of Sustainability to Design ‘Leap-Frog’ Chemical Products”. Procedimientos de la 10a. Conferencia Anual de Química e Ingeniería verde, junio de 2006. Washington, D.C. Hart, M. 2007. Sitio web de medidas sustentables, www.sustainablemeasures.coM. Schrödinger, E. 1943. What Is Life? Dublín: Instituto de Dublín para Estudios Avanzados. Sheldon, R. A. 1992. Química e industria 903. Wernick, I. y J. Ausubel. 1997. Ecología industrial: algunas indicaciones para la investigación. Preparado para la Oficina de Energía y Sistemas Ambientales, Laboratorio Nacional de Lawrence Livermore. Bell, B., P. Franks, N. Hildreth y J. Melius. 1991. “Exposición al cloruro de metileno y el peso del nacimiento en el Condado de Monroe, Nueva York” Environ Res 55(1):31-39. ALFAOMEGA c07.indd 308 INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC 8/30/11 2:54:54 PM c a p í t u l o / Ocho Calidad del agua Martin T. Auer, James R. Mihelcic, Noel R. Urban, Alex S. Mayer, Michael R. Penn Dos disciplinas extremadamente aliadas están asociadas con el agua: la ingeniería de recursos hidráulicos lidia con la cantidad de agua (por ejemplo, su almacenaje y transportación) y la ingeniería de la calidad del agua se preocupa por la naturaleza biológica, química y física del agua. Este capítulo proporciona conceptos clave, principios y cálculos que soportan una propuesta de ingeniería al manejo de la calidad del agua. Se considerarán cinco sistemas: ríos, lagos, agua pluvial, humedales y aguas subterráneas. El capítulo describe una propuesta relativamente nueva para el manejo del agua pluvial llamado desarrollo de bajo impacto. La presentación se enfocará en las cuestiones de gestión, características para un sistema en particular, encontradas comúnmente en las prácticas de ingeniería. Secciones principales 8.1 Introducción 8.2 Calidad del agua de río 8.3 Calidad del agua de lagos y de reservas 8.4 Humedales 8.5 Desarrollo de bajo impacto 8.6 Calidad de aguas subterráneas Objetivos de aprendizaje 1. Aplicar conceptos de balance de masa y reactores tubulares para investigar cuestiones relacionadas con la calidad del agua superficial. 2. Determinar el déficit de oxígeno en un río. 3. Describir las características de la curva de hundimiento del oxígeno disuelto (DO), y determinar la ubicación del punto crítico y de la concentración de oxígeno en el punto crítico para un flujo determinado y un escenario de descarga. 4. Describir el proceso de estratificación de lagos y reservas, y relacionarlo con las cuestiones de calidad del agua. 5. Describir ocho métodos de gestión de ingeniería de lagos. 6. Relacionar cuestiones de crecimiento de población, urbanización y uso de suelo con el agua superficial y la calidad de aguas subterráneas. 7. Definir los cuatro tipos de humedales y describir las funciones de los humedales. 8. Comentar los beneficios sociales, económicos y ambientales provistos por los humedales. 9. Resumir cómo se puede integrar la protección de la biodiversidad con la gestión de ingeniería de las aguas urbanas y rurales. 10. Describir las prácticas de mejor manejo (BMP) para el control de aguas pluviales urbanas como jardines de lluvia, pavimentos permeables, azoteas verdes y bioswales (riachuelos urbanos). 11. Diseñar una celda de bioretención para escenarios de diseño y precipitación determinados. 12. Describir cómo la advección y la dispersión influyen en el movimiento de los contaminantes de las aguas subterráneas. 13. Calcular el tiempo de viaje de un químico de la subsuperficie con y sin retardo químico. 14. Describir un reto de calidad de agua regional, nacional y global, y presentar una solución que lleve a la sociedad hacia un manejo sustentable de los recursos hidráulicos. 309 c08.indd 309 8/30/11 2:57:21 PM 8.1 Introducción ¿Qué métodos protegerán a los ecosistemas de agua para las futuras generaciones al tiempo que la población y la urbanización crecen, ocurren cambios en el uso de suelo y la población y la afluencia incrementada manejan aumentos en la demanda de alimentos y biocombustibles? b) Casa Industria Agricultura Doméstico Industria 0 50 100 megatones/año 150 200 OCDE Discusión en clase Agricultura No OCDE a) Carga de nitrógeno hacia las vías del agua de la agricultura www.wateratlas.org Carga de BOD hacia las vías del agua por sector OCDE No OCDE Visualizar los problemas de agua de Florida La contaminación puede definirse como la introducción de una sustancia en el medio ambiente a niveles que llevan a la pérdida del uso benéfico de un recurso o la degradación de la salud de los seres humanos, la vida silvestre o los ecosistemas. Los contaminantes se descargan en sistemas acuáticos desde fuentes puntuales (ubicaciones estacionarias como una tubería de efluentes) y desde fuentes no puntuales (también llamadas difusas) como el escurrimiento de la tierra y la atmósfera. El flujo de masa de un contaminante se denomina su carga y se expresa en unidades de masa por unidades de tiempo. Los avances de ingeniería en cuanto al manejo de la contaminación varían con el tipo de material en cuestión. Los macrocontaminantes como nitrógeno, fósforo, materia orgánica y sólidos suspendidos se descargan en los ríos del mundo en decenas de millones de toneladas por año. La figura 8.1a muestra la carga de BOD (en megatones por año) hacia las vías del agua para los sectores cultural, doméstico e industrial en 1995, así como las descargas esperadas en 2010 y 2020 para los países que son miembros y no miembros de la Organización de Cooperación y Desarrollo Económicos (OCDE). La figura 8.1b muestra la carga de nitrógeno en la agricultura para los países miembros y no miembros de la OCDE durante los mismos periodos. Advierta la gran contribución del sector agrícola para las cargas globales de BOD y de nitrógeno. La Ley de agua limpia convoca al mantenimiento de condiciones aptas para pescar y nadar en las aguas estadounidenses. La Agencia de Protección 0 10 1995 30 20 megatones/año 2010 40 50 2020 Figura 8.1 Macrocontaminantes en las vías de agua globales a) Carga anual de BOD (megatones) hacia las vías del agua (en países miembros y no miembros de la OCDE) para los sectores de agricultura, doméstico e industrial para 1995 y estimados para 2010 y 2020. b) Carga de nitrógeno (megatones) para los países miembros y no miembros de la OCDE para el sector agrícola hacia las vías globales para 1995 y estimados para 2010 y 2020. Datos de la UNESCO, 2003. ALFAOMEGA c08.indd 310 INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC 8/30/11 2:57:23 PM 8.2 Calidad del agua del río Ambiental de Estados Unidos (EPA) ha establecido estándares para lograr esta meta, retener usos benéficos y proteger la salud humana y la del ecosistema. Algunos estándares están basados en la tecnología, requiriendo un nivel particular de tratamiento sin importar la condición del agua receptora. Otros estándares están basados en la calidad del agua, convocando tratamiento adicional en donde las condiciones permanecen degradadas después de la implementación de tecnologías estándar. De acuerdo con el Sistema Nacional de Eliminación de Descargas de Contaminantes (NPDES), se requieren permisos para todos aquellos que buscan descargar efluentes sobre el agua superficial o agua subterránea. Los estándares pueden entonces alcanzarse al regular las condiciones del permiso, esto es, la carga que puede descargarse. En los casos en los que los controles no son lo suficientemente rigurosos como para mantener la calidad deseada del agua, se lleva a cabo un análisis para establecer la carga total máxima diaria (TMDL) que puede descargarse en un cuerpo de agua,y los permisos se establecen de conformidad. 311 Ley de agua limpia http://www.epa.gov/regulations/ laws/cwa.html 8.2 Calidad del agua de río El tratamiento de la calidad del agua de río en esta sección se enfoca en el manejo del oxígeno disuelto (DO) en relación con la descarga de los desperdicios demandantes de oxígeno. Este es un problema clásico en cuanto a la calidad del agua superficial que tiene interés hoy en día con respecto a la emisión de permisos de descarga y el establecimiento de cargas totales máximas diarias para aguas receptoras. 8.2.1 OXÍGENO DISUELTO Y BOD El oxígeno disuelto se requiere para mantener una comunidad balanceada de organismos en lagos, ríos y el océano. Cuando un desperdicio demandante de oxígeno (medido como BOD) se añade al agua, la velocidad a la que el oxígeno es consumido al oxidar dicho desperdicio (desoxigenación) puede exceder la velocidad a la que el oxígeno se vuelve a suplir desde la atmósfera (reaereación). Esto puede llevar al agotamiento de los recursos de oxígeno, con concentraciones muy por debajo de los niveles de saturación (figura 8.2). Cuando los niveles de oxígeno caen por debajo de los 4 a 5 mg O2/L, la reproducción de los peces y los macroinvertebrados es desproporcionada. El agotamiento del oxígeno con frecuencia es lo suficientemente severo como para desarrollar condiciones anaeróbicas, con una pérdida de asistencia de biodiversidad y estética pobre (turbidez y problemas de olor). La figura 8.2 también ilustra la respuesta del flujo de la biota hacia las descargas de BOD. La consideración del destino del BOD después de la descarga hacia un río es un punto de inicio útil para examinar el impacto de los desperdicios demandantes de oxígeno sobre los recursos de oxígeno. El ejemplo 8.1 aplica los conceptos de la cuenca de mezcla (capítulo 4) y la cinética de BOD (capítulo 5) para examinar la oxidación de un desperdicio orgánico después de la descarga hacia y mezcla con un río. En el ejemplo 8.1, más de 23 mg O2/L de la más reciente CBOD se ejerce sobre el área de 50 km río abajo de la descarga. Para apreciar el impacto de esta demanda sobre los recursos de oxígeno de un río, es necesario entender la capacidad del agua de retener oxígeno (saturación) y la velocidad a la que el oxígeno puede ser reprovisto desde la atmósfera (reaereación). INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC c08.indd 311 Navegue por su cuenca http://cfpub.epa.gov/surf/locate/ index.cfm © Galyna Andrushko/iStockphoto. ALFAOMEGA 8/30/11 2:57:23 PM 312 Capítulo 8 Calidad del agua Figura 8.2 Curva de hundimiento de oxígeno disuelto a) y las zonas asociadas de calidad del agua ((b)-(d)) reflejando los impactos en las condiciones físicas y la diversidad y abundancia de organismos. Velocidad, U xc tc x0 t0 Déficit inicial (D0) Oxígeno disuelto (DO) De Mihelcic (1999). Reimpreso con permiso de John Wiley & Sons, Inc. Contaminación Saturación DO (DOsat) Déficit (D) Punto crítico (DOmin) Oxígeno disuelto (DO) 0 0 xc o tc Distancia o tiempo corriente abajo a) Organismos de tolerancia intermedia Organismos de agua limpia Larva de Trichoptera Larva de Ephemeroptera b) Gusanos de lodo Gusanos Glycera (genus) Gusanos con cola de rata Almejas Camarones de agua dulce Larva de mosca de la piedra Organismos tolerantes a la contaminación Larva de mosquito de agua residual Caracoles Cangrejo de río Larva de mosca de agua residual Cochinillas acuáticas Zonas de flujo c) Agua limpia Degradación Daño Recuperación Agua limpia Condición física Agua limpia, sin lodo en el fondo Sólidos flotantes; lodo en el fondo Agua turbia; gases malolientes; lodo en el fondo Agua turbia; lodo en el fondo Agua limpia, sin lodo en el fondo Especies de peces Juego de aguas frío o tibio y peces forrajeros; trucha, lubina Peces tolerantes a la contaminación; carpas, pez aguja, búfalo Ninguna Peces tolerantes a la contaminación; carpa, pez aguja, búfalo Juego de aguas frío o tibio y peces forrajeros; trucha, lubina Tolerancia intermedia Tolerante a la contaminación Tolerancia intermedia Agua limpia Invertebrado Agua limpia bentónico Número de animales 50 d) ALFAOMEGA c08.indd 312 40 Tipos 30 20 10 Población por pie 2 (x10) 0 Comienza la contaminación Distancia o tiempo corriente abajo INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC 8/30/11 2:57:23 PM 8.2 Calidad del agua del río e j e m p l o / 8.1 313 Cálculo de cuenca de mezcla para CBOD Un desperdicio con un CBOD de 5 días (y5) de 200 mg de O2/L y un kL de 0.1/día se descarga en un río a una velocidad de 1 m3/s. Calcule la última CBOD (L0) del desperdicio antes de la descarga hacia el río. Asuma la mezcla instantánea después de la descarga, calcule el último CBOD del agua del río después de que recibió el desperdicio. El río tiene una velocidad de flujo (Q) igual a 9 m3/s y un último fondo de CBOD de 2 mg O2/L corriente arriba de la descarga de desperdicio. También calcule el último CBOD (L0) y CBOD5 (y5) en el río 50 km corriente abajo del punto de descarga. El río tiene un ancho (W) de 20 m y una profundidad (H) de 5 m. solución Este problema tiene varios pasos. Primero, calcule el último CBOD del desperdicio antes de la descarga: L0,desperdicio = (1 - e y5 - kL * 5 días ) 200 mg O2/L = (1 - e - 0.1/día * 5 días ) = 508 mg O2/L Después, desarrolle un cálculo de cuenca de mezcla de balance de masa para determinar el último CBOD después de que el desperdicio se descargó y mezcló con el río. La relación general para el cálculo de la concentración de cualquier químico en una cuenca de mezcla (Cmb) es Cmb = Cup * Qup + Cin * Qin Qmb Aquí, el flujo total, Qmb, es igual a Qup + Qin, y el último CBOD es igual a L0,mb = 2 mg O2/L * 9 m3/s + 508 mg O2/L * 1 m3/s 10 m3/s = 52.6 mg O2/L Este es el valor del último CBOD del agua del río después de que ha recibido el desperdicio. Para responder las dos últimas preguntas con respecto al último CBOD y el CBOD de 5 días corriente abajo de la descarga, primero calcule el CBOD de 5 días del agua del río después de que ha recibido la descarga: yt = L0 * (1 - e - kL * t) y5,mb = 52.6 mg O2/L * (1 - e - 0.1/día * 5 días) y5,mb = 20.7 mg O2/L Después, calcule el último CBOD 50 km corriente abajo del punto de descarga. Mientras el desperdicio viaja corriente abajo, éste decaerá y agotará el oxígeno de acuerdo con la cinética de primer orden. La corriente INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC c08.indd 313 ALFAOMEGA 8/30/11 2:57:23 PM 314 Capítulo 8 Calidad del agua e j e m p l o / 8.1 Continuación río abajo de la zona de mezcla se puede modelar como un reactor tubular (PFR). Por lo tanto, L t = L 0 * e - kL * t Sin embargo, el tiempo de viaje necesita calcularse. La velocidad del río (U) está dada por U = Q Q 86 400 s 10 m3/s km = = = 0.1 m/s * * A W * H 20 m * 5 m día 1 000 m = 8.64 km/día Entonces, para determinar el tiempo de viaje, divida la distancia entre la velocidad del río: t = 50 km x = = 5.78 días U 8.64 km/día Este valor puede entonces utilizarse para determinar el último CBOD de 5.78 días corriente abajo: L0,50 km = L0, mb * e - kL * t = 52.6 * e - 0.1/día * 5.78 días = 29.5 mg O2/L y un CBOD de 5 días de yt = L0 * (1 - e - kL * t) y5, 50 km = 29.5 * (1 - e - 0.1/día * 5 días) = 11.6 mg O2/L 8.2.2 SATURACIÓN DE OXÍGENO La cantidad de oxígeno que puede disolverse en el agua a una temperatura determinada (su concentración de saturación o equilibrio) puede determinarse mediante la constante de la ley de Henry, KH: DOsat = KH * PO2 (8.1) en donde DOsat es la concentración de saturación de oxígeno disuelto (en mol O2/L), KH es la constante de la ley de Henry (1.36 ⫻ 10⫺3 mol/L-atm a 20º C) y PO2 es la presión parcial de oxígeno en la atmósfera (~21% de 0.21 atm). La constante de la ley de Henry varía según la temperatura (vea el capítulo 3), por lo que la concentración de saturación del oxígeno disuelto varía también. El ejemplo 8.2 ilustra el cálculo de la concentración de la saturación del oxígeno disuelto. ALFAOMEGA c08.indd 314 INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC 8/30/11 2:57:24 PM 8.2 Calidad del agua del río e j e m p l o / 8.2 315 Determinación de concentración de saturación de oxígeno disuelto Determine la concentración de saturación de oxígeno disuelto, DOsat, a 20° C. solución Determine DOsat a partir de la constante de Henry dependiente de la temperatura apropiada y la presión parcial de oxígeno: DOsat = 2.85 * 10 - 4 mol O 2 1.36 * 10 - 3 mol * 0.21 atm = L L-atm Convertirla a mg O2/L: DOsat = = 32 g O2 1 000 mg O2 2.85 * 10 - 4 mol O 2 * * L mol O 2 g O2 9.1 mg O2 L Advierta que las frases concentración de saturación de oxígeno disuelto y la solubilidad del oxígeno intercambiablemente se usan. El valor para DOsat varía de aproximadamente 14.6 mg O2/L a 0º C a 7.6 mg O2/L a 30º C. Estos son extremos de temperatura típicos para los sistemas naturales y de ingeniería. Esto muestra porqué los peces con alto requerimiento de oxígeno se asocian con las aguas más frías y porqué los impactos de los desperdicios demandantes de oxígeno en la calidad del agua pueden ser mayores en el verano. En los meses más calientes del verano, el flujo de la corriente es típicamente más bajo también, ofreciendo menor dilución del desperdicio. La concentración de oxígeno en el agua también se reduce al tiempo que la salinidad aumenta, lo cual se hace importante en las condiciones estuarinas y oceánicas. 8.2.3 DÉFICIT DE OXÍGENO El déficit de oxígeno (D, expresado en mg O2/L) se define como la salida de la concentración ambiental de oxígeno disuelto de la saturación. D = DOsat - DOact (8.2) DO act es la concentración ambiental o medida del oxígeno disuelto (mg O2/L). Advierta que los déficits negativos pueden suceder cuando las concentraciones ambientales de oxígeno exceden el valor de la saturación. Esto sucede en los lagos y en los ríos que se encuentran en condiciones inactivas INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC c08.indd 315 ALFAOMEGA 8/30/11 2:57:24 PM 316 Capítulo 8 Calidad del agua e j e m p l o / 8.3 Determinar el déficit de oxígeno Determine el déficit de oxígeno disuelto, D, a 20º C para un río con una concentración ambiental de oxígeno disuelto de 5 mg O2/L. solución Del ejemplo 8.2, el DOsat a 20º C se determinó que era 9.1 mg O2/L. Al aplicar la ecuación 8.2 arroja el déficit: D = 9.1 - 5 = 4.1 mg O2/L El DO real en este caso es 5 mg O2/L, el cual se encuentra por debajo del nivel de saturación. La oxidación microbiana para la materia orgánica o el amonianitrógeno en este río puede llevar al agotamiento del oxígeno. y no turbulentas cuando las algas y los macrófitos se encuentran activamente en fotosíntesis y producen oxígeno disuelto. Esta sobresaturación se elimina cuando existe suficiente turbulencia, por ejemplo, debido a los rápidos, las olas y las cascadas. 8.2.4 BALANCE DE MASA DEL OXÍGENO Los ejemplos 8.1 a 8.3 demostraron que la ejecución del BOD (por ejemplo, 29.5 mg O2/L sobre un área específica de 50 km) puede exceder los recursos de oxígeno de un río, aun cuando hay saturación. El decremento (oxígeno presente menos el oxígeno requerido) debe hacerse mediante intercambio atmosférico, esto es, reaereación. Cuando la demanda de la desoxigenación excede la provisión de la reaereación, los niveles de oxígeno caen y pueden desarrollarse condiciones anaeróbicas. La interacción dinámica entre la fuente de oxígeno (reaereación) y los términos de hundimiento (desoxigenación) pueden examinarse a través de un balance de masa de oxígeno en el río. La desoxigenación sucede al tiempo que el BOD es ejecutado y se describe en la ecuación 8.3. La velocidad de reaereación es proporcional al déficit y es descrito al utilizar cinética de primer orden: dO2 = k2 * D - k1 * L dt (8.3) Aquí, el coeficiente de velocidad de desoxigenación dentro de la corriente (k1,día⫺1) es comparable con (y, para el propósito de esta presentación, el mismo que) el coeficiente de velocidad de reacción de laboratorio o botella del CBOD (kL), pero también incluye fenómenos dentro de la corriente como los efectos de sorción, turbulencia y dureza. El coeficiente de velocidad de la reaereación (k2, día⫺1) varía con la temperatura y la turbulencia (la velocidad y profundidad del río) y varía de ~0.1 a 1.2/día. En la práctica, el balance de masa se escribe en términos del déficit: dD = k1 * L - k2 * D dt ALFAOMEGA c08.indd 316 (8.4) INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC 8/30/11 2:57:24 PM 8.2 Calidad del agua del río 317 Advierta cómo la ecuación 8.4 es una simple inversión del orden de los términos de fuente-hundimiento presentados en la ecuación 8.3. La ecuación 8.4 se puede integrar y resulta en una expresión que describe el déficit de oxígeno en cualquier ubicación corriente abajo de un punto de inicio arbitrariamente establecido, como sería el punto en el que un desperdicio se descarga hacia un río: Dt = k1 * L0 * (e - k1 * t - e - k2 * t) + D0 * e - k2 * t (k2 - k1) (8.5) en donde L0 es el último CBOD y D0 es el déficit de oxígeno en el punto de inicio (x = 0, t = 0) y Dt es el déficit de oxígeno en alguna ubicación corriente abajo (x = x, t = t). La notación t se refiere al tiempo de viaje, definido aquí como el tiempo requerido para una parcela de agua que va a viajar una distancia x corriente abajo. Por lo tanto, t = x/U, en donde x es la distancia corriente abajo y U es la velocidad del río. La relación tiempo-distancia permite la expresión de la solución analítica para el déficit de oxígeno en términos de x, la distancia corriente abajo del punto de inicio: Dx = x x x k1 * L0 * ae - k1 * U - e - k2 * U b + D0 * e - k2 * U (k2 - k1) (8.6) La ecuación 8.6 se llama modelo de Streeter-Phelps y fue desarrollada en los años veinte para los estudios de la contaminación en el Río Ohio. .mx/h ua ega.c ttp om om La descarga de los desperdicios demandantes de oxígeno hacia un río arroja una respuesta característica en los niveles de oxígeno denominada la curva de hundimiento de oxígeno disuelto (figura 8.2). La figura 8.2 demuestra que una curva de hundimiento de oxígeno disuelto típica tiene tres fases de respuesta: l.alfa 8.2.5 CURVA DE HUNDIMIENTO Y DISTANCIA CRÍTICA DEL OXÍGENO DISUELTO Simulador de oxígeno disuelto en el río : / /v i r t 1. Un intervalo en donde los niveles de oxígeno disuelto caen debido a que la velocidad de la desoxigenación es más grande que la velocidad de la reaereación (k1 × L > k2 × D) 2. Un mínimo (llamado punto crítico) en donde las velocidades de la desoxigenación y la reaereación son iguales a (k1 × L = k2 × D) 3. Un intervalo en donde los niveles de oxígeno disuelto se incrementan (finalmente alcanzando la saturación) debido a que los niveles de BOD se están reduciendo y la velocidad de la desoxigenación es menor que la velocidad de la reaereación (k1 × L < k2 × D) La ubicación del punto crítico y la concentración de oxígeno en dicha ubicación son de interés principal, debido a que aquí es en donde las condiciones de calidad del agua están en su peor punto. Los cálculos de diseño se basan en esta ubicación debido a que, si se logran los estándares en el INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC c08.indd 317 ALFAOMEGA 8/30/11 2:57:24 PM 318 Capítulo 8 Calidad del agua punto crítico, se lograrán en cualquier otro punto. Para determinar la ubicación del punto crítico, primero utilice la ecuación 8.7 para determinar el tiempo crítico, y entonces multiplique el tiempo crítico por la velocidad del río para determinar la distancia crítica: tcrit = k2 D0 * (k2 - k1) 1 * ln a * a1 bb k2 - k1 k1 k1 * L0 (8.7) Para encontrar el déficit de oxígeno en la distancia crítica, se sustituye el tiempo crítico en la ecuación 8.5. El conocimiento del DOsat proporciona entonces la concentración de DO real en la distancia crítica. El ejemplo 8.4 ilustra esta propuesta que sugiere oportunidades para su aplicación en la gestión de los ríos. e j e m p l o / 8.4 Determinar las características de la curva de hundimiento del DO Después de recibir la descarga de una planta de tratamiento de aguas residuales, un río tiene una concentración de oxígeno disuelto de 8 mg O2/L, y un último CBOD de 20 mg O2/L. La concentración de saturación de oxígeno disuelto es de 10 mg O2/L, el coeficiente de velocidad de desoxigenación k1 es de 0.2/día y el coeficiente de velocidad de reaereación k2 es de 0.6/día. El río viaja a una velocidad de 10 km/día. Calcule la ubicación del punto crítico (tiempo y distancia) y el déficit y la concentración de oxígeno en el punto crítico. solución Primero determine el déficit inicial de DO en el punto de descarga con la ecuación 8.2: D0 = DOsat - DOact = 10 - 8 = 2 mg O2/L Después utilice la ecuación 8.7 para determinar el tiempo crítico y el conocimiento de la velocidad del río para determinar la distancia crítica: tcrit = tcrit = k2 D0 * (k2 - k1) 1 * ln a * a1 bb k1 k1 * L0 k2 - k1 0.6/día 1 * * ln a 0.2/día 0.6/día - 0.2/día a1 - 2 mg O 2/L * (0.6/día - 0.2/día) 0.2/día * 20 mg O2/L tcrit = 2.2 días bb xcrit = 2.2 días * 10 km/día = 22 km ALFAOMEGA c08.indd 318 INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC 8/30/11 2:57:24 PM 8.3 Calidad del agua de lagos y reservas e j e m p l o / 8.4 319 Continuación Finalmente, utilice la ecuación 8.5 para determinar el déficit de oxígeno y la ecuación 8.2 para determinar la concentración real de oxígeno disuelto para el tiempo crítico como se acaba de calcular: Dt = Dt = k1 * L0 * (e - k1 * t - e - k2 * t) + D0 * e - k2 * t (k2 - k1) 0.2/día * 20 mg O2/L (0.6/día - 0.2/día) 2 mg O2/L * e - 0.6/día * (e - 0.2/día * 2.2 días - e - 0.6/día * 2.2 días )+ * 2.2 días Dt = 4.3 mg O2/L DO = 10 - 4.3 = 5.7 mg O2/L En este ejemplo, el déficit ocurre 22 km corriente abajo del punto de la descarga inicial. 8.3 Calidad del agua de lagos y reservas Las condiciones de calidad del agua en lagos y reservas se encuentran influenciadas por la magnitud y ruta de los flujos químicos y energéticos que pasan a través de ciclos biogeoquímicos. Las perturbaciones culturales de dos de dichos ciclos, el fósforo y el nitrógeno, causan un problema de calidad del agua de amplio interés: eutrofización. Agencia de planificación del Lago Tahoe http://www/trpa.org 8.3.1 ESTRATIFICACIÓN TÉRMICA DE LAGOS Y RESERVAS Una gran diferencia entre los lagos y los ríos yace en los medios de transporte de masas. Los ríos están completamente mezclados, mientras que en las latitudes templadas, los lagos se someten a estratificación térmica, dividiendo el sistema en capas y restringiendo el transporte de masas. Los periodos de estratificación se alternan a un máximo con periodos de mezcla total con transporte de masas. La restricción de transporte de masas durante la estratificación influye en el ciclo de muchas especies químicas (como hierro, oxígeno y fósforo) y puede tener efectos profundos sobre la calidad del agua. El proceso de estratificación térmica se lleva a cabo por la relación entre la temperatura del agua y la densidad. La densidad máxima del agua se da a 3.94º C (figura 8.3). Entonces el hielo flota y los lagos se congelan de arriba hacia abajo, en vez de abajo hacia arriba, como lo harían si su máxima densidad fuera a los 0º C. (Considere las implicaciones de la situación opuesta.) Durante la estratificación del verano, una capa superior de agua tibia, menos densa, flota sobre una capa de agua fría, más densa. A las capas se les asignan tres nombres como se muestra en la figura 8.4: 1) el epilimnion, una capa superficial tibia, bien mezclada; 2) el metalimnion, una región de transición en donde la temperatura cambia al menos 1º C con cada metro de profundidad y, 3) el hipolimnion, una capa de fondo INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC c08.indd 319 ALFAOMEGA 8/30/11 2:57:24 PM 320 Capítulo 8 Calidad del agua 1.0000 0.9995 Densidad (g/cm3) 0.9990 0.9985 0.9980 0.9975 0.9970 0.9965 0.9960 0.9955 0.9950 3.94°C (densidad máxima) 0 15 10 20 Temperatura (°C) 5 25 30 Figura 8.3 Densidad máxima del agua La densidad máxima se da a los 3.94º C. Por lo tanto, el agua a aproximadamente 4º C se encontrará por debajo de las aguas más frías (hielo a 0º C) en el invierno y las más calientes (20º C) en el verano. De Mihelcic (1999). Reimpreso con permiso de John Willey & Sons, Inc. Figura 8.4 Perfil de temperatura de mitad de verano para un lago estratificado térmicamente Advierta el epilimnion, el metalimnion (con una termoclina) y el hipolimnion. Adaptado de Mihelcic (1999). Reimpreso con permiso de John Willey & Sons, Inc. ALFAOMEGA c08.indd 320 Profundidad (m) 0 5 Epilimnion 10 Metalimnion 15 Termoclina Hipolimnion 20 25 30 0 5 10 15 20 25 30 Temperatura (°C) fría bien mezclada. El plano en el metalimnion en donde la gradiente de temperatura-profundidad está más empinada se llama termoclina. Los procesos de estratificación y desestratificación (mezcla) siguen un patrón estacional predecible como se muestra en la figura 8.5. En el invierno, el lago es térmicamente estratificado con agua fría (~0º C) cerca de la superficie y con aguas más calientes (2º C a 4º C) y densas cerca del fondo. A medida que la superficie se calienta hacia los 4º C en la primavera, se hacen más densas y se sumergen, sacando a las aguas más frías a la superficie para que se calienten. El proceso de mezclado por convección, ayudado por la energía del viento, hace circular la columna de agua, llevándola a una condición isotérmica llamada cambio de primavera. A medida que las aguas del lago comienzan a calentarse por arriba de los 4º C, el lago se estratifica térmicamente. Las aguas superficiales son significativamente más calientes y menos densas que las aguas más bajas durante la estratificación de verano. En el otoño se reduce el ingreso solar y se pierde el calor del lago más rápiINGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC 8/30/11 2:57:24 PM 8.3 Calidad del agua de lagos y reservas Ganancia de calor y mezcla de vientos 4° 2° 3° 4° Cubierta de hielo Figura 8.5 Ciclo anual de Primavera temprana (cambio) 4° estratificación, cambio y circulación en lagos y reservas templados La variación en las condiciones meteorológicas (temperatura, velocidad del viento) pueden causar una variación significativa al tiempo y extensión de estos eventos. 4° 2° 3° 4° Ganancia de calor Primavera tardía y mezcla (circulación) de vientos Invierno (estratificación) De Milhelcic (1999). Reimpreso con permiso de John Wiley & Sons, Inc. 4° 4° 4° 4° 4° 4° 0° 2° 4° 4° 4° 4° Pérdida de calor y mezcla de vientos 321 Ganancia de calor y mezcla de vientos Verano tardío (circulación) Verano (estratificación) 22° 21° 8° 7° 6° 4° 4° 4° 4° 4° 4° 4° Pérdida de calor y mezcla Verano temprano (cambio) de vientos 4° 4° 8° 7° 6° 4° 8° 7° 6° damente de lo que se gana. A medida que las aguas superficiales se enfrían, se hacen más densas, se hunden y promueven la circulación a través de la convección, ayudadas por el viento. Este fenómeno, llamado cambio de otoño, otra vez lleva a condiciones isotérmicas. Finalmente, a medida que el lago se enfría más, las aguas frías de baja densidad se reúnen en la superficie, y el lago reingresa a la estratificación de invierno. 8.3.2 MATERIA ORGÁNICA, ESTRATIFICACIÓN TÉRMICA Y AGOTAMIENTO DEL OXÍGENO La producción interna de la materia orgánica en los lagos, resultante del crecimiento de algas y macrófitos y estimulada por descargas de nutrientes limitantes del crecimiento (fósforo y nitrógeno) pueden empequeñecer ese suplemento externo, por ejemplo, mediante las plantas de tratamiento residuales y la escorrentía superficial. La materia orgánica producida en las aguas superiores iluminadas se va hacia el fondo, en donde se descompone, consumiendo oxígeno. Existe poco reprovisionamiento de oxígeno INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC c08.indd 321 ALFAOMEGA 8/30/11 2:57:25 PM 322 Capítulo 8 Calidad del agua Implicaciones de agua de los biocombustibles http://dels.nas.edu/dels/rpt_briefs/ biofuels_brief_final.pdf bajo condiciones de estratificación, y si el crecimiento de algas y/o macrófitos crea un gran problema de materia orgánica, puede resultar en un agotamiento hipolimnético de oxígeno. Las concentraciones de oxígeno en las aguas del fondo de los lagos productivos son más bajas que las de las aguas superficiales, y lo opuesto es verdad en las aguas improductivas, en donde las aguas del fondo frías tienen una saturación más alta de oxígeno que las aguas más tibias de las superficies. El agotamiento del oxígeno lleva a una aceleración en el ciclo de los químicos que residen en los sedimentos del lago (en especial el hierro y el fósforo), la generación de varias especies químicas no deseadas y potencialmente peligrosas (NH3, H2S, CH4) y la extirpación de peces y macroinvertebrados. El agotamiento del oxígeno es uno de los problemas de calidad del agua más importantes y más comúnmente observados en lagos, bahías y estuarios. También es importante en las reservas de agua potable, en donde los consumos pueden encontrarse con molesto crecimiento de algas en la superficie y acumulaciones de químicos nocivos cerca del fondo. 8.3.3 LIMITACIÓN DE NUTRIENTES Y ESTADO TRÓFICO © jean schweitzer/iStockphoto. Trófico se define como el rango en el que la materia orgánica provee a los lagos desde la cuenca y a través de la producción interna. El crecimiento de algas y macrófitos en los lagos se ve influido por las condiciones de luz y temperatura y por la provisión de nutrientes limitantes del crecimiento. Debido a que los niveles de luz y temperatura son más o menos constantes a nivel regional, lo trófico se determina principalmente por la disponibilidad de nutrientes limitantes de crecimiento. Como antes se mencionó, el fósforo en general se considera como el nutriente limitante del crecimiento de plantas en los ambientes de aguas frescas. Debido a que los minerales de fósforo naturalmente ocurrentes son escasamente solubles, las entradas antropogénicas pueden afectar en forma dramática la velocidad de crecimiento de algas y macrófitos y la producción de materia orgánica. La tabla 8.1 muestra cómo los lagos pueden clasificarse en tres grupos de acuerdo con su estado trófico: oligotrófico, mesotrófico y eutrófico. El proceso de enriquecimiento de nutrientes de un cuerpo de agua, con incrementos en la materia orgánica, se llama eutrofización. Esto se considera como un proceso de envejecimiento natural en los lagos. La figura 8.6 muestra la sucesión de cuerpos de agua recientemente formados hacia la Tabla / 8.1 Clasificación de cuerpos de agua basada en sus estados tróficos ALFAOMEGA c08.indd 322 Oligotrófico Pobres de nutrientes; bajos niveles de algas, macrófitos y materia orgánica; buena transparencia; oxígeno abundante. Eutrófico Rico en nutrientes; altos niveles de algas, macrófitos y materia orgánica; pobre transparencia; con frecuencia con agotamiento de oxígeno en el hipolimnion. Mesotrófico Zona intermedia; con frecuencia con abundante vida de peces debido a sus elevados niveles de producción de materia orgánica y provisión adecuada de oxígeno. INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC 8/30/11 2:57:25 PM 8.3 Calidad del agua de lagos y reservas 323 Figura 8.6 Sucesión natural en los a) Lago formado recientemente (oligotrófico) b) Lago maduro (mesotrófico-eutrófico) lagos Un concepto de sucesión natural en los lagos sugiere que estos sistemas pasan a través de una serie de etapas al tiempo que se enriquecen con los nutrientes y la materia orgánica y finalmente transformados a tierra seca. La velocidad de envejecimiento del lago está importantemente influenciado por las condiciones meteorológicas locales, la profundidad del lago y el tamaño y fertilidad de la cuenca del drenaje. De Milhelcic (1999). Reimpreso con permiso de John Wiley & Sons, Inc. c) Pradera/humedal d) Tierra seca Recuadro / 8.1 Zonas muertas con agotamiento de oxígeno alrededor del mundo Más de 400 áreas costeras en el mundo reportan la experiencia de alguna forma de eutrofización (figura 8.7). De éstas, 169 reportan la experiencia de hipoxia. Estas supuestamente llamadas zonas muertas experimentan muy bajos niveles de oxígeno (menos que 2 mg/L) que pueden ser estacionales o continuas. Una zona muerta pequeña puede ocupar 1 km2 y darse en una bahía o estuario. La gran zona muerta ubicada en el Golfo de México ha sido medida en más de 22 000 km2 (el tamaño de Massachusetts). Esta ubicación, fuera de la playa de Louisiana, contiene la pesca comercial más importante en los 48 estados más bajos y se alimenta mediante la escorrentía del Río Mississippi. El Mississippi drena 41% de la masa de tierra de los 48 estados más bajos e incluye estados del Cinturón de Maíz INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC c08.indd 323 como Ohio, Indiana, Illinois y Iowa. Además de utilizar cantidades excesivas de fertilizantes, estos estados han drenado hasta 80% de sus humedales, los cuales sirven como almacenes de nutrientes. De hecho, 65% de la entrada de nutrientes hacia la zona muerta de la Costa del Golfo se origina en el Cinturón de Maíz, un área que proporciona alimento para una población creciente y ahora es vista por algunos como una fuente de independencia de energía a través de biocombustibles. Otras entradas de nutrientes (que contienen nitrógeno y/o fósforo) se asocian con las aguas residuales municipales que incluyen descargas industriales, escorrentía urbana y deposición atmosférica asociada con la combustión de combustible fósil. Las entradas atmosféricas pueden ser grandes contribuyentes. Por ejemplo, las entradas de nitrógeno atmosfé- ALFAOMEGA 8/30/11 2:57:25 PM 324 Capítulo 8 Calidad del agua Recuadro / 8.1 Continuación Figura 8.7 Zonas costeras eutróficas e hipóxicas Identificadas por Selman et al. (2008). rico que se originan con combustión de combustible fósil contribuyen en 25% de la entrada del nitrógeno hacia la zona muerta de la Bahía Chesapeake. Si no se tocan, las zonas muertas pueden causar el colapso de los ecosistemas y los sistemas económicos y sociales que dependen de éstas. Afortunadamente, las zonas muertas pueden revertirse. Por ejemplo, el Mar Discusión en clase .mx/h ua ega.c ttp om om l.alfa ¿Cómo dirigiría el manejo de nutrientes utilizando una propuesta de sistemas? La densidad de población promedio en las áreas costeras es dos veces el promedio global, mientras que la biodiversidad de los ecosistemas acuáticos costeros y de agua fresca continúa declinando. Los incrementos en la población y la urbanización concentran nutrientes (N y P) en las áreas urbanas, en donde las descargas de las plantas de tratamiento de aguas residuales y escorrentía urbanas pueden crear estragos en el agua fresca y los ecosistemas costeros. Aún estos nutrientes se requieren en las áreas rurales, en donde la producción vegetal es la mayor. : / /v i r t ALFAOMEGA c08.indd 324 Calculador de gestión trófica estatal de lagos Negro alguna vez tuvo una zona muerta que ocupaba 20 000 km2. Después del colapso de muchas economías centralizadas en países ubicados en las vertientes que drenaban hacia el Mar Negro en los años ochenta, las entradas de nitrógeno cayeron 60%. Esto finalmente resultó en el encogimiento de la zona muerta y de hecho desapareció en 1996 (Larson, 2004; Selman et al., 2008). tierra seca. La adición de fósforo a través de actividades humanas y el envejecimiento resultante del lago son llamadas eutrofización cultural. La variación en el uso de suelo y la densidad de población puede llevar a un rango de estados tróficos dentro de una región dada, por ejemplo, del oligotrófico Lago Superior al eutrófico Lago Erie. 8.3.4 GESTIÓN DE INGENIERÍA DE LAGOS La opción preferida en el manejo de calidad de las aguas superficiales siempre es la de prevenir o eliminar las descargas. El enfoque de la gestión de lagos está típicamente en el control del fósforo; sin embargo, la mayoría de las soluciones aquí presentadas aplican para otros contaminantes. (Recuerde que en el recuadro 8.1, el manejo de las zonas muertas también consideraría la minimización de las entradas de nitrógeno.) La figura 8.8 resume ocho métodos de gestión de lagos. En el caso del fósforo, los grandes avances en cuanto a las tecnologías de tratamiento han reducido las concentraciones de fósforo en los efluentes municipales de aguas residuales en más de dos órdenes de magnitud del afluente. Una variedad de prácticas de manejo de tierras puede reducir las cargas de fósforo de las cuencas hidrográficas. Finalmente, las cuencas de detención de aguas pluviales, humedales artificiales y el desarrollo de bajo impacto pueden emplearse para atrapar el fósforo (y nitrógeno y otros materiales como sedimento y trazas metálicas) lavados de la tierra y las superficies pavimentadas. INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC 8/30/11 2:57:26 PM 8.3 Calidad del agua de lagos y reservas b) Control de fuente no puntual La descarga de fósforo de una planta de tratamiento de aguas residuales municipal resultó en un estado hipereutrófico, manifestado en florecimiento de algas, una claridad pobre del agua y agotamiento hipolimnético severo del oxígeno. La implementación de tratamiento avanzado de agua, en múltiples etapas, ha reducido las concentraciones efluentes de fósforo y ha llevado a una reducción en la velocidad a la que el oxígeno es consumido en las aguas del fondo (AHOD, areal hypolimnetic oxygen depletion). Esta reserva, la cual proporciona 70% del agua que se provee a la ciudad de Wichita, es contaminada por fósforo y sedimentos originados por el cultivo y los pastizales en su cuenca. Se están implementando aumentos en el área protegida por prácticas de conservación en la cuenca para reducir la carga de fósforo y sedimentos. Lago Onondaga, NY 2006 2005 2004 2005 2003 2000 2002 1995 2001 1990 0 2000 0.0 10,000 1999 0.0 1985 0.5 1998 P 20,000 1997 1.0 0.5 30,000 1996 1.5 40,000 1995 AHOD Área protegida por factores de biomagnificación 50,000 1994 2.0 1.0 60,000 Tierra protegida por la agricultura (acres) 2.5 Demanda hipolimnética aereal del oxígeno (mg O2 /m2-day) Concentración efluente de fósforo de una planta de tratamiento de aguas residuales (g P/m3) a) Control de fuente puntual 325 Lago Cheney, KS c) Desviación d) Dragado Los florecimientos de algas con eliminación de macroinvertebrados bentónicos sensibles fueron provocados por las descargas de fósforo provenientes de cuatro plantas de tratamiento de aguas residuales municipales. Las cargas de fuente puntual fueron desviadas hacia la aplicación del suelo y otros usos, incluyendo la irrigación de plantaciones de cítricos y recarga de aguas subterráneas. Los niveles de fósforo y de clorofila dentro del lago cayeron 50 y 30 por ciento, respectivamente, y la transparencia del disco de Secchi se incrementó 50 por ciento. El crecimiento prolífico de macrófitos y la deposición resultante en una columna de agua de 1.4 m sobre 10 m de material de planta en descomposición. El dragado removió 665 000 m3 de sedimento de este lago de 37 hectáreas, incrementando el volumen del agua en 128% y la profundidad máxima a 6.6 m. El agotamiento severo del oxígeno y la muerte de peces en el invierno se eliminaron. Los macrófitos ya no crecieron a niveles de florecimiento debido a que el incremento en la profundidad redujo la cantidad de hábitat de plantas de luz disponible. El dragado es caro y lleva consigo efectos aislados potenciales, en gran medida relacionados con la resuspensión de sedimentos. Fósforo (g P⋅m–3) 0.43 Clorofila (mg P⋅m–3) Disco de Secchi (m) 100 0.72 0.47 41.6 0.12 Antes Antes Después Antes Después Antes Después Después <1 m 1–2 m Lago Tohopekaliga, FL 2–5 m >5 m Lago Lilly, WI Figura 8.8 Ejemplos de gestión de ingeniería de lagos INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC c08.indd 325 ALFAOMEGA 8/30/11 2:57:27 PM 326 Capítulo 8 Calidad del agua f ) Aereación hipolimnética La adición de alumbre (sulfato de aluminio) redujo la liberación de sedimento de P mediante un factor de 10. Las concentraciones de P del agua del fondo cayeron dramáticamente, y los niveles P del agua de superficie se redujeron de 0.013 a 0.005 g P/m3, estableciendo condiciones oligotróficas. El tratamiento persistió durante más de una década. El oxígeno fue burbujeado hacia el fondo de las aguas de esta reserva eutrófica, manteniendo los niveles de oxígeno disuelto por arriba de los 5 mg/L. Las reducciones en el fósforo, amonia-nitrógeno y clorofila se lograron. La aereación eliminó el sulfito del lago, protegiendo la provisión de agua para un criadero de salmones chinook y truchas arcoiris. 3 Fósforo total (g P/m ) e) Inactivación química Fósforo 3 (g P/m ) 0.4 Adición de alumbre 0.3 Disco de Secchi (m) Clorofila 3 (mg P/m ) 50 0.2 5 0.2 0.1 0.0 1.5 0.05 80 82 84 86 88 Año 90 92 94 10 Antes Después Lago Morey, VT Antes Después Antes Después Reserva Camanche, CA h) Biomanipulación El tratamiento con herbicidas con fluridona eliminó las especies invasoras exóticas de milenrama euroasiática durante cuatro veranos consecutivos. Algunas especies nativas redujeron su abundancia después del tratamiento, mientras otras la incrementaron. La transparencia del disco de Secchi se redujo después del tratamiento debido a la reducida competitividad del fósforo entre las algas y los macrófitos. Durante muchos años, este lago se caracterizó por su alta transparencia, baja biomasa de algas y una población de peces denominada por los piscívoros (especies que se alimentan de peces, por ejemplo, la lobina). Un cambio para los planctívoros (especies que se alimentan de plancton, por ejemplo, la mojarra de algas azules y la carpa) y los bentívoros (especies que se alimentan del fondo, por ejemplo, los siluros) incrementaron su presión de depredación del plancton, resultando en el crecimiento incrementado del alga y la reducción de la claridad del agua. El lago fue tratado con rotenona para remover los planctívoros y los bentívoros y se repusieron con piscívoros (lobinas y alaskas). La reintroducción de piscívoros permitió que las poblaciones de plancton renacieran, reduciendo la biomasa de algas y mejorando la calidad del agua. Frecuencia de ocurrencia g) Herbicidas/cosechas 100% 80% 60% 40% Transparencia del disco de Secchi 20% 0% -2 -1 0 1 2 3 4 5 6 7 Antes 2.1 m Años de tratamiento Después Lago Potter, WI 4.7 m Lago Round, MN Figura 8.8 (Continuación) 8.4 Humedales Históricamente, los humedales fueron considerados como una molestia que proporcionaba caldos de cultivo para enfermedades y se interponía en ALFAOMEGA c08.indd 326 INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC 8/30/11 2:57:27 PM 8.4 Humedales el camino de la agricultura, la navegación y la urbanización. Más de 50% de los humedales que existían antes de 1700 en los 48 estados contiguos más bajos de Estados Unidos se han destruido; para algunos estados individuales, el porcentaje de pérdidas de humedales es mayor a 90%. La tabla 8.2 enlista los contribuyentes más comunes para la pérdida de humedales. En 1989, Estados Unidos declaró una política nacional de ninguna pérdida neta de humedales; esto fue seguido por una meta de incremento neto de 100 000 acres/año de humedales en el Plan de Acción de Aguas Claras de 1998. Como resultado, las actividades cambiaron de la eliminación a la identificación, delineación, preservación, restauración y construcción de humedales. La mayoría de esta actividad se maneja mediante un requisito de la Ley de agua clara que emite el Cuerpo de Ingenieros del Ejército de Estados Unidos como permiso para cualquier humedal que será llenado. Bajo estas iniciativas federales, la pérdida neta de humedales se ha vuelto más lenta y potencialmente se ha hecho a la inversa. Las proporciones de pérdida de humedales bajaron de 1 854 km2 al año en el periodo comprendido de 1950-1975 a 1 174 km2 al año durante 1975-1985 y a 237 km2 al año durante 1985-1997. En el reporte 1998-2004 hubo un incremento neto en áreas de humedales de 129 km2 al año (Dahl, 2006). Siempre y cuando sean parte de las aguas de Estados Unidos, los humedales están sujetos a las mismas protecciones que los ríos y los lagos según la Ley de agua clara. La descarga de desperdicios hacia los humedales se regula según el Sistema Nacional de Descargas de Contaminantes, el mismo programa de permisos que se aplica a los lagos y arroyos. Más aún, la Ley de agua clara prohíbe la descarga de material de draga (o relleno) hacia los humedales sin un permiso del Cuerpo de Ingenieros del Ejército. Si el daño a un humedal se considera como inevitable, se deben crear humedales nuevos o mejorados para reemplazar las funciones perdidas en el humedal dañado. La creación o restauración de humedales para compensar los daños a otros humedales se llama mitigación compensatoria. 327 Tabla / 8.2 Contribuyentes más comunes para la pérdida de humedales hoy en día Actividades agrícolas Desarrollo residencial y comercial (urbanización) Construcción de caminos y carreteras 8.4.1 TIPOS DE HUMEDALES Los humedales representan un ecotono o transición entre ambientes terrestres y acuáticos. En cualquier momento que las tierras se saturan de agua, la entrada de oxígeno es severamente restringida y se desarrolla una condición anaeróbica. Los tipos de humedales pueden identificarse con base en las variaciones en la fuente del agua (lluvia directa, descarga de aguas subterráneas o entradas de un lago o río adyacente), la posición de la tabla de agua (por arriba o por debajo de la superficie del agua), el hidroperiodo (patrón temporal de profundidad de agua) y los niveles de productividad y enriquecimiento de nutrientes y materia orgánica. La tabla 8.3 compara los cuatro tipos de humedales: marismas, pantanos, ciénagas y esteros. Los humedales también se caracterizan por su proximidad con otros hábitats como el humedal ribereño (adyacente a los ríos) y los humedales costeros (adyacentes a océanos y grandes lagos). Debido a la amplia variedad en los tipos y características de humedales, una definición legal ha permanecido elusiva. Mientras que la definición aceptada puede diferir (aún entre agencias federales), un sitio puede caracterizarse como un humedal si 1) está inundado o saturado de agua por al menos parte del año, 2) tiene tierras hídricas y, 3) soporta predominantemente plantas hidrofíticas. INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC c08.indd 327 Inventario Nacional de Humedales http://www.fws.gov/wetlands ALFAOMEGA 8/30/11 2:57:27 PM 328 Capítulo 8 Calidad del agua Tabla / 8.3 Clases de humedales Tipo de humedal Descripción Marisma Inundado frecuente o continuamente con agua; caracterizado por vegetación emergente de suave deriva. Pantano Dominado por vegetación boscosa (opuesto a la suave deriva) Ciénaga Humedales que forman turba que recibe toda la entrada de agua y nutrientes de la deposición atmosférica; típicamente pobre de acidez y de nutrientes. Estero Recibe nutrientes del drenaje de la entrada de la tierra de los minerales y las aguas subterráneas; típicamente más ricas en acidez y nutrientes que las ciénagas. FUENTE: Definido por la Oficina de Humedales, Océanos y Cuencas de la EPA. Las tierras hídricas existen bajo condiciones anegadas y anaeróbicas y presentan características químicas y físicas particulares. Esto incluye olores (por ejemplo, de sulfito de hidrógeno), la presencia de capas con riqueza orgánica, una apariencia anegada o moteada y un bajo potencial redox. Las raíces de la mayoría de las plantas no toleran condiciones anaeróbicas, debido a que el oxígeno de la tierra es la única fuente de oxígeno para la respiración del tejido de raíz. Sin embargo, las plantas hidrofíticas han desarrollado adaptaciones que les permite crecer en suelos con deficiencia de oxígeno. En la práctica, la agrimensura de la vegetación se utiliza para delinear las fronteras de los humedales. Para un área que se considera humedal, las plantas hidrofíticas deben prevalecer; por ejemplo, al menos la mitad de las plantas dominantes deben ser especies de humedales. .mx/h ua ega.c ttp om om l.alfa 8.4.2 FUNCIONES DE LOS HUMEDALES Ecosistemas de humedales : / /v i r t Pérdida de tierra costera de Louisiana http://www.nwrc.usgs.gov/special/ landloss.htm ALFAOMEGA c08.indd 328 Los humedales tienen diversas funciones importantes: 1) almacenamiento de aguas y mitigación de inundaciones, 2) filtración de agua y removimiento de sólidos suspendidos, bacterias, nutrientes y sustancias tóxicas, 3) hábitat de vida silvestre y, 4) ciclo biogeoquímico de materiales que son importantes en escalas locales a globales. Los humedales tienen una gran capacidad para almacenar agua, en el orden de 1 m3 por m2 de superficie. También amortiguan los eventos de lluvia extremos y los aumentos repentinos de tormentas. De hecho, la pérdida de humedales costeros a lo largo del Golfo de México contribuyó a la severidad del impacto del huracán Katrina. Los humedales también quitan sustancias que pueden deteriorar la calidad del agua. Debido a que el flujo del agua es retardado en los humedales, los sedimentos son capaces de establecerse y colectarse ahí mismo. Las plantas de los humedales también anclan la tierra y reducen la erosión que podría ser inducida por las olas. Los microorganismos y la vegetación presente en los humedales remueven los nutrientes del flujo del agua a través del sistema y por lo tanto ayudan a proteger la calidad de los lagos y arroyos adyacentes. La velocidad reduINGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC 8/30/11 2:57:27 PM 8.4 Humedales cida del flujo de agua y las aguas poco profundas de los humedales promueven la muerte de bacterias causantes de enfermedades, minimizando el transporte de patógenos hacia las aguas superficiales. Los suelos de los humedales con frecuencia son ricos en materia orgánica o tienen horizontes enriquecidos con óxidos de hierro; ambos sustratos son capaces de absorber y remover un número de contaminantes (por ejemplo, el fósforo y el benceno) del agua que pasa a través del humedal. Es difícil exagerar la importancia de los humedales para con la biodiversidad. Los humedales representan sólo 5% del área de suelo de Estados Unidos pero son los hogares de 31% de las especies de plantas de esa región. Se calcula que 50% de las especies de pájaros del lugar anidan o se alimentan en los humedales. Aproximadamente 46% de todas las especies en peligro en Estados Unidos dependen de alguna forma de los humedales. La materia orgánica producida por las plantas en los humedales alimenta no sólo la cadena alimentaria dentro del humedal sino que también puede, a través de exportación hidrológica, servir como una importante fuente de comida para los organismos ya removidos del humedal. Debido a que los humedales son tan importantes para la vida silvestre, también son críticos en cuanto al soporte de la pesca comercial y deportiva, así como para la caza y otras actividades de ocio. Los humedales son tan importantes como las reservas globales de carbono y como las fuentes y los sumideros para gases traza importantes, incluyendo CH4, H2S y N2O. Mundialmente, 75% de las emisiones naturales de metano se originan en los humedales. Los ríos, estuarios y sus humedales Recuadro / 8.2 c08.indd 329 Discusión en clase ¿Cómo manejaría los Everglades al mismo tiempo que equilibra las cuestiones sociales, económicas, de justicia y ambientales para que no lleven a la pérdida de oportunidades para las generaciones futuras y actuales? ¿Cuáles son algunas cuestiones clave asociadas con el almacenamiento y calidad del agua, la biodiversidad y la economía en esta área? ¿Cómo participan los ingenieros en el desarrollo de soluciones a los problemas relacionados con estas cuestiones? (Para mayor información, vea www. evergladesplan.org). Los Everglades de Florida Los Everglades en el estado de Florida son uno de los verdaderamente únicos ecosistemas en el mundo. Incluye humedales y un río que alguna vez se calculó que tenía 50 millas de ancho. Más de 50% de los humedales originales se han perdido por la conversión a la agricultura y urbanización. Los esfuerzos para proteger este recurso se han reforzado pero con frecuencia entran en conflicto con las demandas en aumento de desarrollo para las poblaciones residentes y turísticas. Desde 1930, la población del sur de Florida se ha incrementado 25 veces, de 200 000 a más de 5 millones, una tasa de crecimiento aproximadamente diez veces más rápida que la de Estados Unidos. El Parque Nacional Everglades se fundó en 1947. Ahora cubre 1.4 millones de acres (casi 5% del área terrenal de Florida) y ha triplicado su tamaño desde que se estableció. En el 2000 el Congreso de Estados Unidos autorizó el Plan de Restauración Completo de los Everglades, el proyecto de restauración más grande de la historia, con un marco de tiempo de 30 años y un presupuesto de $10.5 mil millones de dólares. Como parte del plan de restauración, 400 km de canales y diques (instalados en los años cuarenta para controlar y desviar el agua) se removerán. Se tomarán medidas para controlar las especies invasoras y exóticas, y 6.4 mil millones de litros por día de escorrentía INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC 329 serán tratados para remover los nutrientes y otros contaminantes. La escorrentía se almacenará y redireccionará hacia patrones de flujo preestablecidos (naturales) más cercanos a la bahía de Florida como se muestra en la figura 8.9. Más de 200 000 acres de tierra se han comprado (50% de la meta del proyecto) para controlar el uso de suelo. En un sitio web dedicado a reportar acerca de este plan (www.evergladesplan.org), el Cuerpo de Ingeniería del Ejército habla de su promesa e importancia: La implementación del plan de restauración resultará en la recuperación de ecosistemas saludables y sustentables en el sur de Florida…. El plan redireccionará la manera en que el agua es almacenada en el sur de Florida para que el agua de exceso no se pierda en el océano, y en su lugar se pueda usar para apoyar al ecosistema así como las necesidades agrícolas y urbanas… La capacidad de apoyar los recursos naturales de la región, la economía y la calidad de vida depende, en gran medida, del éxito de los esfuerzos para mejorar, proteger y gestionar de una mejor manera los recursos acuíferos de la región. (USACE, 2008a) Un elemento clave para el plan de gestión es la pantera de Florida, una subespecie del león de montaña. La pantera alguna vez tuvo un rango de población en ocho estados ALFAOMEGA 8/30/11 2:57:28 PM 330 Capítulo 8 Calidad del agua Recuadro / 8.2 Continuación Flujo histórico Flujo actual Flujo futuro Figura 8.9 Los Everglades de Florida muestran el flujo de agua desde escenarios históricos, actuales y futuros De www.evergladesplan.org, un esfuerzo del Cuerpo de Ingenieros del Ejército de Estados Unidos en sociedad con el Distrito de Administración de Agua del Sur de Florida y muchos otros socios tribales, federales, estatales y locales). USACE (2008 b). alrededor del sudeste de Estados Unidos, pero ahora tiene un rango reducido a aproximadamente 10 condados en el sur de Florida (menos de 5% de su rango nativo). La población actual se calcula en aproximadamente 90 animales. La población se redujo dramáticamente durante el siglo pasado debido a la caza y a la pérdida de hábitat. La pérdida de hábitat se debe principalmente a la expansión urbana y la conversión de tierras boscosas a agrícolas. Mientras la pérdida del hábitat es importante, la degradación y la fragmentación también implican importantes amenazas. La presa preferida para la pantera es el venado de cola blanca, cuya población también se ha reducido. Los recur- sos alimenticios secundarios son cerdos salvajes liberados para caza, armadillos y mapaches. En las áreas con baja población de venados, los mapaches son una parte importante que se incrementa en la dieta de la pantera. Debido a que los mapaches se alimentan de peces y cangrejos de río, éstos han incrementado su contenido de mercurio de la bioacumulación. Los niveles elevados de mercurio en las panteras pueden estar vinculados con la disminución de la salud y del éxito reproductivo, pero estudios científicos conclusivos no han probado o desaprobado esta hipótesis. Las colisiones de vehículos también han sido una fuente importante de la mortalidad de la pantera, con 24 muertes registradas de 1978 a 1998. asociados pueden contabilizar 20% de las emisiones antropogénicas de otro gas importante de efecto invernadero, el N2O (Seitzinger y Kroeze, 1998). 8.4.3 CONSTRUCCIÓN DE HUMEDALES Como se define casi al inicio de la sección 8.4, la mitigación compensatoria se refiere a la creación de humedales para compensar la destrucción permitida de los humedales. El almacenamiento es la creación de humedales para compensar la futura destrucción de humedales, en cuyo momento los humedales almacenados se convertirán en humedales de mitigación. El término humedal creado se refiere a un humedal construido con propósitos de mitigación, y el humedal construido se refiere a un humedal diseñado para remover ALFAOMEGA c08.indd 330 INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC 8/30/11 2:57:28 PM 8.4 Humedales 331 contaminantes (por ejemplo, el tratamiento de aguas residuales municipales, escorrentía agricultura, aguas fluviales y residuos de minas). Aunque los humedales creados y construidos pueden compartir muchas características comunes, los lineamientos para los humedales construidos y los reglamentos para la operación difieren; por esta razón, las dos categorías frecuentemente se consideran por separado. Los humedales creados son tratados en la siguiente sección; los humedales construidos se describen en el capítulo 11. 8.4.4 HUMEDALES CREADOS: UNA OPCIÓN PARA LA MITIGACIÓN Según el sistema reglamentario ambiental de Estados Unidos, se debe evitar la destrucción de humedales cuando existan alternativas practicables menos dañinas. Cuando los impactos adversos son inevitables, dichos impactos deberán minimizarse a la mayor práctica posible mediante la modificación de la actividad propuesta. La mitigación compensatoria se debe permitir sólo después de que las dos primeras opciones han sido implementadas. El sistema ha destruirse se deberá inventariar para caracterizar y cuantificar las clases de humedales y las funciones que se perderán. Podría decirse que, para llenar las mismas funciones de almacenamiento de aguas, filtración de aguas y ciclado biogeoquímico, los humedales creados deberían tener ajustes hidrológicos similares (por ejemplo, altura de la tabla de agua, rangos de flujo del agua e hidroperiodo) dentro de sus cuencas que aquellos degradados o destruidos. La mitigación compensatoria pretende compensar la pérdida de las funciones de humedales al crear, restaurar o mejorar los humedales que tendrán un papel similar. La restauración de humedales históricos que han sido drenados es el método mejor pensado para asegurar la restauración de las funciones naturales. A pesar de esta meta, la medición utilizada para cuantificar la pérdida de humedales no es generalmente la función, sino el área. Cuando un humedal creado es menos eficiente para desarrollar una función que el humedal que reemplaza, el nuevo humedal puede hacerse más grande. Para evitar la degradación del humedal, las funciones perdidas por la destrucción de un humedal deberán reemplazarse en la misma cuenca. Esta meta es difícil de lograr, aun cuando se practica la mitigación compensatoria en una base regional. La creación de un humedal incluye dos fases: la selección del sitio y el desarrollo del sitio. La tabla 8.4 presenta algunos lineamientos para la selección del sitio: buscar el aseguramiento de que el humedal funcione adecuadamente, esté en armonía con su cuenca y ofrezca el mayor beneficio ambiental. El desarrollo del sitio será específico para su ubicación y funciones planeadas del humedal, con atención dada al hidroperiodo deseado y la vegetación de humedal deseada. Los componentes de desarrollo del sitio relacionados con el régimen hidrológico incluyen la gradación para asegurar el flujo del agua (pendientes de 0.0001 a 0.01), la instalación de una placa impermeable en donde no se presente naturalmente, la creación de bermas de confinamiento y la construcción de un dispositivo para regular o restringir la corriente hacia afuera. Los humedales artificiales deben tener geometrías irregulares y propiedades no uniformes para promover la complementación de múltiples funciones, incluyendo el mantenimiento de la biodiversidad. También es importante planear una capacidad adecuada para la acumulación de sedimentos introducidos. Frecuentemente es útil tener múltiples celdas de humedales o unidades con diferentes vías de flujo. Esta variedad puede ayudar al humedal a cumplir diversas funciones así como a promover la biodiversidad de plantas y animales. INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC c08.indd 331 Hechos reales de los humedales http://www.epa.gov/owow/wetlands ALFAOMEGA 8/30/11 2:57:28 PM 332 Capítulo 8 Calidad del agua Tabla / 8.4 Lineamientos de selección de sitio para un humedal creado Los humedales creados deben tener: Esto significa que el sitio debe: Función • Tener una provisión de agua adecuada y confiable. • Tener tierras que sean hídricas o hidrológicamente modificadas. • Tener áreas de tierras altas asociadas para funcionar como tope del humedal. Armonía • Haber tenido humedales previamente. • Estar conectado con humedales existentes. • Estar distante de usos de suelo incompatibles. • Estar cerca de un área de vida silvestre de relevancia. • No dañar otras áreas ecológicas relevantes. Beneficio • Estar cerca de áreas de prioridad designadas como las tierras de manejo público o preservas. • Mejorar la biodiversidad, recreación externa y/o valor científico. FUENTE: Adaptado de ELI, 2002. 8.5 Desarrollo de bajo impacto .mx/h ua ega.c ttp om om l.alfa Al igual que con la delineación de humedales, la inspección de la vegetación puede utilizarse para calibrar el éxito de los humedales creados. Debido a que la vegetación de humedales y su funcionamiento hidrológico no puede establecerse de inmediato, el monitoreo después de la creación debe mantenerse en un tiempo apropiado. Un periodo de monitoreo de cinco a diez años es recomendado por el Cuerpo de Ingenieros del Ejército. : / /v i r t ALFAOMEGA c08.indd 332 Desarrollo de bajo impacto Un problema más grande del medio ambiente construido es el impacto de las superficies no permeables en el ciclo hidrológico natural y la calidad del agua. La figura 8.10 muestra cómo el cubrir las superficies naturales con edificios, techos, carreteras y estacionamientos reduce la cantidad de precipitación que se infiltra hacia las aguas subterráneas. En los sistemas naturales, aproximadamente 50% de la precipitación se recarga hacia la subsuperficie, pero en un medio ambiente altamente urbanizado, ésta se declina a 15% y sólo 5% alcanza las aguas subterráneas. El impacto de la urbanización en la escorrentía también afecta la capacidad de una ciudad para almacenar agua fresca. Por ejemplo, en las áreas costeras urbanizadas, la precipitación que se vuelve escorrentía viajará rápidamente hacia el agua de mar salina, en donde se vuelve intensa de energía y cara para tratar para los estándares de agua para beber o de agricultura. Este problema es significativo, ya que 21 de las 33 megaciudades del mundo están ubicadas en áreas costeras, y la densidad de población promedio en las áreas costeras es del doble del promedio global. La promoción de la recarga de aguas subterráneas al preferir superficies permeables debe, por lo tanto, considerarse como un método para almacenar agua fresca para ser usada después por los ecosistemas y por los humanos. Esto es especialmente importante debido a que las aguas subterráneas hacen más de 30% de la reserva mundial de aguas frescas. INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC 8/30/11 2:57:29 PM 8.5 Desarrollo de bajo impacto 40% de evapotranspiración 38% de evapotranspiración 10% de escorrentía 25% de infiltración de calibre 20% de escorrentía 25% de infiltración de profundidad Cubierta de tierra natural 21% de infiltración de calibre 10%-20% de superficie impermeable 35% de evapotranspiración 30% de evapotranspiración 30% de escorrentía 20% de infiltración de calibre 21 % de infiltración de profundidad 55% de escorrentía 15% de infiltración de profundidad 35%-50% de superficie impermeable 10% de infiltración de calibre 333 Figura 8.10 Cómo las superficies no permeables asociadas con el medio ambiente construido cambian los ciclos hidrológicos naturales Al tiempo que la cubierta de tierra natural es removida y reemplazada con superficies no permeables como edificios, carreteras y estacionamientos, existe una escorrentía incrementada y una significativamente menor recarga de aguas subterráneas. También, la evapotranspiración se reduce en un área con grandes cantidades de cubiertas no permeables. El proceso de evapotranspiración resulta en un proceso de enfriamiento (muy parecido a como la piel se enfría cuando suda), lo cual niega el impacto de la isla de calor urbano. EPA (2000). 5% de infiltración de profundidad 75%-100% de superficie impermeable Debido a los problemas de agua asociados con las superficies no permeables, la fase II del Sistema Nacional de Eliminación de Descargas de Contaminantes (NPDES) requiere a los pequeños municipios con sistemas de alcantarillados separados (llamados MS4) que direccionen la escorrentía del agua pluvial de su sitio con el uso recomendado de las prácticas de mejor manejo (BMP) estructuradas. Ejemplos de BMP relacionadas con este reglamento son los surcos de hierba, pavimentos permeables y celdas de bioretención (EPA, 2000). Afortunadamente, las BMP con facilidad se integran en un desarrollo nuevo o existente, aun a nivel de hogar. El manejo tradicional de aguas pluviales utiliza depósitos y tuberías de captura de hormigón que transportan las aguas pluviales hacia un depósito de detención más grande, en donde el agua es descargada por un orificio o tubería de descarga en un rango pico específico. Esta técnica tradicional está hecha únicamente para reducir el rango pico de flujo. El desarrollo de bajo impacto imita la hidrología natural que existía antes de que se diera el desarrollo. No sólo reduce el rango pico de flujo, sino que también considera el tiempo de la descarga fuera del sitio así como la retención de aguas de lluvia. También integra los principios de biodiversidad, espacios verdes, almacenamiento de agua, recarga de aguas subterráneas y mejoras en la calidad del agua dentro de todo el plan. La tabla 8.5 compara las filosofías del manejo de aguas pluviales tradicional con el desarrollo de bajo impacto. Básicos de aguas Fluviales http://cfpub.epa.gov/npdes/ stormwater/swbasicinfo.cfm 8.5.1 AZOTEAS VERDES La escorrentía de las azoteas puede ser un contribuyente sustancial para los sistemas de alcantarillado municipales. Para dar una idea de la extensión INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC c08.indd 333 ALFAOMEGA 8/30/11 2:57:29 PM 334 Capítulo 8 Calidad del agua Tabla / 8.5 Comparación de filosofías de manejo de aguas pluviales Los planos de sitio típicamente integrarán el uso de diversas prácticas de mejor manejo (BMP) como jardines de lluvia, pavimento permeable (adoquines y grava), azoteas verdes, bioswales (riachuelos urbanos) y aun camas de grava del subsuelo para la detención de aguas pluviales. Manejo tradicional Desarrollo de bajo impacto Depósitos y tuberías de hormigón Cunetas Depósito de detención cortado Depósito plantado como en las celdas de bioretención Estanque de detención central grande Áreas de detención pequeñas y distribuidas Rango de escorrentía Volumen y rango de escorrentía La inundación es la preocupación principal La calidad del agua y la inundación son las preocupaciones principales El tiempo de concentración se reduce significativamente El tiempo de concentración se mantiene o se extiende La escorrentía tiene nutrientes, partículas suspendidas y materiales peligrosos Los constituyentes de la escorrentía tratados por la gravedad, filtración, absorción e interacción con los microorganismos y la vegetación. FUENTE: Ward, 2007. de las áreas de azotea urbanas, el área de azoteas calculada en el área metropolitana de Chicago es de 680 km2, y en ciudades como Phoenix, Seattle y Birmingham se estima que las azoteas residenciales conectadas contabilizan 30 a 35 por ciento del volumen anual de escorrentía. Comparado con los techos de asfalto y de metal, las azoteas verdes proporcionan muchos beneficios privados y públicos enlistados en la tabla 8.6. Algunos de estos beneficios incluyen el manejo mejorado de las aguas pluviales, la reducción en los costos de energía de construcción, el incremento de los espacios verdes y el hábitat y la reducción en la isla de calor urbana. Existen tres tipos de azoteas verdes: 1. Azoteas verdes intensivas que tienen una capa de tierra más delgada (150-400 mm) y pesan más, por lo que requieren más soporte estructural. Trabajan bien con los techos de concreto existentes (por ejemplo, las plataformas de estacionamiento). 2. Azoteas verdes extensivas que tienen una capa de tierra más delgada (60-200 mm), por lo que requieren menos soporte estructural. 3. Las azoteas verdes semiintensivas tienen algunos componentes de los sistemas de azoteas intensivas y extensivas. La tabla 8.7 resume el criterio de diseño y mantenimiento para cada tipo de azotea verde. La vegetación nativa siempre es la alternativa de preferencia. Ya sea que las plantas sean o no nativas juegan un papel importante en la determinación del grado de mantenimiento e irrigación. Las azoteas verdes intensivas son las más cuidadas con una gran cantidad de cobertura de mantillo y vegetación sedum, implementando la necesidad de deshierbar regularmente a través de la vida de la azotea. Las azoteas verdes intensivas suelen incorporar vegetación más nativa. ALFAOMEGA c08.indd 334 INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC 8/30/11 2:57:29 PM 8.5 Desarrollo de bajo impacto 335 Tabla / 8.6 Beneficios privados y públicos de las azoteas verdes Beneficio Descripción Mayor vida del techo La esperanza de vida de un techo plano “desnudo” es de 15 a 25 años debido a las altas temperaturas de superficie y la degradación debido a la radiación UV. Las azoteas verdes incrementan la vida del techo al moderar estos impactos. Reducción en los niveles de ruido El sonido se refleja en hasta 3 dB, y el aislamiento del ruido se mejora en hasta 8 db. Aislamiento térmico Proporciona aislamiento adicional, lo que reduce los costos de calentamiento y enfriamiento. Protector de calor La transpiración durante la temporada de crecimiento resulta en un clima más frío en el edificio. Uso de espacio Puede ser incorporado en espacios personales, comerciales y públicos. Hábitat Proporciona un hábitat para especies de plantas y animales. Retención de aguas fluviales La escorrentía puede reducirse hasta en 50-90%, especialmente importante durante los eventos de precipitación pico Isla de calor urbano La transpiración resulta en superficies de techo más frías, lo que reduce la contribución del edificio al calentamiento del medio ambiente de la construcción local. FUENTE: Información cortesía de la International Green Roof Association, Berlín. Tabla / 8.7 Criterio de diseño y mantenimiento para los tipos de azoteas verdes Cada una tiene diferentes características en términos de la profundidad de lo plantado y los requerimientos de carga estructural. Altura del sistema de acumulación Peso Azotea verde extensiva 60–200 mm Azotea verde semiintensiva 120–250 mm Azotea verde intensiva 150–400 mm En cocheras subterráneas ⬎ 1 000 mm Costo Uso posible 60–150 kg/m 13–30 lb./pie2 Bajo Capa de protección ecológica 120–200 kg/m2 25–40 lb./pie2 Medio 180–500 kg/m2 35–100 lb./pie2 Alto 2 Azoteas verdes diseñadas Jardín parecido a un parque FUENTE: Información cortesía de la International Green Roof Association, Berlín. La azotea verde del edificio del ayuntamiento de Chicago está plantada de vegetación nativa de pradera. La vegetación nativa puede crecer más densamente (por lo que no requiere mucho mantillo) y replica más certeramente un ecosistema nativo. El uso de especies nativas en el diseño de una azotea verde intensiva requiere deshierbe pesado de especies invasoras durante los primeros 2 a 3 años pero se requiere de poco mantenimiento después de este periodo inicial. En contraste, una azotea verde extensiva cuidada y plantada INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC c08.indd 335 Azoteas verdes de Chicago www.chicagogreenroofs.org/ ALFAOMEGA 8/30/11 2:57:29 PM 336 Capítulo 8 Calidad del agua con sedum requerirá mantenimiento durante toda su vida. La vegetación nativa también soporta mejor la variación climática que las especies ornamentadas e introducidas. Esto implica una menor necesidad de irrigación en una azotea verde plantada con especies nativas. Advierta que las necesidades de irrigación y la relación con el tipo de vegetación dependerán de la profundidad de la tierra. Por ejemplo, los requerimientos de irrigación para una planta no nativa suculenta podrían igualar a los de la vegetación nativa en la tierra poco profunda de una azotea verde. Esto se debe a que la ventaja en la profundidad de las raíces de algunas plantas nativas se reduce en las capas de tierra poco profundas de las azoteas verdes. La figura 8.11 muestra los componentes de una azotea verde típica. Tal azotea consiste en un sistema multicapas que se sitúa por arriba de los techos de cubierta y proporciona protección al agua y las raíces (incisos 3-7 en la figura 8.11). Estas capas se sitúan debajo de un sistema de drenaje (inciso 9). Encima de la capa de drenaje hay un poco de material creciente (como la tierra), el cual es plantado (incisos 11 y 12, respectivamente). El volumen del agua que una azotea verde puede almacenar después de un evento de lluvia (V) se determina como (8.8) V = P * A * C en donde P es la precipitación (mm), A es el área de la azotea y C es una medida de la capacidad de almacenamiento de agua del medio creciente (varía de 0 a 1). Este volumen de agua almacenada puede compararse con el volumen de agua pluvial generado por un techo convencional (P × A). 10 9 8 7 6 4 11 5 12 3 2 1 1. Vigueta de acero 2. Cubierta de techo de metal 3. Espuma aislante R-30 de 5 pulgadas 4. Tabla de protección de yeso de ½ pulgada 5. Membrana de 75 mil de monómero de etileno propileno dieno (EPDM) 6. Tabla de protección de espuma de ½ pulgada 7. Barrera de raíces de 40 mil de polietileno de alta densidad (HDPE) 8. Tela de protección 9. Capa de drenaje de 1 pulgada 10. Filtros de tela 11. Medio creciente de peso ligero de 3-9 pulgadas 12. Características de piedras, sedum, perennes nativas y arbustos Figura 8.11 Componentes de una azotea verde Esta azotea en particular utiliza una combinación de áreas de plantación extensivas (3-4 pulg de tierra) e intensiva (4-9 pulg de tierra). Redujo el área de las superficies no permeables (3 626 pie2), requirió un soporte de ingeniería de 62 lb/pie2 y costó $31.80 dólares/pie2 en 2005. Cortesía de Wetlands Studies and Solutions, Inc., Gainesville, Va. ALFAOMEGA c08.indd 336 INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC 9/13/11 6:31:19 PM 8.5 Desarrollo de bajo impacto 337 8.5.2 PAVIMENTOS PERMEABLES (O POROSOS) El pavimento permeable (o poroso) es el pavimento que permite el pasaje vertical del agua. Este pavimento no sólo reduce la escorrentía al mejorar la recarga de aguas subterráneas, sino que también reduce la isla de calor urbano. Los pavimentos permeables también se consideran como más resistentes al antideslizamiento y más silenciosos que los pavimentos convencionales. También eliminan la necesidad de algunos sistemas de drenaje (igual que otros BMP). El pavimento permeable se puede construir con pasto, grava, piedra triturada, adoquines de concreto, concreto y asfalto (vea la tabla 8.8). El pavimento poroso puede ser tan simple como las superficies de pasto y los adoquines de enclavamiento que permiten el crecimiento de la vegetación entre los bordes. Las piedras de pavimentación también pueden ponerse entre los árboles debido a que no dañarán los sistemas de raíces como lo hace el pavimento tradicional. También puede referirse a un sistema multicapas que incluye un curso permeable de piedras de pavimentación (o grava) en la superficie, una sub-base de arena compactada inmediatamente por debajo de la cubierta permeable, una fibra de tela y una base compactada en el fondo. En las situaciones en las que el endurecimiento del material de pavimentación es una preocupación, el pavimento permeable puede mezclarse con el pavimento tradicional. En este escenario, las áreas de estacionamiento y las zonas peatonales son especificadas como pavimento poroso, y los materiales de pavimentación tradicionales se usan en áreas de uso limitado en donde se traen cargas pesadas (por ejemplo, paso de camiones hacia muelles de carga). En este caso, las marcas o señalamientos de pavimentaciones pueden guiar a los camiones de entregas más grandes para que permanezcan fuera del pavimento poroso que rodea al pavimento tradicional. El concreto permeable consiste de diversos materiales de concreto convencionales con la limitación del agregado grueso en su rango de tamaños, y con la mínima o carencia de presencia de agregados finos (PCA, 2004). El asfalto poroso es algunas veces referido como agregado grueso de clasificación abierta, aglomerado con cemento de asfalto, con suficientes huecos interconectados como para hacerlo permeable al agua (EPA, 1999). Tabla / 8.8 Ejemplos de pavimento permeable (poroso) Pavimento permeable (poroso) Ejemplos Pasto Excelente opción para situaciones en las cuales es necesario en estacionamientos comerciales durante los meses de invierno cuando la cubierta del suelo se congela o sólo se necesita varias veces al año (por ejemplo, las afueras de un estadio de fútbol o en la orilla de las grandes tiendas) Grava o piedra triturada Común en muchas carreteras y caminos Adoquín hueco Consiste de grava lavada, red plástica y filtros de tela; tiene un rango de infiltración y remueve los sedimentos Adoquín Rangos altos de infiltración y filtración de sedimentos; fácil de colocar y mantener. Concreto poroso o asfalto Para concreto poroso, cemento y agua con muy poca a nada de arena o agregado; alta permeabilidad (15-25% de vacíos, rangos de flujo alrededor de las 480 pulg en la profundidad del agua por hora); filtra sedimentos; fácil de arar y mantener. INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC c08.indd 337 ALFAOMEGA 8/30/11 2:57:30 PM 338 Capítulo 8 Calidad del agua 8.5.3 CELDAS DE BIORETENCIÓN Las celdas de bioretención son depresiones poco profundas en la tierra hacia la que el agua pluvial se dirige para su almacenamiento y para maximizar su infiltración. Algunas veces son referidas como celdas de bioinfiltración, biofiltros vegetados y jardines de lluvia. Son más comúnmente mantilladas (por valor estético y de tratamiento de aguas) y plantadas con vegetación nativa que promueve la evapotranspiración. El objetivo de diseño para maximizar la infiltración reducirá el volumen del agua que necesita ser almacenada y/o tratada (de ahí el nombre de celda de bioinfiltración). La figura 8.12 muestra el diseño detallado de una celda de bioretención. Incluye el uso de un relleno de agregado sustancial de drenaje del subsuelo y un revestimiento de geotextil. Las celdas de bioretención con frecuencia se incorporan entre las calles para atrapar la escorrentía del camino, lo que requiere la inclusión de un corte de bordillo. Un aspecto noble es que se pueden diseñar para incorporar una amplia variedad de usos, desde la alta infiltración hasta el pretratamiento de la escorrentía urbana y la eliminación del nitrógeno (vea la figura 8.13 para ejemplos). También pueden ser hechas a la medida e instaladas por los dueños de casas (WDNR, 2003). Al tiempo que la cubierta vegetativa crece, se espera que las celdas de bioretención tengan capacidad incrementada para aceptar el agua al tiempo que la red de raíces de las plantas evoluciona e incrementa la transpiración. En contraste con los campos de drenaje de tanques sépticos, en donde los tapetes microbianos pueden desarrollarse debido a cargas orgánicas y de nutrientes relativamente altas, ningún estudio ha encontrado pérdida en el desarrollo de infiltración en las celdas de bioretención. De ser necesario, la tierra puede ser aflojada cuidadosamente (y aereada) para restaurar la capacidad infiltrativa y romper el tapete microbiano que pudiera desarrollarse en el plano superior horizontal de la celda en donde entra el agua. Área de bioretención Cortes del bordillo Espaciado como se indica en el plan de nivelación Bordillo Estructura de entrada de la colmena Capa de mantilla de 5 pulg Tipo de bordillo y de corte Vertedera de escollero de 2 yd2 en el corte del bordillo Cortes del bordillo; vea detalles en esta hoja, la ubicación según se indica en el plan de nivelación Mín 3” Nivel hacia el estacionamiento para dirigir la escorrentía hacia los cortes de bordillo Almacenamiento libre de 6” 36” tipo Vea calendario de vegetación para plantar y/o sembrar Tierra modificada consistente de 10% de arena, 10% de capa superficial de tierra y 80% de composta de hojas Tierra modificada 12” tipo Piedra triturada Filtros de tela textil no tejida Arena clase 2-A descompactada HDPE perforada de 4” bajo la capa final del drenaje Figura 8.12 Diseño típico de una celda de bioretención comercial Advierta la ubicación de las tierras modificadas, drenajes de subsuelo, estructuras de salida, vegetación y protección de entradas. Estos tipos de celdas de bioretención generalmente incluyen el uso de un drenaje de subsuelo, relleno sustancial de agregado o revestimiento geotextil. Cortesía de Spicer Group, Inc., Saginaw, Mich. Detalle desarrollado en 2006. ALFAOMEGA c08.indd 338 INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC 8/30/11 2:57:30 PM 8.5 Desarrollo de bajo impacto Un mito común es que las celdas de bioretención atraen a los mosquitos. Los mosquitos requieren de 7 a 12 días para poner y después eclosionar sus huevos. El agua que se mantiene en una celda de bioretención apropiadamente diseñada estará presente durante sólo algunas horas después de un evento de lluvia. También, las plantas atraerán a las libélulas, las cuales hacen presas a los mosquitos. DISEÑO Y CONCEPTO DEL PRIMER RAUDAL DE AGUA Muchos estados ahora recomiendan o requieren que el primer raudal de agua de un evento de tormenta sea capturado y tratado. A las celdas de bioretención se les puede dar tamaño con base en el concepto del primer raudal de agua. El primer raudal de agua se define como la primer 0.5 a 1 pulgada de escorrentía asociada con un evento de lluvia y se calcula sobre el área no permeable total de un sitio. a) Esta celda de bioretención facilita la alta recarga de aguas subterráneas. Aquí se recomienda que las tierras in situ tengan velocidades de infiltración de al menos 1 pulg/h y una profundidad de por lo menos 2.5 L para una filtración adecuada. b) Esta celda de bioretención facilita la alta filtración y la recarga parcial de escorrentía. La ubicación del drenaje del subsuelo asegura una tasa deseada de drenaje. Otra vez, la profundidad es de al menos 2.5 pies. Figura 8.13 Celdas de bioretención diseñadas para diferentes propósitos De arriba hacia abajo: a) instalación de infiltración y recarga para la infiltración mejorada; b) instalación de filtración y recarga parcial; c) instalación de infiltración, filtración y recarga y, d) celda de bioretención sólo de filtración. Copiado de The Bioretention Manual, desarrollado por el gobierno del condado de Prince George, Md., 2006. Ninguna tela de forro o geotextil permite que las tierras in situ se infiltren a su máxima capacidad Las tierras in situ deben tener una alta porosidad para permitir que la escorrentía se infiltre a una velocidad más grande que 1 pulg/h Coloque el filtro de tela únicamente sobre la cama de grava en la vecindad de la tubería del drenaje del subsuelo Tubería de descarga del drenaje del subsuelo c) Esta celda de bioretención está diseñada para manejar mayores cargas de nutrientes al facilitar una zona fluctuante aeróbica/anaeróbica en la capa debajo del drenaje del subsuelo. El área debajo del drenaje del subsuelo también proporciona un área de almacenamiento y una zona de recarga. d ) Esta celda de bioretención está diseñada para el pretratamiento de aguas altamente contaminadas antes de la descarga en la tubería de salida. El forro previene la contaminación de las aguas subterráneas. INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC c08.indd 339 339 El área de cama de grava debe usarse para lograr diversas funciones cuando la elevación de la descarga de la tubería del drenaje del subsuelo se hace más alta Al nivelar la tubería del drenaje del subsuelo, esta clase de instalaciones pueden ser usadas para capturar derrames accidentales y para contener el nivel de contaminación El medio de tierra consistente de 50-60% de arena, 20-30% de capa superior del suelo y 20-30% de compuesto de hojas permite una alta capacidad de infiltración La cama de grava alrededor del drenaje del subsuelo ayuda a mantener el drenaje libre de posible transportación de tierra Tubería de descarga No se utiliza ningún filtro de tela en las paredes laterales o en lo inverso de las instalaciones Un forro entre las tierras in situ y los medios de tierras para plantar evita que el efluente penetre el suelo y reduce la probabilidad de contaminación de aguas subterráneas ALFAOMEGA 8/30/11 2:57:30 PM 340 Capítulo 8 Calidad del agua En un hogar residencial en donde un patio tiene pendiente hacia la celda de bioretención, el área no permeable (por ejemplo, el techo) se incrementaría por el área del patio que está drenando hacia la celda de bioretención. La razón para incluir el área del patio que drena hacia la celda es que existe una mala concepción de que los patios residenciales constituyen un espacio verde de alta infiltración. De hecho, los efectos de la compactación de tierra durante el desarrollo son sustanciales, esto es por lo que la alteración de las tierras debe ser minimizado durante cualquier desarrollo de tierra. Por razones similares a la compactación de tierras, nunca debe viajar equipo pesado a través de la celda durante la construcción. Debido a que los climas varían entre los estados, algunos estados tienen lineamientos en términos de la liberación del primer raudal de agua. Por ejemplo, en Michigan, este volumen de agua debe ser liberado durante un periodo de 1-2 días o infiltrado hacia el suelo dentro de 3 días. Para las aplicaciones de detención regional, Michigan sugiere el tratamiento de 90% de tormenta no excedente (el evento de tormenta para el que 90% de todas las tormentas que producen escorrentías son más pequeñas o iguales a la tormenta especificada) (Ward, 2007). Los sistemas de bioretención obtienen su tamaño con base en varios métodos diferentes, incluyendo el método manual del condado de Prince George, el método de frecuencia de escorrentía y el método racional. Los programas modeladores como EPA SWMM, WIN-TR-55, HEC-HMS e HydroCad son aplicables para el modelaje del agua pluvial en el pequeño sitio en escala regional. Estas herramientas tienen limitaciones en términos de simular mecanismos hidrológicos específicos en bioretención a la escala del sitio, pero los usuarios conocedores los han aplicado para desarrollar diseños conservativos. Dos buenos ejemplos de modelos ampliamente usados son el módulo BMP del condado de Prince George (Maryland) y RECARGA (de la Universidad de Wisconsin-Madison). Las celdas de bioretención también se pueden diseñar con base en el primer raudal de agua y dependiendo si el agua es almacenada por debajo o por encima del grado. Dar tamaño a la celda con base en el almacenamiento por grado abajo requerirá un estimado de la porosidad de la celda. Dar tamaño a la celda con base en el volumen del agua que puede ser almacenada por grado abajo requiere un entendimiento de qué tan profundo debe ser el nivel del agua para que sobrevivan las especies de plantas durante un periodo corto, junto con la cuenta del volumen de grado por encima con el que cuentan las plantas. Para calcular el volumen de una celda de bioretención requerido para almacenar el primer raudal de agua por grado abajo, determine el volumen de agua pluvial generada en un sitio: volumen de agua = primer raudal de agua * área no permeable de lluvia a almacenar (8.9) En la ecuación 8.9, el primer raudal de agua es de 0.5 a 1.0 pulgadas de agua pluvial generadas durante un evento de precipitación, y el área no permeable incluye el área que es drenada hacia la celda. El volumen máximo de la celda de bioretención grado abajo puede determinarse como sigue: volumen de la celda volumen del agua de lluvia a almacenar = de bioretención porosidad del suelo ALFAOMEGA c08.indd 340 (8.10) INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC 8/30/11 2:57:30 PM 8.5 Desarrollo de bajo impacto 341 La porosidad se define como n = volumen del espacio hueco volumen total = Vv Vt (8.11) La ecuación 8.10 supone que la porosidad de la tierra está saturada con precipitación asociada con el primer raudal de agua. Debido a que la porosidad de la tierra tiene unidades de huecos de volumen divididos entre el volumen total, el área de la celda de bioretención puede escribirse como: A = volumen de la celda de bioretención profundidad (8.12) en donde la profundidad grado abajo es típicamente de 3 a 8 pulgadas. Cuando se diseña una celda de bioretención para almacenar agua grado arriba, el diseñador debe considerar el volumen de agua generado por las superficies no permeables y la profundidad que puede sumergir una porción de la vegetación plantada durante un corto tiempo, junto con el volumen grado arriba ocupado por las plantas. El volumen requerido grado arriba para que la celda de bioretención almacene el primer raudal de agua del evento de precipitación es volumen total requerido grado arriba J para la celda de bioretención K volumen volumen de agua de tomado + = J lluvia a K J por la K almacenar vegetación (8.13) En la ecuación 8.13, el volumen de agua pluvial asociado con el primer raudal de agua que necesitará almacenarse se determina en la ecuación 8.9. El volumen grado arriba tomado por la vegetación es profundidad permisible área número en la que la planta transversal de V = * ≥ del tallo de ¥ * ≥ puede sumergirse ¥ J plantas K para una corta duración la planta (8.14) Con la información proporcionada por la ecuación 8.14, el volumen total requerido grado arriba para la celda de bioretención puede determinarse en la ecuación 8.13. Este volumen puede dividirse entre la profundidad permisible específica vegetativa en la que una planta puede sumergirse durante un corto tiempo (variable en la ecuación 8.14) para determinar el área requerida. Esta área puede estar restringida por las limitaciones del sitio. También, los pavimentos permeables pueden usarse para reducir el volumen del primer raudal de agua que se genera. Puede diseñar y construir fácilmente un jardín de lluvia para su hogar. Una celda de bioretención residencial, como las comerciales, generalmente tiene una profundidad de 4 a 8 pulgadas. El área de una celda de bioretención residencial que trata la escorrentía de un techo de un dueño de casa típicamente tiene un rango de 100 a 300 pies2. En todos los casos, las celdas de bioretención (especialmente aquellas sin un drenaje de sobreflujo) están graduadas para que cuando tengan escorrentía, el agua fluya lejos de los edificios. Los sistemas de bioretención de los estacionamientos entre las filas de aparcamiento algunas veces tienen una pendiente más profunda, INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC c08.indd 341 Manual de jardín de lluvia residencial http://cee.eng.usf.edu/peacecorps ALFAOMEGA 9/13/11 6:33:44 PM 342 Capítulo 8 Calidad del agua Tabla / 8.9 Factores de tamaño para dar tamaño a las celdas de bioretención residenciales Profundidad de la celda Tipo de suelo 3–5 pulg 6–7 pulg 8 pulg Suelo arenoso 0.19 0.15 0.08 Suelo limoso 0.34 0.25 0.16 Suelo arcilloso 0.43 0.32 0.20 pero el nivel de tal salida reflejaría los requerimientos específicos de inundación de las plantas y/o reflejaría el volumen capturado deseado (por ejemplo, un diseño de primer raudal de agua o un diseño 90% no excedente). A las celdas de bioretención residenciales se les puede dar tamaño con base en el entendimiento de la profundidad especificada de la celda (con base en las tolerancias de inundación de la vegetación) junto con el conocimiento del tipo de suelo. En este caso, el área de la celda se determina como sigue: área de la celda de = área no permeable * tamaño del factor (8.15) residencial K J bioretención El tamaño del factor está relacionado con la porosidad del suelo y su capacidad para infiltrar agua pluvial. La tabla 8.9 proporciona tamaño de factores para celdas de bioretención residencial como una función de profundidad de celda y tipo de suelo. FUENTE: WDNR, 2003. 8.5.4 BIOSWALES (RIACHUELOS URBANOS) Y OTRAS TÉCNICAS DE USO DE SUELO Discusión en clase ¿Cómo podría su clase manejar el agua pluvial generada en el techo del edificio del salón de clases y un área pavimentada externa? ¿A dónde se va actualmente el agua pluvial? ¿Cómo maximizaría el beneficio del desarrollo de bajo impacto tomando en cuenta el movimiento de estudiantes, facultad, profesionales, servicios, agua y biodiversidad? ¿Cómo diseñaría un sistema que utilice lo menos de energía y materiales? ¿Qué beneficios económicos, sociales y ambientales se preservarían para futuras generaciones? ALFAOMEGA c08.indd 342 Los bioswales (riachuelos urbanos) (también referidos como swales de pasto o trincheras de infiltración) son canales de transporte ingenieriles que consisten de vegetación nativa. No están delineados con un material como el concreto. Para el ojo no entrenado, un bioswale parecerá como un canal pastoso con una cresta de tierra más alta situada en cualquier lado del canal, probablemente plantado con árboles o arbustos. Los bioswales están diseñados con la mayor ruta de transporte en la mente. Por lo tanto, a medida que el agua fluye a través del bioswale, transpira a través de las plantas o se infiltra a través de la tierra. Un canal de transportación serpenteante ayuda a la infiltración. Cuando es imposible una vía de flujo serpenteante, las presas de control de roca porosa pueden usarse en intervalos entre los bioswales para filtración adicional y reducción en el rango de escorrentía. Los bioswales usualmente son instalados a lo largo de las carreteras o entre las filas de un estacionamiento. Tienen paredes en pendiente y también tienen pendientes a lo largo del camino de transportación. Cuando se sitúan a lo largo de las carreteras, algunas veces los bordillos son totalmente removidos. (Para tomar un paseo virtual de los bioswales, revise el proyecto de SEAStreets de Seattle en www2.cityofseattle.net/util/tours/seastreet/slide1.htm). Otra forma de reducir el impacto de las cubiertas no permeables es la de retener la vegetación natural y preservar los humedales. Como se mencionó previamente, la cubierta de pasto es un pavimento permeable, especialmente en las aplicaciones en donde el espacio es necesario para los meses de invierno (como es el caso de la temporada de compras navideñas), cuando se congela el piso, o cuando se necesita con frecuencia (por ejemplo, eventos deportivos y ferias alrededor). Las áreas de espacios verdes también pueden ser preservadas para proporcionar el almacenamiento de inundaciones estacionales. Aquí el espacio verde puede inundarse durante los eventos estacionales de fuertes lluvias o después del derretimiento de nieve. Durante estos tiempos, el espacio también proporcionará hábitat para la vida silvestre y la recreación tal como la observación de los pájaros. Cuando el espacio se seca más adelante en el verano y el otoño, puede utilizarse como espacio verde recreacional. 8.5.5 SELECCIÓN DE VEGETACIÓN Las plantas nativas siempre son preferidas por sobre las plantas no nativas, debido a su adaptación a las tendencias climáticas regionales. Por ejemplo, en INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC 8/30/11 2:57:31 PM 8.6 Calidad de las aguas subterráneas 343 Figura 8.14 Sistemas de raíz de plantas de pradera Este dibujo demuestra la longitud proporcional del césped (mostrado en la orilla izquierda con poca profundidad de raíz) y varias plantas de pradera nativas. Las raíces más grandes mostradas son de 15 pies de largo. Heidi Natura, Living Habitats © 1995. las celdas de bioretención del Medio Oeste, las especies de praderas mésicas son preferidas por sobre otras especies de plantas. (Mésico es la designación para un nivel de sequía de un ecosistema; cae en la mitad de mojado y seco.) Para otras regiones de Estados Unidos, el Jardín Botánico de Brooklyn proporciona listas de inicio de plantas para las celdas de bioretención (BBG, 2007). La selección de plantas es crítica para cualquier sistema de ingeniería basado en las plantas. Se deberá consultar a un profesional experimentado en plantas, y se deberán usar plantas nativas siempre que sea posible. No sólo las plantas nativas incrementan la biodiversidad, sino que se adaptan a las tendencias climáticas regionales y requieren menor irrigación y manutención a largo término. Al seleccionar plantas nativas, es importante considerar la profundidad de la raíz de la planta. La figura 8.14 visualmente muestra la profundidad de raíz proporcional de una variedad de especies de pradera nativas en relación con el césped, el cual es común en los medio ambientes urbanos y penetra sólo unas cuantas pulgadas. En comparación, las raíces más grandes en la figure 8.14 se extienden hacia abajo 15 pies. Las raíces grandes y las masas de raíces grandes le dan capacidad a las plantas para ubicar el agua en periodos de sequía y pueden servir como conductos para transferir oxígeno hacia la subsuperficie. 8.6 Calidad de las aguas subterráneas Durante muchos años, la premisa que prevaleció fue que los contaminantes liberados en la subsuperficie serían limpiados por materiales acuíferos o diluidos en el agua acuífera. Sin embargo, un amplio rango de sustancias tóxicas, incluyendo químicos orgánicos sintéticos, trazas metálicas y microorganismos patógenos, se han detectado a niveles potencialmente dañinos en el agua subterránea, y ha crecido la preocupación en cuanto a la contaminación de la subsuperficie. 8.6.1 FUENTES Y CARACTERÍSTICAS DE LOS CONTAMINANTES DE LAS AGUAS SUBTERRÁNEAS Los contaminantes de las aguas subterráneas se originan de una amplia variedad de fuentes naturales y antropogénicas. La tabla 8.10 enlista fuentes de contaminación, las cuales exhiben diferentes características de área y de temporada. Por ejemplo, los patógenos liberados de un tanque séptico INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC c08.indd 343 ALFAOMEGA 8/30/11 2:57:31 PM 344 Capítulo 8 Calidad del agua Tabla / 8.10 Fuentes seleccionadas de contaminación de aguas subterráneas Tanques sépticos Fuga de tanques de almacenamiento subterráneo Actividades de agricultura Actividades industriales Rellenos sanitarios: doméstico y peligroso Actividades mineras Crisis global del arsénico http://www.who.int/topics/arsenic/en/ Tanques de almacenamiento subterráneo en su área http://www.epa.gov/OUST/wheruliv.htm Derrames químicos Extracción de petróleo Disposición inapropiada de desperdicio peligroso Cuidado del césped doméstico pueden originarse en un área pequeña, mientras que las aplicaciones de pesticidas pueden involucrar más de 1 000 km2. Las liberaciones de contaminantes pueden suceder en un lapso corto, como las asociadas con un vertido químico sencillo, esencialmente instantáneo, o en un lapso más grande (incluso décadas) como la fuga de desperdicios químicos mal almacenados. El conocimiento de la extensión de área y de temporada de la liberación de un químico es requerido en el diseño de los planes de remediación y las medidas preventivas. Los contaminantes del agua subterránea incluyen químicos inorgánicos patógenos de ocurrencia natural (por ejemplo, arsénico), radionucleidos (por ejemplo, uranio) y químicos inorgánicos antropogénicos (por ejemplo, nitratos y metales) y orgánicos (pesticidas, solventes y productos petroleros). Los patógenos se originan usualmente de tanques sépticos diseñados o mantenidos inapropiadamente. La contaminación por radionucleidos, aunque algunas veces se asocia con la composición mineral de materiales acuíferos, se asocia con más frecuencia con las instalaciones de procesos nucleares. Los nutrientes (por ejemplo, nitrato) y los pesticidas se asocian con actividades de agricultura y de cuidado del césped. Los químicos orgánicos pueden originarse de derrames químicos, disposición inapropiada de desperdicios peligrosos, fuga de tanques de almacenamiento subterráneo y actividades industriales. Los líquidos de fase no acuosa (NAPL) son una clase especializada de contaminantes orgánicos que no se mezclan fácilmente con el agua (el significado de no acuoso). Después de que los NAPL son liberados en un acuífero, permanecen más o menos separados de las aguas subterráneas. Los NAPL más ligeros que el agua como la gasolina, tienden a juntarse en la parte superior de la tabla de agua. Los NAPL más densos que el agua (DNAPL, por sus siglas en inglés) como los solventes clorados, penetrarán la tabla de agua y migrarán verticalmente hasta que encuentren un material acuífero con conductividad hidráulica baja (por ejemplo, arcilla o roca). Los NAPL casi no son solubles, por lo que una pequeña descarga puede contaminar grandes volúmenes de agua; aun en estas bajas solubilidades, sin embargo, los NAPL generalmente logran concentraciones que exceden los límites de toxicidad (Mayer y Hassanizadeh, 2005). 8.6.2 DESTINO Y TRANSPORTE DE LOS CONTAMINANTES EN EL AGUA SUBTERRÁNEA Los contaminantes del agua subterránea son transportados mediante dos procesos: advección y dispersión. La advección sucede cuando el contaminante es transportado con el flujo en volumen, esto es, agua subterránea en ALFAOMEGA c08.indd 344 INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC 8/30/11 2:57:32 PM 8.6 Calidad de las aguas subterráneas 345 movimiento. Ya que el movimiento en la subsuperficie puede darse en todas las tres dimensiones simultáneamente y puede cambiar en tiempo y espacio, la predicción de transporte advectivo puede ser complicada. Sin embargo, en un sistema simple de una sola dimensión en donde el flujo del agua subterránea es constante en el tiempo y el espacio, el tiempo de viaje de un contaminante en una longitud determinada puede estimarse como L t = (8.16) v en donde t es el tiempo de transporte (días), L es la longitud (m) y v es la velocidad (intersticial o de filtración) del poro (m/día). La descarga específica es el rango del flujo del agua subterránea por unidad de área transversal del acuífero (m3/m2-día o m/día). La descarga específica está relacionada con la conductividad hidráulica (K, m3/m-día) y el gradiente hidráulico (dh/dx, sin dimensión) por la ley de Darcy. Advierta, sin embargo, que estos términos expresan el flujo normalizado del agua subterránea hacia la sección transversal completa, esto es, debido al espacio de los poros y el material sólido. Debido a que el flujo de hecho sucede sólo a través del espacio poroso, la porosidad debe ser acomodada en el cálculo de la velocidad del transporte del agua subterránea. Esto se hace al normalizar descargas específicas y la ley de Darcy para la porosidad del acuífero (n, sin dimensión): v = q K dh = n n dx (8.17) Debido a que 0 < n < 1, la velocidad porosa siempre será más grande que la descarga específica. e j e m p l o / 8.5 Cálculo del tiempo de transporte del agua subterránea Un contaminante tóxico se libera 1 km corriente arriba de un pozo de provisión de agua potable. Las propiedades relevantes del acuífero son las siguientes: conductividad hidráulica K = 10−5 m/s; porosidad n = 0.3 y gradiente hidráulico dh/dx = −10−2. Determine cuánto tiempo tomará para que el contaminante llegue al pozo de provisión de agua potable. solución La velocidad del poro puede determinarse de la ecuación 8.17. v = q 10 - 5 m/s K dh = -a b * - 10 - 2 = 3.33 * 10 - 7 m/s = n n dx 0.3 El tiempo de transportación entonces se determina de la ecuación 8.16: t = 1 000 m L = 3.00 * 109 s = 95 años = v 3.33 * 10 - 7 m/s El largo tiempo de transportación calculado aquí subraya el hecho de que el transporte de aguas subterráneas puede ser lento y puede sugerir que no hay por qué preocuparse por la contaminación durante mucho tiempo. Sin embargo, para el momento en que la contaminación pueda ser detectada en el pozo, una gran porción del acuífero y un volumen significativo de agua subterránea puede estar contaminada tanto como la extensión de la pluma. INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC c08.indd 345 ALFAOMEGA 8/30/11 2:57:32 PM 346 Capítulo 8 Calidad del agua Pozo Figura 8.15 Procesos de dispersión de escala acuífera que suceden en las aguas subterráneas El sombreado en las capas indica el valor relativo de la conductividad hidráulica y las sombras más claras indican valores más altos. La longitud de las flechas indica la velocidad relativa de aguas subterráneas en cada capa. (Los procesos de escala de dispersión de poros fueron comentados en el capítulo 4.) Los contaminantes tienden a esparcirse o mezclarse (dispersarse) según sean advectados con el flujo del agua subterránea, haciéndose más diluibles y ocupando un volumen cada vez más grande. Este segundo proceso de transporte, la dispersión, resulta de los efectos de dos mecanismos: difusión y mezcla mecánica. La difusión es llevada a cabo por gradientes de concentración, mientras que la mezcla mecánica resulta de interacciones con la matriz sólida del acuífero. La contribución de mezcla mecánica a la dispersión domina la de la difusión excepto a velocidades porosas bajas (por ejemplo, en acuíferos con conductividad hidráulica baja). Ambos términos fueron comentados en el capítulo 4. El cálculo del tiempo de viaje ilustrado en el ejemplo 8.5 supone que una vez que el contaminante ha sido liberado, las moléculas del contaminante experimentan velocidades idénticas al tiempo que migran a través del acuífero. De hecho, cada molécula estará sujeta a velocidades que pueden variar sobre muchos órdenes de magnitud; de la ecuación 8.16, si v varía por muchos órdenes de magnitud, entonces los tiempos de transportación variarán de forma similar. Las variaciones en la velocidad porosa son causadas por la mezcla de fenómenos que ocurren en un amplio rango de escalas de longitud. Las diferencias de velocidad en la escala de poros (descritas en el capítulo 4) resultan de la fricción con el medio sólido, un efecto manifestado en un grado diferente en posiciones diferentes en la sección transversal. Las diferencias de velocidad en la escala porosa también están influenciadas por las vías de flujo en que las moléculas viajan mientras migran a través del medio acuífero. En la escala acuífera, la figura 8.15 muestra cómo las variaciones en la velocidad son provocadas por diferencias en la conductividad eléctrica resultante en la llegada de contaminantes a una ubicación particular en tiempos diferentes. Para visualizar los efectos de la advección en el transporte de contaminantes, considere una columna empacada con un medio poroso (figura 8.16a). La afluencia hacia la columna se origina de una de dos reservas, una que contiene agua clara y la otra un trazador de tinta. Arriba hasta el momento t = 0, la bomba está entregando agua (Centrada = 0), y la concentración de tinta en el efluente es de cero. Al momento t = 0, la bomba se conecta con la reserva que contiene tinta (Centrada = C0) y el “contaminante” entra a la columna. La concentración de tinta efluente (Cfuera) se presenta en el recuadro a) Si se supone que el transporte es sólo por advección H2O C in C0 t<0 Cfuera t = t1 Cfuera t = t2 Cfuera Concentración del efluente, Cfuera C0 t 0 t1 t2 b) Si se supone que el transporte es por advección y dispersión Figura 8.16 Transporte de un trazador en un estudio de columna a) El primer caso supone el transporte sólo por advección. b) El segundo caso supone transporte por advección y dispersión. ALFAOMEGA c08.indd 346 H2O C in C0 t<0 Cfuera t = t1 Cfuera t = t2 Cfuera Concentración del efluente, Cfuera C0 t 0 t1 t2 INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC 8/30/11 2:57:32 PM 347 .mx/h ua ega.c ttp om om : / /v i r t de la figura 8.116a. Debido a que se supone que el transporte es sólo por advección, la concentración efluente permanece en cero (Cfuera = 0) hasta que el frente de la tinta alcanza el final de la columna (t < t2). Al tiempo t = t2, el frente alcanza el final de la columna, y la concentración efluente inmediatamente sube 100% de la concentración química influente (Cfuera = C0). La figura 8.16b muestra los efectos de advección y dispersión. Aquí, la tinta viaja a un rango de velocidades debido a la dispersión y alcanza el final de la columna más pronto y a una concentración menor que sólo con el transporte advectivo. La tinta efluente (mostrada en el recuadro en la figura 8.16b) sube lentamente después de la llegada del frente, alcanzando al final 100% de la concentración influente (C = C0). El tiempo para alcanzar esa máxima concentración es significativamente más tarde que t = t2 (el tiempo requerido para C = C0 en el caso sólo de advección. La relevancia práctica de esto es que el tiempo de viaje (para la llegada del frente) es más corto con la dispersión que solo con la advección. Al referirse otra vez al cálculo de tiempo de viaje en el ejemplo 8.5, cuando se incluyen los efectos de dispersión, el contaminante alcanza al pozo de provisión de agua potable en órdenes de magnitud de niveles potencialmente tóxicos más rápido que con el transporte sólo por advección. Los contaminantes del agua subterránea rara vez se comportan conservativamente, ya que pueden ser degradados por microorganismos o reacciones químicas en el acuífero. Los rangos de reacción varían ampliamente en los sistemas de aguas subterráneas y dependen de muchos factores como la naturaleza del químico de interés y la biogeoquímica del acuífero. En el caso de reacciones microbianas mediadas, las velocidades están influidas por los tipos y abundancia de los microorganismos presentes, las propiedades químicas del contaminante y las concentraciones de donadores y receptores de electrones (para las reacciones redox), nutrientes y fuentes de energía. En muchos casos, las reacciones de los contaminantes son benéficas, reduciendo los niveles de contaminantes. Sin embargo, en algunos casos (especialmente en los solventes clorados), los productos de la reacción pueden ser al menos tan tóxicas como los químicos orgánicos originalmente liberados. Los contaminantes pueden también interactuar con los materiales sólidos en el acuífero a través de la absorción (comentada en el capítulo 3). Si se supone que las interacciones químicas-sólidas están en equilibrio, los efectos de absorción se pueden cuantificar a través del coeficiente de retardo (Rf ): b (8.18) Rf = 1 + Kp l.alfa 8.6 Calidad de las aguas subterráneas Simulador de transporte de aguas subterráneas Evaluación de aguas subterráneas en África http://www.unep.org/groundwater project/ en donde KP es el coeficiente de partición de agua-tierra (L/kg o cm3/mg), ␩ es la porosidad (sin unidades) y ␳b es la densidad aparente del material acuífero (cm3/g). Como el término lo implica, el coeficiente de retardo refleja la desaceleración aparente de la migración química debido a la absorción. Si el factor de retardo es igual a diez, la velocidad promedio del químico sería diez veces más lenta que la velocidad promedio de las aguas subterráneas. El cálculo del tiempo de transportación puede ser modificado como sigue para contar la sorción química: L no sorción química (conservadora): t = (8.19) v L (8.20) sorción química: t = * Rf v INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC c08.indd 347 ALFAOMEGA 8/30/11 2:57:32 PM 348 Capítulo 8 Calidad del agua 8.6.3 ESTRATEGIAS DE REMEDIACIÓN DE AGUAS SUBTERRÁNEAS Tecnologías innovadoras de remediación http://www.epa.gov/tio/ El agua subterránea contaminada es cara y lleva tiempo limpiarla. Esto es verdad por diversas razones. Primero, los problemas de contaminación son frecuentemente descubiertos años después de la contaminación inicial, ofreciendo el tiempo químico para afectar millones de litros de agua y extenderse a kilómetros de la fuente. Segundo, la subsuperficie es física y químicamente heterogénea. Esta heterogeneidad lleva a rangos lentos de remoción o degradación en el lugar de contaminantes, aun cuando la remediación es agresiva. Finalmente, en general hay poca información disponible con respecto a las características físicas y químicas del sistema acuífero contaminado. La falta de información, junto con la heterogeneidad del acuífero y el hecho de que la superficie es en esencia invisible, significa que el diseño y la implementación de sistemas de remediación económicos y efectivos presentan un reto. La remediación de las aguas subterráneas puede ser completada por medios físicos, biológicos o químicos. La remediación física generalmente involucra el bombeo del agua subterránea contaminada fuera del acuífero, tratándola aéreamente y desechándola en el acuífero impactado, a un agua superficial o a un sistema de recolección de aguas residuales. La extracción de vapor de la tierra y aspersión aérea involucran el bombeo y la recuperación del aire hacia y desde las zonas no saturadas (vadosas) y saturadas, respectivamente. La remediación biológica consiste de la inyección de receptores de electrones y nutrientes. La remediación química también involucra la añadidura de químicos, ya sea para mejorar la degradación abiótica o la inmovilización de contaminantes a través de la precipitación química. El concepto de atenuación natural ha sido aplicado con mucha frecuencia en los últimos años. La atenuación natural implica que a medida que la pluma de contaminantes se mueve en la dirección general del flujo de agua subterránea, los procesos de degradación y dilución biológica y química reducirán las concentraciones hasta niveles aceptables en el borde “frontal” o líder de la pluma. Las estrategias de remediación especializadas se requieren cuando los acuíferos son contaminados por los NAPL. Las propiedades químicas que provocan que los NAPL permanezcan separadas del agua hacen difícil recuperarlas del acuífero. La inyección de surfactantes o alcoholes que se particionan en el agua y en los NAPL (tal como lo hacen los detergentes en la lavandería) ha tenido algo de éxito en la mejora de la eficiencia de recuperación de los NAPL. El calentamiento de la subsuperficie para mejorar la volatilización, reducir la tensión interfacial y reducir la viscosidad, también ha demostrado mejorar la recuperación de los NAPL. Términos clave • advección • azotea verde • carga • agua pluvial • bioswales (riachuelos urbanos) • celdas de bioretención • almacenamiento de humedales • cambio de otoño • ciénagas • atenuación natural • cambio de primavera • coeficiente de retardo (Rf) ALFAOMEGA c08.indd 348 INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC 8/30/11 2:57:32 PM Términos Clave • concentración de saturación • fuentes puntuales • contaminantes de aguas • hidrofítico subterráneas • déficit de oxígeno • hipolimnion • desarrollo de bajo impacto • humedal construido • desoxigenación • humedal creado • dispersión • humedales • epilimnion • Ley de agua limpia • espacio verde • Ley de Darcy • esteros • líquidos de fase no acuosa (NAPL) • estratificación de invierno • macrocontaminantes • estratificación de verano • marismas • eutrófico • medio ambiente construido • eutrofización • mesotrófico • eutrofización cultural • metalimnion • fuente no puntual • mitigación compensatoria INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC c08.indd 349 • hidroperiodo • • • • • • • • • • • • • • • 349 modelo de Streeter-Phelps oligotrófico oxígeno disuelto (DO) pantano pavimento permeable (o poroso) prácticas de mejor manejo (BMP) primer raudal de agua punto crítico reaereación Sistema Nacional de Eliminación de Descargas de Contaminantes (NPDES) sobresaturación termoclina tierras hídricas trófico uso de suelo ALFAOMEGA 8/30/11 2:57:32 PM c a p í t u l o / Ocho 8.1 Una corriente a 25º C ha disuelto la concentración de oxígeno de 4 mg/L. ¿Cuál es el déficit de oxígeno disuelto (mg/L) 8.2 La concentración de oxígeno de una corriente es de 4 mg/L y la saturación de DO es de 10 mg/L. ¿Cuál es el déficit de oxígeno? 8.3 Calcule el déficit de oxígeno disuelto para un río a 30º C y la concentración de oxígeno disuelto medido de 3 mg/L. La constante de la ley de Henry a esa temperatura es de 1.125 × 10⫺3 mol/L-atm y la presión parcial del oxígeno es de 0.21 atm. Problemas 8.7 Una industria descarga 0.5m3/s de desperdicio con un CBOD de 5 días de 500 mg/L hacia un río con un flujo de 2 m3/s y un CBOD de 2 mg/L de 5 días. Calcule el CBDO de 5 días del río después de mezclarse con los desperdicios. 8.8 Un desperdicio que tiene un CBOD final de 1 000 mg/L se descarga en un río a un promedio de 2 m3/s. El río tiene un CBOD final de 10 mg/L y fluye a una velocidad de 8 m3/s. Si se supone que el rango del coeficiente de reacción es de 0.1/día, calcule el CBOD final, y el CBOD de 5 días del desperdicio en el punto de descarga (0 km) y a 20 km río abajo. El río fluye a una velocidad de 10 km/día. 8.9 Una planta de tratamiento de aguas residuales descarga un efluente que contiene 2 mg/L de oxígeno disuelto hacia un río que tiene una concentración de oxígeno disuelto de 8 mg/L corriente arriba de la descarga. Calcule el déficit de oxígeno disuelto en la cuenca de mezcla si la saturación de oxígeno disuelto para el río es de 9 mg/L. Suponga que la descarga del río y la planta tienen la misma velocidad de flujo. Una nueva planta de tratamiento de aguas residuales propone una descarga de 5 m3/s de aguas residuales al río. Los reglamentos estatales prohíben descargas que eleven el CBOD final a más de 10 mg/L. El río tiene un flujo de 5 m3/s y un CBOD final de 2 mg/L, calcule el máximo de CBOD de 5 días que puede descargarse sin violar los reglamentos estatales. Asúmase un coeficiente de decadencia del CBOD de 0.1/día para el río y para la planta de tratamiento propuesta. 8.5 Un río que viaja a una velocidad de 10 km/día tiene 8.10 8.4 un contenido de oxígeno disuelto de 5 mg/L y un CBOD final de 25 mg/L a una distancia x ⫽ 0 km, esto es, inmediatamente corriente abajo de una descarga de desperdicio. El desperdicio tiene un coeficiente de decadencia de CBOD k1 de 0.2/día. La corriente tiene un coeficiente de velocidad de reaereación k2 de 0.4/día y una concentración de saturación de oxígeno disuelto de 9 mg/L. a) ¿Cuál es el déficit inicial de oxígeno disuelto? b) ¿Cuál es la ubicación del punto crítico en tiempo y distancia? c) ¿Cuál es el déficit de oxígeno disuelto en el punto crítico? d) ¿Cuál es la concentración de oxígeno disuelto en el punto crítico? 8.6 La planta de tratamiento de aguas residuales de Pine City descarga 1 ⫻ 105 m3/día de desperdicio tratado hacia el Río Pine. De inmediato corriente arriba de la planta de tratamiento, el Río Pine tiene un CBOD final de 2 mg/L y un flujo de 9 ⫻ 105 m3/día. A una distancia de 20 km río abajo de la planta de tratamiento, el Río Pine tiene un CBOD final de 10 mg/L. El Departamento de Calidad Medioambiental estatal ha fijado a la planta de tratamiento un límite final de descarga de CBOD de 2 000 kg/día. El río tiene una velocidad de 20 km/día. El coeficiente de decadencia de CBOD es de 0.1/día. ¿Está la planta violando el limite de descarga del departamento? ALFAOMEGA c08.indd 350 Un río fluye a una velocidad de 20 km/día y tiene un CBOD final de 20 mg/L. Si la materia orgánica tiene un coeficiente de decadencia de 0.2/día, ¿cual es el CBOD final 40 km río abajo? 8.11 Un río que viaja a una velocidad de 10 km/día tiene un déficit inicial de oxígeno de 4 mg/L y un CBOD final de 10 mg/L. El CBOD tiene un coeficiente de decadencia de 0.2/día, y el coeficiente de reaereación del arroyo es de 0.4/día. ¿En dónde se localiza el punto crítico a) en tiempo, b) en distancia? 8.12 Una fábrica de papel descarga su desperdicio (KL ⫽ 0.05/día) a un río que fluye con una velocidad de 20 km/ día, después de mezclarse con el desperdicio, el río tiene un BOD carbonáceo final de 50 mg/L. Calcule el BOD carbonáceo a 5 días en esa locación y el BOD carbonáceo final que aún queda a 20 km río abajo. 8.13 Para cada uno de los siguientes casos, asuma que todos los demás factores no cambian, describa el efecto de las siguientes variaciones de parámetros en la magnitud del déficit máximo de oxígeno en un río. Utilice los siguientes símbolos para indicar sus contestaciones: aumento (⫹), disminución (⫺) o permanece igual (⫽). INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC 8/30/11 2:57:32 PM Problemas Parámetro Magnitud del déficit Déficit inicial aumentado CBOD final aumentado @x⫻0 Velocidad de desoxigenación aumentada Velocidad de reaereación aumentada ThOD @ x ⫻ 0 aumentada 8.14 Contacte una planta de tratamiento de aguas residuales localizada en algún área urbana cercana para averiguar la velocidad de flujo diario promedio y la concentración de fósforo promedio en el efluente. Utilice la información censada para calcular la población proyectada para su área para 2025 y 2050. Si no se hace nada en cuanto a la forma en la que se trata el fósforo en la planta, ¿cuál es la carga de P actual (kg P/día)? Desarrolle una solución técnica y una no técnica para reducir futuras cargas de fósforo hacia las aguas residuales de la planta de tratamiento. 8.15 Utilice la biblioteca o la Internet para investigar una zona muerta en Estados Unidos y una en ultramar como el mar Báltico, el mar Noradriático, el mar Amarillo o el golfo de Tailandia. Escriba un reporte de dos cuartillas comentando cuestiones medioambientales, sociales y económicas relacionadas con las zonas muertas. ¿Qué soluciones de administración propondría para revertir estas zonas muertas? 8.16 Describa algunas diferencias y similitudes entre los tres tipos de azoteas verdes: a) extensiva, b) semiintensiva y c) intensiva. Identifique una locación en su campus o comunidad en donde se podría instalar una azotea intensiva y una extensiva (explique su respuesta). 8.17 Visite el sitio web de los Jardines Botánicos de Brooklin y busque “plantas de jardín de lluvia” (utilice las comillas). Siga el enlace hacia la página titulada “Plantas de jardín de lluvia”. Utilice la información que ahí se encuentra para identificar especies de plantas que podrían ser aplicables para las celdas de bioretencion instaladas en su comunidad (o población). 8.18 Asuma que el área de la azotea de una casa residencial es de 12 pies ⫻ 30 pies. Si se coloca una azotea verde en ese hogar, ¿que porcentaje de un evento de lluvia de 0.5 pulg se almacenará en la azotea si el medio de crecimiento tiene una capacidad de retención de agua de 0.25? ¿Cuál es INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC c08.indd 351 351 el volumen de agua (en galones) que se almacena durante este evento de lluvia? 8.19 ¿Qué área (en pies cuadrados) se necesita para dos celdas de bioretencion utilizadas para colectar agua de lluvia que viene de la azotea de la casa? La azotea tiene una dimensión de 30 pies ⫻ 40 pies, se drena a dos tubos de bajada cada uno de los cuales será dirigido a las celdas de bioretención. Asuma que el terreno que rodea a la casa es limoso y que las celdas se cavarán a una profundidad de 6 pulgadas. 8.20 Un área de estacionamiento pavimentado mide 50 pies ⫻ 20 pies. ¿Qué volumen de celda de bioretención es necesario (en pies cúbicos) para que se pueda manejar el primer raudal de agua de un pavimento no permeable de 0.5 pulgadas? Asuma una porosidad del terreno de 0.30. 8.21 Seleccione una locación específica en su campus que tenga un edificio y un estacionamiento asociado. Rediseñe esta área incorporando por lo menos tres técnicas de bajo impacto. Además, pensando en el manejo de aguas pluviales, considere también el movimiento de la gente y los automóviles y el uso de especies de plantas nativas. 8.22 Calcule el tamaño de un jardín de lluvia para su casa, departamento o dormitorio, para tratar el agua de lluvia que se origina en su techo. 8.23 Dos pozos de aguas subterráneas están localizados a 100 metros uno de otro en arena permeable y grava. El nivel del agua en el pozo 1 está a 50 m por debajo de la superficie y el pozo 2 está a 75 m abajo de la superficie. La conductividad hidráulica es de 1 m/día y la porosidad de 0.60. ¿Cuál es: a) la velocidad Darcy, b) la velocidad verdadera del agua subterránea que fluye entre los pozos y, c) el periodo que le lleva al agua viajar entre los dos pozos en días? 8.24 El gradiente hidráulico de las aguas subterráneas en una locación determinada es de 2 m/100 m. Aquí, el agua subterránea fluye a través de la arena con una conductividad hidráulica igual a 40 m/día y una porosidad de 0.5. Un derramamiento de aceite ha provocado la contaminación del agua subterránea en una pequeña región por debajo de un parque industrial.¿Cuánto tiempo llevará al agua contaminada llegar desde este sitio hasta un pozo de agua potable que se encuentra a 100 m gradiente abajo? Se asume que no hay retardamiento en el movimiento del contaminante. 8.25 Un tanque de almacenamiento subterráneo ha descargado aceite diesel a las aguas subterráneas. Un pozo de agua potable se localiza a 200 m gradiente abajo del derrame de aceite. Para garantizar la seguridad del agua ALFAOMEGA 8/30/11 2:57:33 PM 352 Capítulo 8 Calidad del agua potable se perfora un pozo de monitoreo a la mitad del camino entre el pozo de agua potable y el derrame de aceite. La diferencia de carga hidráulica entre el pozo de agua y el pozo de monitoreo es de 40 cm (la carga hidráulica en el pozo de monitoreo es mayor). Si la porosidad es de 39% y la conductividad hidráulica es de 45 m/día, ¿cuánto tiempo después de que el agua contaminada llega al pozo de monitoreo llegaría al pozo de agua potable? Asuma que los contaminantes se mueven a la misma velocidad que el agua subterránea. 8.26 Los derrames de materias químicas orgánicas que entran en contacto con el terreno algunas veces llegan hasta la tabla de las aguas subterráneas y de ahí son lleva- ALFAOMEGA c08.indd 352 das gradiente abajo con el flujo del agua subterránea. La velocidad a la que son transportadas con el agua subterránea se reduce por la absorción de sólidos en el acuífero de agua subterránea. El agua subterránea contaminada puede llegar a pozos, lo que es peligroso si éstos se usan como agua para beber. a) Para un suelo que tiene un ␳b de 2.3 g/cm3, una porosidad de 0.3 y para la cual el porcentaje de carbono orgánico es de 2%, determine el factor de retardamiento del tricloroetileno (log Kow ⫽ 2.42), el hexaclorobenceno (Kow ⫽ 5.80) y el diclorometano (Kow ⫽ 1.31). b) ¿Cuál compuesto podría transportarse mucho más lejos, el segundo más lejos y el menos lejano en el agua subterránea si estos productos se incorporan en el mismo acuífero? INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC 8/30/11 2:57:33 PM 353 Referencias Agencia de Protección Ambiental (EPA). 1999. StormWater Technology Fact Sheet: Porous Pavement. EPA 832-F-99-023. Washington, D.C.: Agencia de Protección Ambiental, Oficina de Aguas. Instituto de Leyes Ambientales (ELI). 2002. “Banks and Fees: The Status of Off-Site Wetland Mitigation in the United States”, Washington, D.C. http://www.eli.org/Program_Areas/WMB/ bankfees.cfm, consultado el 18 de noviembre de 2008. Agencia de Protección Ambiental (EPA). 2000 (revisado en 2005). “Stormwater Phase II Final Rule: Small MS4 Stormwater Program, Overview”. Sitio web de la EPA, www.epa.gov/npdes/pubs/ fact2-0.pdf, consultado el 7 de julio de 2006. Jardín Botánico de Brooklyn (BBG). 2007. “Rain Garden Plants”. Sitio web del BBG, www.bbg.org/gar2/topics/design/2004sp_ raingardens.html, consultado el 22 de junio de 2007. Asociación de Cemento Portland (Portland Cement Association, PCA). 2004. “Pervious Concrete Mixtures and Properties”. Concrete Technology Today 25(3). Condado de Prince George, Md. (PGCM), Departamento de Recursos Ambientales. 2006. The Bioretention Manual; Protección de ramales de humedales, Largo: Departamento de Recursos Ambientales de Maryland. Disponible en www.goprincegeorgescounty.com/government/agencyindex/der/esd/gioretention/ bioretention.asp, consultado el 3 de diciembre de 2007. Mayer, A. S. y S. M. Hassanizadeh, ed. 2005. Contamination of Soil and Groundwater by Nonaqueous Phase Liquids (NAPLs). Serie monográfica de recursos hidráulicos. Washington, D.C.: American Geophysical Union. Cuerpo de Ingenieros del Ejército de Estados Unidos (USACE). 2008a. “FAQs: What You Should Know about the Comprehensive Everglades Restoration Plan (CERP)”. Sitio web del Plan de Restauración Completo de los Everglades, www.evergladesplan. org, consultado el 18 de noviembre de 2008. Organización Cultural, Educacional y Científica de las Naciones Unidas (UNESCO) y el Programa de Evaluación Mundial del Agua Mundial (WWAP). 2003. Water for People, Water for Life: The United Nations World Water Development Report. Nueva York: UNESCO/ Berghahn Books. Cuerpo de Ingenieros del Ejército de Estados Unidos (USACE). 2008b. “Water Flow Maps of the Everglades: Past, Present & Future”. Sitio web del Plan de Restauración Completo de los Everglades, www.evergladesplan.org, consultado el 18 de noviembre de 2008. Seitzinger, S.P. y C. Kroeze. 1998. “Global Distribution of Nitrous Oxide Production and N Inputs in Freshwater and Coastal Marine Ecosystems”. Global Biogeochemical Cycles 12 (1): 93-113. Dahl, T. E. 2006. States and Trends of Wetlands in the Conterminous United Status 1998 to 2004, Departamento del Interior de Estados Unidos, Servicios de Pesca y Vida Silvestre, Washington, D.C., 112 pp. Departamento de Recursos Naturales de Wisconsin (WDNR). 2003. Publicación DNR PUB-WT-776. Disponible en la Extensión de la Universidad de Wisconsin, www.clean-water.edu/pubs/raingarden, consultado el 7 de junio de 2007. INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC c08.indd 353 Larson, J. 2004. “Dead Zones Increasing in the World’s Coast Waters”. Instituto de Política Terrenal (junio 16). http://www.earth-policy.org/updates/update41.htm, consultado el 18 de noviembre de 2008. Mihelcic, J. R. 1999. Fundamentals of Environmental Engineering. Nueva York: John Wiley & Sons. Selman, M., S. Greenhalgh, R. Diaz y Z. Sugg. 2008. “Eutrophication and Hypoxia in Coastal Areas: A Global Assessment of the State of Knowledge”. Nota de política del WRI. Washington, D.C.: Instituto de Recursos Globales (marzo). Ward, A.S. 2007. “A Review of the Practice of Low Impact Development: Bioretention Design, Analysis and Lifecycle Assessment”. (Reporte M.S., Ingeniería Civil y Ambiental, Universidad Tecnológica de Michigan). ALFAOMEGA 8/30/11 2:57:33 PM c a p í t u l o / Nueve Abastecimiento de agua, distribución y recolección de aguas residuales Brian E. Whitman, James R. Mihelcic, Alex S. Mayer En este capítulo, los lectores revisarán la disponibilidad, fuentes y usos del agua. El capítulo provee un panorama general del ciclo hidrológico e hidrología del agua subterránea. Examina la disponibilidad del agua y sus usos a nivel global, analiza el uso y reuso del agua en Estados Unidos y finalmente se enfoca en la demanda del agua y en la generación de aguas residuales para las comunidades. También se da una introducción a conceptos para dimensionar y diseñar instalaciones de tratamiento, sistemas de distribución de aguas y sistemas de recolección de aguas residuales. Secciones principales 9.1 Introducción 9.2 Disponibilidad de agua 9.3 Utilización del agua 9.4 Demanda de agua municipal 9.5 Distribución de agua y sistemas de recolección de aguas residuales Objetivos de aprendizaje 1. Identificar las cantidades y fuentes de agua fresca en una base global. 2. Enlistar los componentes que forman la hidrología de las aguas subterráneas. 3. Identificar a los principales usuarios de agua y el porcentaje de uso de agua asociado a los diferentes tipos de usuarios. 4. Describir la perspectiva de la población global que vive en áreas no igualmente atendidas por los recursos globales de agua y analice los retos que experimenta la gente que vive en estas zonas. 5. Expresar cómo usted, como ingeniero, puede ayudar a lograr una distribución más equitativa de los recursos de agua en su comunidad y en el mundo. 6. Asociar las fuentes de agua con cuestiones de calidad y usos del agua. 7. Identificar algún proyecto local o regional de reutilización o recuperación de agua y describa sus beneficios sociales y medioambientales. 8. Expresar cómo usted, como ingeniero, puede ayudar a alcanzar una gestión más sustentable de los recursos de agua de su región. 9. Estimar las tasas de flujo de agua potable y residual para residentes y comunidades. 10. Distinguir los ciclos de demanda diaria para usos industriales, residenciales y comerciales. 11. Estimar los factores de demanda y los niveles de uso de agua doméstica partiendo de registros históricos. 12. Determinar las demandas de agua asociadas a la protección contra incendios y pérdidas debidas a fugas y uso no medido. 13. Calcular los flujos de estado de tiempo húmedo basándose en el flujo de entrada y la infiltración. 14. Proyectar la demanda futura de agua utilizando métodos de extrapolación y el tipo de usuarios. 15. Plantear un sistema de distribución de agua. 16. Evaluar una tubería de recolección de aguas residuales basándose en el diseño total de la tubería, velocidad de flujo y la capacidad de transportación. 17. Evaluar un pozo húmedo con base en las características de la bomba. 354 c09.indd 354 8/30/11 2:59:27 PM 1.2 Actividad y concentración 355 9.1 Introducción La ciencia fundamental que tiene que ver con la ocurrencia, movimiento y distribución del agua en el planeta es la hidrología. El ciclo hidrológico se define por los caminos en donde el agua se mueve y se distribuye por el planeta como se muestra en la figura 9.1. La cantidad y calidad del agua varía de forma importante conforme se mueve dentro del ciclo hidrológico. Los sistemas de agua subterránea se pueden extender desde la superficie de la tierra hasta metros o kilómetros debajo de la superficie. Estos sistemas están compuestos de materiales sólidos porosos (por ejemplo, grava, arena y arcilla) que contienen aire y agua. Las rocas sólidas y fracturadas también pueden ser vistas como materiales porosos que componen el sistema de aguas subterráneas. La figura 9.2 muestra un sistema típico de aguas subterráneas consistente en dos acuíferos (acuíferos confinados y no confinados). Los acuíferos son formaciones subsuperficiales que liberan agua en cantidades suficientes para abastecer fuentes prácticas de agua para uso humano. La zona vadosa se extiende desde la superficie de la tierra hasta el nivel freático. En esta zona, el agua y el aire se encuentran en los espacios porosos. Las capas superiores de la zona vadosa consisten en una delgada (centímetros a metros) capa de tierra que es capaz de sustentar una actividad biológica intensa. El agua en esta zona consiste en delgadas películas que rodean la superficie de los materiales porosos. La presión en los poros de agua de la zona vadosa es menor que la presión atmosférica. El agua generada por precipitación infiltra la zona vadosa y, si el volumen es suficiente, migra hacia el nivel freático. El nivel freático es la profundidad en la que la presión del agua porosa es igual a la presión atmosférica. En términos más prácticos, imagine encontrar el nivel freático al excavar la zona vadosa hasta que encuentre agua estancada. La zona saturada empieza cerca de la locacion del nivel freático. Una delgada capa saturada se extiende sobre el nivel freático al ser elevada por las fuerzas capilares. Esta capa saturada es la franja capilar. Por debajo del nivel freático, el medio poroso se satura y el agua de los poros está bajo presión positiva. Precipitación en los océanos Información sobre agua pública http://water.usgs.gov/ Precipitación en tierra Evaporación Océano Evapotranspiración Escorrentía Tierra Figura 9.1 Ciclo hidrológico Las unidades de transferencia de agua son 1012 m3/año. Datos de Budyko(1974); de Mihelcic(1999). Reimpreso con permiso de John Wiley & Sons, Inc. INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC c09.indd 355 ALFAOMEGA 8/30/11 2:59:28 PM 356 Capítulo 9 Abastecimiento de agua, distribución y recolección de aguas residuales Figura 9.2 Sistema típico de aguas Figura adaptada de Hemond y Fechner, Chemical Fate and Transport in the Environment, derechos reservados Elsevier (1994). Evapotranspiración Precipitación Infiltración Corriente Tierra Zona no saturada (zona vadosa) Franja capilar Recarga Nivel de agua en pozo no bombeado Water table Acuífero no confinado subterráneas La escala vertical está exagerada. El acuitardo/acuicludo no proporcionará agua en cantidad significativa al pozo. Un acuicludo es relativamente impermeable (arcilla, por ejemplo). Similarmente, el acuitardo no es muy permeable; no obstante, puede permitir que el agua se mueva entre acuíferos contiguos. Zona saturada Flujo del agua Pantalla del pozo Flujo de agua Acuífero confinado Acuitardo/acuicludo Flujo de agua Acuitardo/acuicludo El papel de un sistema de agua subterránea en el ciclo hidrológico se muestra en la figura 9.2. Una porción del agua que infiltra la zona vadosa se pierde en la atmósfera circundante vía evaporación de los espacios porosos o transpiración a través de las raíces de las plantas. La combinación de estos procesos se conoce como evapotranspiración. Los sistemas de agua subterránea son recargados por el agua infiltrada restante. El agua que llega a la zona saturada se mueve de acuerdo con los gradientes de presión y la gravedad y puede migrar de un acuífero a otro. Como se indica en la figura 9.2, el agua subterránea que fluye horizontalmente puede alcanzar aguas superficiales como ríos, lagos y océanos. El agua subterránea que contribuye a los flujos en ríos y corrientes se conoce como flujo base y generalmente constituye una porción significativa del flujo de agua superficial. En algunas circunstancias, la dirección del flujo se invierte, y el agua se pierde del cuerpo de agua superficial yéndose hacia el agua subterránea. e j e m p l o / 9.1 Utilización del balance de agua para determinar el flujo base La precipitación anual media de agua de lluvia en una zona es de 90 cm. La evapotranspiración media anual es de 42 cm. La mitad de la lluvia se infiltra a la subsuperficie, el resto se mueve junto o cerca de la superficie del terreno. El acuífero subyacente está conectado a una corriente. Si se asume que no hay otras entradas o salidas de agua bajo el acuífero y que está en un estado estable (ni gana ni pierde agua), ¿cuál es la cantidad de flujo base que contribuye a la corriente desde el agua subterránea? ALFAOMEGA c09.indd 356 INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC 8/30/11 2:59:29 PM 9.1 Introducción e j e m p l o / 9.1 357 Continuación solución Para resolver este problema, primero se determinan las entradas y salidas del acuífero. La entrada es: I ⫽ infiltración ⫽ 90 cm/año ⫻ 0.5 ⫽ 45 cm/año Las salidas son: ET ⫽ evapotranspiración ⫽ 42 cm/año BF ⫽ flujo base Una ecuación de balance de agua (entrada = salida) puede escribirse para este sistema de la siguiente manera: I = ET + BF Resuelva la expresión para el flujo base: BF ⫽ I ⫽ ET ⫽ 45 cm/año ⫺ 42 cm/año ⫽ 3 cm/año Las unidades para el flujo base (longitud por tiempo) puede parecer extraña. Si usted conociera el área del plano (a vista de pájaro) del acuífero, podría multiplicar la precipitación y evapotranspiración por el área, dando por resultado unidades de volumen por tiempo. Por ejemplo, si el área considerada fuera de 100 km2, el flujo base (en unidades de volumen/ tiempo) sería BF = 1 000 m 3 cm 1m * * 100 km2 * año 100 cm km 2 = 3 * 106 m3/año Este ejemplo no considera la posibilidad de que el agua esté siendo retirada del sistema de agua subterránea. Si se asume que hay 20 pozos de bombeo dentro de los 100 km2, cada uno de los cuales bombea un promedio de 2 ⫻ 10⫺3 m3/s, la tasa total de bombeo será Q = 20 * 365 días 60 s 60 min 24 h 2 * 10 - 3 m3 * * * * s año min h día = 1.26 * 106 m3/año Advierta cómo la tasa total de bombeo se acerca a la magnitud del flujo base. Esto puede indicar que este nivel de bombeo no es sustentable a largo plazo. Podría reducir la cantidad de flujo base que contribuye al flujo de la corriente y apoya las funciones ecológicas. INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC c09.indd 357 ALFAOMEGA 8/30/11 2:59:29 PM 358 Capítulo 9 Abastecimiento de agua, distribución y recolección de aguas residuales 9.2 Disponibilidad del agua Estado del agua a nivel mundial www.unep.org/vitalwater Discusión en clase Comenten algunos cambios globales y regionales que ustedes esperan se den en el próximo siglo en relación con la distribución de la población y el agua. ¿Cómo se relaciona la demografía (por ejemplo, ingresos económicos, nivel de educación, edad y genero) con su discusión? Se estima que el volumen total de agua en el mundo es de 1.386 ⫻ 109 km3. Los océanos contienen 96.5% de este volumen total y la atmósfera contiene sólo 1.29 ⫻ 104 km3 de agua (que es sólo 0.001% de la hidrosfera total). La tabla 9.1 muestra las reservas mundiales de agua dulce. La cantidad total de agua dulce en nuestro planeta es aproximadamente de 3.5 ⫻ 107 km3. En términos de disponibilidad de agua fresca, sólo 2.5% del presupuesto total de agua del mundo se estima como agua dulce, y de esto casi 70% está actualmente presente en forma de glaciares y capas de hielo. Como se muestra en la tabla 9.1, un gran porcentaje del agua fresca del mundo está disponible como recurso de aguas subterráneas, mucha de la cual tiene un periodo de renovación de más de 1 000 años. Toda esta información muestra que muy poco del presupuesto de agua fresca total está disponible como agua superficial (lagos y ríos) o como agua subterránea que se recarga en periodos cortos. La figura 9.3 muestra la relación entre la disponibilidad global de agua para la población. América es relativamente más rica en agua disponible en relación con la población. América del Norte y América Central combinadas tienen 8% de población y 15% de los recursos de agua disponible en el mundo. En contraste, Asia tiene 36% de los recursos de agua disponibles en el mundo, pero alberga 60% de la población global. 9.3 Utilización del agua El agua se requiere para una amplia variedad de usos humanos que incluyen casas-habitación, complejos comerciales, industria, agricultura y, lo más importante, los ecosistemas. El concepto de la huella ecológica (comentado en el capítulo 5) asume que un mínimo de 12% de la capacidad ecológica debe preservarse para la protección de la biodiversidad. Esta capacidad eco- Tabla / 9.1 Porcentaje del total de agua fresca del mundo en diferentes locaciones La cantidad total de agua dulce en la Tierra es aproximadamente de 3.5 ⫻ 107 km3 Locación Porcentaje de agua dulce del mundo Glaciares y capa nevada permanente 68.7 Agua subterránea 30.1 Lagos 0.26 Humedad del suelo 0.05 Atmósfera 0.04 Marismas y pantanos 0.03 Agua biológica 0.003 Ríos 0.006 FUENTE: Datos de la UNESCO-WWAP, 2003. ALFAOMEGA c09.indd 358 INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC 8/30/11 2:59:29 PM 9.3 Utilización del agua 359 36% Europa América del Norte y América Central 60% 8% 15% Asia 13% 8% África 11% América del Sur 26% 5% 13% Australia y Oceanía <1% 6% Figura 9.3 Visión global de la disponibilidad de agua contra población Existen disparidades continentales, en particular en el continente asiático. Casi 60% de la población mundial reside en Asia y sólo 36% de los recursos de agua se localizan ahí. Figura adaptada de la UNESCO-WWAP (2003). lógica necesita del agua. Además, muchos de los pobres del mundo (aquellos que viven con menos de 1 o 2 dólares al día) dependen del ecosistema para su sustento económico. Los requerimientos de agua de los ecosistemas se deben contabilizar cuando se administra el agua que se distribuye entre los diferentes usuarios. Globalmente se retiran 3 800 km3 de agua al año. De éstos, 2 100 km3 se consumen. El agua consumida es evapotranspirada o incorporada a productos y organismos (UN-Hábitat, 2003). La diferencia de 1 700 km3 se regresa a los cuerpos de agua locales, en general como aguas residuales que vienen principalmente de usuarios domésticos e industriales. Este gran volumen que regresa al sistema de agua local quizá no esté disponible para una fácil reutilización, dependiendo del siguiente uso y, muy importante, si ha sido contaminada y tratada antes de su descarga. Similar a la huella ecológica que calcula el área de terreno requerida para apoyar las actividades humanas, una huella de agua determina los requerimientos de agua para apoyar las actividades humanas. Ocho países (en orden de consumo) son responsables de la mitad de la huella de agua del mundo: India, China, Estados Unidos, Rusia, Indonesia, Nigeria, Brasil y Pakistán. En una base per cápita, de 1997-2001, Estados Unidos tiene la mayor huella de agua, 2 483 m3/per cápita anual. En comparación, para el mismo INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC c09.indd 359 Programa de evaluación mundial del agua http://www.unesco.org/water/wwap Discusión en clase Visite en línea www.waterfootprint.org/ y calcule su huella de agua personal y la huella de varios países. Discuta cómo los cambios en la tecnología, políticas y comportamiento humano pueden reducir la huella de agua a nivel doméstico y municipal. ¿Cuáles cambios son más efectivos a nivel doméstico y nacional? ¿Cuáles son más equitativos? Calcule su huella de agua http://www.waterfootprint.org ALFAOMEGA 8/30/11 2:59:29 PM 360 Capítulo 9 Abastecimiento de agua, distribución y recolección de aguas residuales Geotérmica y otros 0.5% Nuclear 17.0% Hidro 19.0% Térmica 63.5% Figura 9.4 Distribución de la producción mundial de electricidad La generación térmica de electricidad representa dos tercios de la producción de electricidad mundial. La energía generada por agua es la fuente renovable de electricidad más utilizada. periodo, la huella de agua mundial fue de 1 243 m3/per cápita anual. Los números en m3/per cápita anual en otros países fueron Australia (1 393), Brasil (1 381), China (702), Alemania (1 545), India (980) y Sudáfrica (931) (Hoekstra y Chapagain, 2006). Como se mencionó previamente, mucha del agua doméstica en áreas urbanas se descarga de regreso al medioambiente (piense en el reuso múltiple a lo largo de grandes ríos como el Ohio o el Missisipi). Históricamente, las zonas urbanas obtenían sus requerimientos de agua de superficies de agua locales. Así, las ciudades tienen mucho que ver en asegurarse de que el agua que regresa al medioambiente no haga daño a los sistemas ecológicos o a los usuarios río abajo. También se están volviendo en forma creciente dependientes del tránsito del agua entre cuencas, lo que requiere tremendas cantidades de inversión en infraestructura y energía utilizada para la recolección, almacenamiento y transferencia. La tabla 9.2 muestra el desglose de los usos del agua en el mundo (excluyendo el agua utilizada en la producción de electricidad). La mayoría de los usos que se enlistan en la tabla 9.2 involucra uso agrícola (globalmente 70%). No obstante, hay diferencias regionales, particularmente en el uso industrial del agua en las áreas de mayores ingresos como Europa y América del Norte. El porcentaje anual de retiro de agua para usos domésticos varía de 6 a 18% del total de retiros. Advierta cómo el nivel de desarrollo de una región particular del mundo afecta la distribución del uso de agua. La tabla 9.2 excluye el uso de agua para el sector eléctrico. Cuando se consideran las demandas de agua para la generación de electricidad, más de la mitad del uso de agua es para la generación de electricidad. La figura 9.4 muestra que la producción de electricidad térmica es responsable de dos tercios de la producción de electricidad global. La energía hidroeléctrica proporciona 19% de la generación total de electricidad y 17% de energía nuclear. Otras fuentes como la energía geotérmica, de mareas, de olas, Tabla / 9.2 Volumen de retiros anuales de agua y porcentaje de los retiros asociados con los sectores agrícola, industrial y doméstico Retiros anuales de agua (km3) Mundo Agricultura (%) Industria (%) Doméstico (%) 3 317 70 20 10 152 85 6 9 1 850 86 8 6 Europa 456 36 49 15 Latinoamérica y el Caribe 263 73 9 18 América del Norte 512 39 47 13 84 90 4 6 África Asia y Pacífico Oeste de Asia FUENTE : Adaptado de UN-Hábitat, 2003, con permiso de Earthscan Publications Ltd., Londres. ALFAOMEGA c09.indd 360 INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC 8/30/11 2:59:29 PM 9.3 Utilización del agua solar y del viento (las cuales no están asociadas con la utilización mayor de aguas) cuentan por menos de 0.5% de la producción mundial de electricidad. Un beneficio principal de la hidroenergía es que cada terawatt adicional de hidroenergía producido por hora que desplaza la electricidad generada por carbón anualmente compensa 1 millón de toneladas de CO2 equivalentes. La hidroenergía tiene otros beneficios como los bajos costos de operación y mantenimiento, pocas emisiones atmosféricas y cero producciones de desperdicios sólidos peligrosos. Sin embargo, la hidroenergía de gran escala tiene problemas, incluyendo los grandes costos de inversión, cuestiones relacionadas con arrastre de peces y restricción de pasajes, pérdida y modificación del hábitat de peces y el desplazamiento de poblaciones humanas y de vida silvestre. Comisión mundial de presas http://www.dams.org Discusión de clase ¿Cuáles son algunos de los impactos sociales y medioambientales de las grandes presas? La Comisión mundial sobre presas tiene más información en su sitio www.dams.org. Preocupaciones sociales y medioambientales por sistemas hidroenergéticos de gran escala Mucha de la gente que ha sido desplazada por los sistemas hidroenergéticos de gran escala es pobre, menos educada e indígena. ¿Recuerda la discusión sobre justicia medioambiental en el capítulo 6? Sólo como un ejemplo, en el proyecto de la presa Three Gorges de 18.2 gigawatts (GW) en China, se estima que ya se han desplazado más de un millón de personas que vivían en más de 1 200 pueblos y muchas ciudades. La presa sumergirá 632 km2 que incluye cementerios, sitios históricos culturalmente significativos y tesoros medioambientales. En el río Yangtze viven 300 especies de peces y muchas serán separadas de sus zonas de desove. Estará plenamente en operaciones hacia el 2011 y se estima que la presa producirá una novena parte de las necesidades eléctricas de China. En contraste, los sistemas microhidroenergéticos (generalmente menos de 100 kW) y sistemas minihidroenergéticos (100 kW a 1 MW) tienen un impacto negativo mucho menor en su medioambiente y en la sociedad que los grandes sistemas de generación hidroenergética. Generalmente son descentralizados y no conectados a la red eléctrica. En términos de beneficios medioambientales, comparados con una planta de carbón equivalente, un sistema microhidroenergético de 1 MW, que produce 6 000 MWh anualmente, abastecería las necesidades eléctricas de 1 500 familias y evitaría la emisión de 4 000 toneladas de dióxido de carbono y 275 toneladas de dióxido sulfúrico (UNESCO-WWAP 2003). ua : / /v i r t c09.indd 361 ega.c .mx/h INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC om om Los retiros totales de agua en Estados Unidos exceden 400 000 millones de galones por día (gpd). La tabla 9.3 muestra el desglose (por usos) de los retiros de agua dulce y salada en Estados Unidos. El uso más grande del agua es para la producción de electricidad. La figura 9.5 muestra el volumen de retiros de agua dulce en Estados Unidos desde 1950, separando los retiros de aguas subterráneas y aguas superficiales. California y Texas retiran la mayor cantidad de agua de superficie, California y Florida retiran las mayores cantidades de agua subterránea. El número total de retiros se ha mantenido relativamente constante desde mediados de 1980, variando por menos de 3%, no obstante que la población se ha incrementado en este periodo. El agua superficial forma 80% del total y el agua subterránea 20% del total en los últimos 50 años. En contraste, el porcentaje de retiros asociados con el abastecimiento de agua pública se ha triplicado desde 1950. l.alfa 9.3.1 USO DE AGUA EN ESTADOS UNIDOS DE AMÉRICA ttp Recuadro / 9.1 361 Uso del agua ALFAOMEGA 8/30/11 2:59:29 PM 362 Capítulo 9 Abastecimiento de agua, distribución y recolección de aguas residuales Tabla / 9.3 Retiros totales de agua dulce y salina en Estados Unidos Estos retiros totalizan 408 000 millones de gpd. El agua dulce responde por 85% de este total y el agua superficial por 79% del total. Usuario Porcentaje del total de aguas salinas y dulces retiradas Termoeléctrica 48 Irrigación 34 Abastecimiento público 11 Industrial 5 Doméstico ⬍1 Ganado ⬍1 Acuicultura ⬍1 Minería ⬍1 FUENTE: Datos de Hutson et al., 2004. Figura 9.5 Retiros de agua dulce en Estados Unidos por fuente y población, 1950-2000 Cortesía del Estudio geológico de Estados Unidos, Hutson et al. (2004). 300 Agua subterránea Agua superficial Total Población 350 300 250 200 250 150 200 150 100 Población (millones) Retiros (miles de millones de galones por día) 400 100 50 50 0 1950 1955 1960 1965 1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000 0 En términos de retiros industriales, la figura 9.6 muestra la distribución geográfica de retiros de agua industrial en Estados Unidos. Louisiana, Texas e Illinois son responsables de 38% del total de retiros de agua industrial. Más de 80% de esto es de aguas superficiales. Los estados de Georgia, Louisiana y Texas son responsables de 23% de agua subterránea retirada asociada a uso industrial. La tabla 9.4 revisa las diferentes fuentes de agua. La mayoría de los usuarios domésticos e industriales obtienen el agua de aguas superficiales (riachuelos, ríos, lagos y presas) y del agua subterránea. No obstante, las plantas desalinizadoras permiten que se utilice el agua de mar. El proveer agua reutilizada segura (agua reclamada) es técnicamente posible. La reclamación ALFAOMEGA c09.indd 362 INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC 8/30/11 2:59:30 PM 9.3 Utilización del agua 363 Figura 9.6 Distribución geográfica de retiros de agua industrial en Estados Unidos y sus territorios Cortesía del Estudio geológico de Estados Unidos, Hutson et al (2004). Tabla / 9.4 Fuentes de agua y cuestiones asociadas con la fuente Fuente de agua Cuestiones Agua superficial Altos flujos, fácil de contaminar, sólidos suspendidos relativamente altos (TSS), turbiedad y patógenos. En algunas partes del mundo los ríos y riachuelos se secan durante la estación seca. Aguas subterráneas Flujos menores pero capacidad natural de filtrado que elimina los sólidos suspendidos (TSS), turbiedad y patógenos. Puede contener altos niveles de sólidos disueltos (TDS) incluyendo Fe, Mn, Ca y Mg (dureza). Difícil de limpiar después de ser contaminada. Los tiempos de renovación pueden ser largos. Agua de mar Gran consumo de energía para desalinizar, así que costoso comparado con otras fuentes, y se debe de considerar la eliminación de la salmuera resultante. La desalinización puede ocurrir por destilación, ósmosis inversa, electrodiálisis e intercambio iónico. De éstos, la destilación multietapas y la ósmosis inversa son las dos tecnologías más utilizadas (son responsables de más de 87% de la capacidad de desalinización del planeta). Existen más plantas de ósmosis inversa en el mundo, pero éstas son típicamente menores en capacidad que las plantas destiladoras. Aguas reclamadas y reutilizadas Técnicamente factible. Hoy en día se utiliza para irrigar cultivos agrícolas, jardinería, recarga de agua subterránea y agua potable. Incluye el uso descentralizado de aguas grises (aguas residuales producidas por baños y regaderas, lavado de ropa y de trastes, lavabos y bebederos). INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC c09.indd 363 ALFAOMEGA 8/30/11 2:59:30 PM 364 Capítulo 9 Abastecimiento de agua, distribución y recolección de aguas residuales 9.3.2 SUMINISTRO DE AGUA PÚBLICA ega.c ua .mx/h ttp om om l.alfa se esta volviendo cada vez más una fuente importante de agua y actualmente se emplea en una amplia gama de usos como la agricultura, la jardinería y para reabastecer aguas subterráneas. Fuentes de agua : / /v i r t La planta desalinizadora más grande en Estados Unidos proporciona 10% de las necesidades de agua de Tampa (FL). La capacidad es de hasta 25 mgd. Aprenda más sobre la desalinización http://ga.water.usgs.gov/edu/ drinkseawater.html Discusión en clase ¿Que tipo de características de eficiencia en agua están presentes o faltan en su casa o departamento, dormitorio o su campus universitario? ¿El uso de esta tecnología requiere cambios en el comportamiento de los usuarios o del equipo de mantenimiento? Retiros totales (millones de gpd) 7,000 En Estados Unidos, el suministro de agua pública es el que sirve por lo menos a 25 personas y tiene un mínimo de 15 conexiones. Puede pertenecer a organismos públicos o privados. Esta agua puede dar servicio a usuarios domésticos, comerciales, industriales y aun a usuarios termoeléctricos. La figura 9.7 muestra el total de retiros de agua asociados a los suministros de agua pública para cada estado y varios territorios de Estados Unidos. El uso del agua pública es fuertemente dependiente de la población. Por ejemplo, los estados grandes que incluyen 38% de la población estadounidense (por decir, California, Texas, Nueva York, Florida e Illinois) son responsables de 40% de retiros del suministro de agua pública. Las casas unifamiliares estadounidenses tienen un promedio de uso de agua de 101 galones por día per cápita (gpdc) en interiores y exteriores. En las casas multifamiliares, como los departamentos, el uso de agua puede ser tan bajo como 45 a 70 gpdc, pues estas casas usan menos agua, tienen menos accesorios y aparatos, y utilizan poco o nada de agua en el exterior (Vickers, 2001). En algunas localidades el uso exterior puede exceder a los niveles naturales de lluvia. Varía de 10 a 75% de la demanda habitacional total dependiendo de la localidad. La tabla 9.5 muestra un desglose del uso casero mediante diferentes actividades. La tabla muestra también cómo se vería el mismo desglose si en las casas se instalaran accesorios para el agua más eficientes y se detectaran regularmente las fugas. Si cada hogar en Estados Unidos instalara sistemas más eficientes, el uso de agua se reduciría 30%. Esto no sólo ahorraría dinero, sino que también eliminaría la demanda de identificar y asegurar nuevas Oeste Este 6,000 5,000 4,000 3,000 2,000 1,000 Ha Alawaii s O W re ka as go hin n Ca gto lifo n Ne rnia va d Id a Ar aho izo n Mo Utaa Nu W nta h ev yom na o M in Da é g ko Co xico ta lor Da de ad ko l N o ta or d te Ne el S bra ur sk Te a K xa Ok ans s a Mi laho s nn m es a ota M Iow Lo isso a u u Ar isianri k W ans a i a Mi scon s ss si iss n ip I p A llin i Te laba ois nn m es a In see Ke dian n a Mi tuck ch y Ge igan org ia Ca Vir roli F Ohio lor n g a i Ca nia d ida rol de el S ina l O ur de es l N te Pe V orte nn irg sy ini l a Ma vani ryl a an Nu d ev D.C aY . D Nu e o l r ev aw k a Co Jer are nn se Ma V ecti y ss er cut R ac mo Ne hod hus nt w e I etts Ha sla mp nd sh Pu M ire Isl ert ain as o e Ví Ric rge o ne s 0 Figura 9.7 Retiros de agua de suministro público, 2000 figura están acomodados de oeste a este. Los estados y territorios en esta Cortesía de U.S. Geological Service, Hutson et al (2004). ALFAOMEGA c09.indd 364 INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC 8/30/11 2:59:31 PM 9.3 Utilización del agua 365 Tabla / 9.5 Uso de agua en hogares estadounidenses: alternativas típicas y eficientes El uso típico del agua en los hogares de Estados Unidos es mucho mayor que cuando se instalan accesorios de agua más eficientes y se presta atención a la detección de fugas. Los porcentajes se basan en el uso total. Actividad Uso típico de agua gpdc, (% de uso total) Uso de agua con accesorios de agua eficientes y detección de fugas, gpdc (% de uso total) Regaderas 11.6 (16.8%) 8.8 (19.5%) Lavado de ropa 15.0 (21.7%) 10.0 (22.1%) Lavado de trastes 1.0 (1.4%) 0.7 (1.5%) Sanitarios 18.5 (26.7%) 8.2 (18.0%) Tinas de baño 1.2 (1.7%) 1.2 (2.7%) Fugas 9.5 (13.7%) 4.0 (8.8%) Grifos 10.9 (15.7%) 10.8 (23.9%) Otros usos domésticos 1.6 (2.2%) 1.6 (3.4%) FUENTE: Datos de Vickers, 2001. fuentes de agua, ahorrando energía y materiales asociados a la recolección, almacenamiento, transporte y tratamiento del agua. 9.3.3 RECLAMACIÓN Y REUTILIZACIÓN DEL AGUA Ya que cuestiones como el crecimiento de la población, los cambios demográficos en donde la gente vive y donde se localiza la industria, y los actuales y futuros cuestionamientos sobre la escasez del agua, la reclamación y reutilización del agua comienzan a ser muy importantes. Por ejemplo, estados como California, Arizona, Georgia y Florida ya han incorporado la reclamación y reuso del agua en sus decisiones de manejo del agua. Esto se debe a su clima, la creciente población y a que su extensiva producción agrícola es dependiente del agua. No obstante, con la escasez volviéndose cada vez más una situación común, áreas que alguna vez se pensaron eran ricas en agua deben siempre incorporar el reuso y la reclamación del agua a sus decisiones de manejo del agua. Las plantas de tratamiento de aguas residuales típicamente se han situado para tomar ventaja de la gravedad para transportar el agua residual recolectada y a facilitar la disposición del efluente ya tratado. Estas son dos razones por las cuales muchas plantas se localizan cerca de cuerpos de agua superficial. Las plantas de tratamiento también se sitúan cerca de las zonas urbanas, en donde se genera la mayor parte del agua residual. Una clave para la reclamación y reutilización exitosa del agua es poner la calidad del efluente de agua residual a la par con los requerimientos de calidad de agua de los nuevos usuarios. Actualmente, la mayor parte del agua reclamada se utiliza en la industria o la agricultura que pueden localizarse muy lejos de las grandes plantas de INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC c09.indd 365 Reclamación y reutilización del agua http://www.epa.gov/region09/water/ recycling/ ALFAOMEGA 8/30/11 2:59:31 PM 366 Capítulo 9 Abastecimiento de agua, distribución y recolección de aguas residuales Tabla / 9.6 Ejemplos de reclamación y reutilización del agua Todas las fuentes de agua reclamada son aguas residuales domésticas tratadas. En una escala global, se espera que la capacidad de reuso del agua aumente de 19.4 millones m3/día a 54.5 millones de m3/día para el año 2015. Ubicación Uso del agua reclamada Cuestiones resueltas por los ingenieros por medio de soluciones de extensión, técnicas y políticas Distrito de Saneamiento de Hampton Roads, Virginia Agua de servicio y agua para calderas en refinería petrolera Se necesitó tratar el amoniaco durante la estación fría, y producir agua con niveles de turbiedad más consistentes. Distrito de aguas del rancho Irving, California Irrigación para jardinería para el público y negocios, edificios de oficinas con plomería dual que utilizan agua para sanitarios y urinales, torres de enfriamiento de oficinas comerciales, irrigación agrícola Se acumula TDS en el agua reciclada. Las demandas estacionales para irrigación de jardinería necesitan ser balanceadas con limitaciones de almacenamiento del medioambiente urbano. Sistema de aguas de San Antonio Texas Agua de enfriamiento para central de energía, enfriamiento industrial, mantenimiento de ríos, irrigación de jardinería El deterioro de la calidad del agua en el sistema de distribución puede darse por el mayor contenido de sólidos del agua reclamada. Las preocupaciones por conexiones cruzadas con el agua potable y el impacto de mayores contenidos de TDS sobre la vegetación. Instalación regional sur de reclamación del agua, Florida Irrigación agrícola y de jardinería, protección contra heladas en cosecha de cítricos, recarga de aguas subterráneas Posible impacto en la irrigación con aguas reclamadas. Distrito de aguas del condado de Orange, California Recarga de agua subterránea que subsecuentemente suplementa el abastecimiento de agua potable, irrigación de jardinería Contaminantes emergentes como los orgánicos de bajo peso molecular, farmacéuticos y productos químicos disruptivos endocrinos en las aguas reclamadas. FUENTE: Crook, 2004; GWI, 2005. Discusión en clase Muchas cuestiones técnicas asociadas con la reclamación y reutilización del agua han sido abordadas con éxito. ¿Son los insumos de energía y materiales altos o bajos para esta tecnología? ¿Cuáles son algunos de los cambios sociales para reutilizar el agua en usos domésticos? ¿Qué desafíos se pueden encontrar como ingenieros trabajando con una comunidad en un proyecto de reuso de agua? ¿Cómo se sobrepondría a estos retos de forma equitativa y justa? ALFAOMEGA c09.indd 366 tratamiento de aguas residuales. Así, cualquier agua reclamada necesita ser transportada por grandes distancias antes de poder ser reutilizada. Para contrarrestar este problema, se están diseñando y construyendo pequeñas y descentralizadas plantas de reclamación satelital. Estas plantas combinan procesos de tratamiento primario, secundario y terciario para tratar una porción del arroyo de aguas residuales cerca de los lugares en donde puede ser utilizada, eliminando así la necesidad de transportar el agua reclamada por largas distancias. La tabla 9.6 presenta varios ejemplos exitosos de reclamación y reuso del agua. En cada caso, la fuente del agua reclamada es el agua residual doméstica tratada. El agua reclamada tiene una variedad de usos incluyendo domésticos, industriales y agrícolas, así como recarga de aguas subterráneas e irrigación de jardinería. INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC 8/30/11 2:59:31 PM 9.3 Utilización del agua 367 9.3.4 ESCASEZ DE AGUA Uno de los más urgentes problemas de seguridad social en el futuro seguramente será la escasez de agua, una situación en donde no hay agua suficiente para satisfacer las necesidades humanas normales. Se define a un país que experimenta estrés hídrico cuando los abastecimientos anuales de agua caen por debajo de 1 700 m3 por persona. Cuando los niveles anuales de agua caen por debajo de 1 000 m3 por persona, la situación del país se define como de escasez de agua. Por una medición, cerca de 2 mil millones de personas padecen actualmente una severa escasez de agua. Se espera que este número aumente sustancialmente conforme crece la población y el nivel de vida (y por lo tanto de consumo de agua) se eleve en el mundo. Se espera que los cambios climáticos tengan un impacto sobre la precipitación (vea la tabla 9.7). Algunas zonas se beneficiarán de un aumento de lluvias de 10 a 40%, pero otras seguramente enfrentarán de 10 a 30% de descenso en la lluvia. Algunas regiones de las que verán aumentar la lluvia también se volverán vulnerables a eventos de lluvia extremos, asociados con las inundaciones y la erosión. La población que será más vulnerable a los cambios climáticos es pobre y depende de la lluvia y de los recursos Tabla / 9.7 Ejemplos del posible impacto de los cambios climáticos sobre los recursos del agua proyectados para mediados y finales del siglo Fenómeno y dirección de la tendencia Probabilidad de tendencias futuras basadas en proyecciones hacia el siglo XXI Impacto(s) principal(es) Sobre la mayoría de las zonas terrestres, más calor y menos días y noches frías, más calor y días y noches calurosas más frecuentes Virtualmente asegurado Efectos sobre los recursos de agua apoyados por la nieve derretida, efectos en algunas fuentes de agua Tiempos calurosos/oleadas de calor, aumentos frecuentes en zonas terrestres Muy probable La demanda de agua se incrementa, problemas de la calidad del agua, por ejemplo, proliferan las algas Eventos de fuertes precipitaciones, aumentos de frecuencia en la mayoría de las zonas Muy probable Efectos adversos en la calidad del agua superficial y subterránea, contaminación de abastecimientos de agua, la escasez puede ser recuperada Aumento en las zonas afectadas por la sequía Posible Estrés hídrico más generalizado Aumento de intensidad de la actividad de ciclones tropicales Posible Cortes en el suministro eléctrico que causen la ruptura del abastecimiento de agua pública Creciente incidencia de niveles extremos en los altos niveles del mar (excluye tsunamis) Posible Disminución en la disponibilidad de agua dulce debido a la intrusión de aguas saladas FUENTE: Utilizado con permiso del Panel Intergubernamental sobre el Cambio Climático 2007: Climate Change 2007: Impacts. Adaption and Vulnerability, Resumen para los diseñadores de políticas, de la tabla SPM.1. INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC c09.indd 367 ALFAOMEGA 8/30/11 2:59:31 PM 368 Capítulo 9 Abastecimiento de agua, distribución y recolección de aguas residuales Discusión en clase ¿Cómo afectan sus acciones individuales y profesionales relacionadas con el uso de energéticos al abastecimiento y uso de agua que finalmente afecte a generaciones futuras de los pobres del mundo y los ecosistemas nativos? ¿Qué decisiones tomadas por ingenieros tienen mayor impacto más alla de las áreas locales en donde son implementadas? de agua locales para su salud y supervivencia económica. Esta gente también suele vivir en áreas propensas a desastres asociados con el agua como las sequías e inundaciones. 9.4 Demanda municipal de agua La cantidad de agua utilizada (o necesaria) es crítica en la planificación y diseño de un sistema de agua municipal. La tasa estimada de agua utilizada es comúnmente conocida como demanda municipal de agua. En general, la(s) fuente(s), la localización y el tamaño de las instalaciones de agua y las tuberías para conectar estas instalaciones con los usuarios todos dependen de la demanda. Aunque la demanda estimada de agua es crítica para la planificación de un sistema, no existe un método único para medirla o estimarla. La cantidad de agua municipal utilizada se basa en el tipo y número de usuarios del sistema. El diseño y tamaño de una planta de agua o de aguas residuales se basa en la estimación del uso actual y el uso futuro potencial de los usuarios a quienes el sistema sirve. Otros factores como el agua adicional para protección contra incendios e influjos a las alcantarillas en tiempos de lluvia aumentan el volumen real de agua que deberá ser tratada. El diseño y tamaño de la red de tubería para abastecer agua o recolectar aguas residuales se basa no sólo en el uso de agua estimado, sino también en la localización de usuarios específicos relativa a las instalaciones de tratamiento. Por ejemplo, la localización de un usuario industrial de gran tamaño quizá no afecte enormemente la cantidad total de agua a ser procesada por la planta de tratamiento, pero el tamaño de la red de tubería que conectará al usuario con la planta sí se verá afectado en grande manera. Un usuario industrial cercano a la planta necesitará menor cantidad de tubería de gran diámetro de la que sería necesaria si el usuario estuviera lejos de la planta de tratamiento. 9.4.1 CREACIÓN DE MODELOS PARA ESTIMAR LA DEMANDA Estimar la demanda de agua generalmente tiene que ver con crear un modelo del sistema que copie al sistema real. Las decisiones que se toman para crear un modelo exacto depende del propósito intencional del modelo y de la información por él requerida, por lo tanto, los propósitos del modelo se definen desde el principio, de tal manera que el tipo adecuado de modelo sea seleccionado. En general, los objetivos para modelar la demanda de agua son dobles: 1. Sistemas existentes: desarrollar un modelo que simule con exactitud la operación del sistema existente. 2. Sistemas propuestos: desarrollar un modelo que se volverá una herramienta de planificación que guiará el diseño de un sistema futuro. © Eric Delmar/iStockphoto. ALFAOMEGA c09.indd 368 El tipo de modelo y los detalles asociados se definen con base a los objetivos del modelo específico. Los detalles de un modelo se pueden clasificar como modelos de microescala o modelos de macroescala. Los modelos de macroescala se utilizan para estimar la demanda total de agua, el tamaño de las instalaciones de tratamiento y el almacenamiento de sistema requerido INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC 8/30/11 2:59:31 PM 9.4 Demanda municipal de agua 369 para contabilizar los ciclos diarios de utilización del agua. El detalle de que una tubería de un tamaño específico esté conectada a cinco usuarios en un edificio certificado como verde por LEED en la avenida principal no sería requerido en este caso. No obstante, un modelo de microescala del diámetro específico de tubería y los sistemas cercanos que le rodean podría ser útil para determinar el tamaño de la bomba en una estación de bombeo utilizada para protección contra incendios pues, en este caso, la demanda de agua sería la necesaria para extinguir el fuego. La tabla 9.8 resume la variedad de datos utilizados para estimar la demanda de agua. Dependiendo de los objetivos y detalles de un modelo, los datos requeridos pueden ser solamente de uno o dos tipos, o se puede necesitar mayor cantidad de datos que los registrados en la tabla 9.8. La disponibilidad y exactitud puede variar enormemente. Los mapas y dibujos de los sistemas existentes, datos históricos sobre el clima, y datos operacionales son usualmente de fácil obtención y por lo general exactos. Los datos requeridos para planear hacia el futuro como los cambios demográficos, uso futuro de los terrenos y clima proyectado pueden ser significativamente inciertos. Una vez que se localiza cualquier dato, se debe revisar críticamente en cuanto a su sustentabilidad para enfrentar las necesidades del modelo. Cualquier documento histórico debe ser evaluado y verificado para asegurar la exactitud de la información. Tabla / 9.8 Tipo de datos que pueden ser necesarios para crear un modelo de demanda de agua Tipo de datos Descripción de la información Datos del sistema Esta es la distribución física del sistema, ejemplo de datos incluye dibujos del proceso para una planta de tratamiento, redes de tubería para distribución de agua o recolección de alcantarillas o la distribución de algún nuevo desarrollo. Esto incluye las dimensiones del sistema (longitud, anchura, altura) y las elevaciones. Datos operacionales Esta es información sobre el sistema cuando está en operación. Ejemplos de datos incluyen niveles de agua en los tanques de la planta de tratamiento o en tanques de almacenamiento, tasas de bombeo de las bombas o niveles de agua de pozos húmedos. Mucha de esta información ya es conocida para los operadores del sistema. Datos de consumo Este es el uso estimado de agua para los usuarios. Los datos incluyen la demanda diaria de agua per cápita, los valores de demanda diaria para un usuario específico como un edificio grande o la demanda de protección contra incendios. También hay estimaciones típicas de los cambios en los patrones de uso de agua como las estrategias de conservación de agua. Datos del clima Estos consisten en datos de la precipitación pluvial y las temperaturas estacionales. La temperatura y la lluvia pueden tener una gran influencia en la demanda de agua. Se podrían utilizar otros datos climáticos si fuese necesario y también se pueden utilizar las predicciones climáticas. Datos demográficos y de uso de la tierra Esta información puede ser de los usuarios y cómo los usuarios utilizan su propiedad. Incluye números de población y la creciente o decreciente población futura esperada, los tipos de usuarios (habitacional, comercial, industrial, etc.) y su localización. La planificación del transporte tiene una gran influencia sobre esto. INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC c09.indd 369 ALFAOMEGA 8/30/11 2:59:31 PM 370 Capítulo 9 Abastecimiento de agua, distribución y recolección de aguas residuales Uso histórico del agua según el tipo de clientes: habitacional, comercial, industrial, institucional, recreacional Datos proyectados demográficos, de uso de suelo y de cambio climático Datos del sistema Demanda de agua proyectada prevista 10-40 años Patrones de uso de agua diarios y de temporada Otros factores como la conservación del agua y las influencias económicas Datos climáticos Figura 9.8 Proceso general utilizado para crear un modelo para estimar la demanda futura de agua. .mx/h ua ega.c ttp om om l.alfa El proceso de un modelo para estimar la demanda de agua en general se muestra en la figura 9.8. El proceso empieza con la recolección y evaluación de información histórica sobre el tipo de usuarios a los que se les da servicio. Al partir de esta información se pueden determinar los ciclos diarios y estacionales. La inclusión de datos de expectativas futuras, demográficas, de uso de suelo (y aun predicciones de cambios climáticos) hacen posible estimar la demanda futura de agua. Debido a la disponibilidad e incertidumbre de los datos, es común utilizar diferentes métodos para estimar la demanda futura. Por ejemplo, al estimar la demanda de agua de una zona habitacional para determinar el tamaño de una planta de tratamiento, un simple análisis del uso actual del agua por casa multiplicado por el número proyectado de hogares puede ser tan buena estimación que un modelo detallado y complicado de todo el sistema. Demanda de agua: simulador de descarga de demanda 9.4.2 ESTIMACIÓN DEL FLUJO DE AGUA Y DE LAS AGUAS RESIDUALES Obtener datos sobre el agua dulce y el agua residual es un paso fundamental para diseñar un sistema de distribución de agua, un sistema de recolección de alcantarillado o para calcular una planta de tratamiento. Las tasas y los patrones de flujo varían de forma enorme de sistema a sistema y dependen altamente del tipo y número de usuarios a los que se da servicio, del clima y de : / /v i r t 1.6 1.4 1.2 Flujo (L/s) 1.0 0.8 0.6 Figura 9.9 Flujo de distribución de aguas residuales durante 20 horas en San Antonio, Bolivia Aproximadamente 420 personas viven en San Antonio. Los flujos pico ocurren temprano por las mañanas, y ya por la tarde poco antes de anochecer. ALFAOMEGA c09.indd 370 0.4 0.2 0 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Horas INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC 8/30/11 2:59:31 PM 9.4 Demanda municipal de agua 371 la economía local. La figura 9.9 muestra los flujos de agua residual medidos diariamente para una población de aproximadamente 420 personas viviendo en San Antonio, Bolivia. Nótese cómo la producción de aguas residuales (y el correspondiente uso de agua) dependen del tiempo conforme las casas y otros usuarios del sistema incorporan el agua dentro de su estilo de vida diaria. La demografía específica de cada región cambiará la forma de la figura. Por ejemplo, en Estados Unidos el pico de la mañana es generalmente más elevado que el pico de la tarde. Y en las comunidades de dormitorios, generalmente hay un pico muy temprano por la mañana conforme la gente se despierta más temprano para transportarse a las zonas urbanas de trabajo. La mejor fuente de información para estimar la demanda son casi siempre los datos de flujo generados. En un sistema existente, están disponibles en forma usual los registros históricos de uso de agua. Por lo general, las instalaciones de tratamiento y abastecimiento de agua tienen información sobre los cambios de nivel de agua en las presas y la velocidad a la que el agua es bombeada (con lo que los balances de agua pueden utilizarse para calcular el flujo por hora). Para los usuarios existe el típico registro de recibos que pueden tener medidores de flujo asociados a ellos, pero sólo darán promedios de uno o dos meses. Típicamente, hay información disponible más detallada sobre las tasas de uso de agua y las tasas de generación de aguas residuales. Un acercamiento a la estimación de la generación de aguas residuales es utilizar las tasas de uso de agua y entonces asumir que entre 60 o 90% del agua se vuelve agua residual (Tchobanoglous et al., 2003; Walski et al., 2004). No obstante, estas tasas cambiarán enormemente con el clima, las estaciones y el tipo de usuario. El uso de agua en interiores es en general equivalente a la generación de aguas residuales, ya que el agua utilizada en exteriores generalmente no entra al sistema de recolección de aguas residuales. Un modelo simple para estimar el uso residencial de agua en interiores se expresa de la siguiente manera (Mayer et al., 1999): Y = 37.2X + 69.2 (9.1) En donde Y es el uso de agua en interiores por casa (gpd) y X es el número de personas por casa. Para usuarios nuevos, el uso histórico del agua o las tasas de generación de aguas residuales se puede utilizar para determinar las nuevas demandas de agua. Los registros históricos se utilizan para estimar los valores para el uso de agua o la generación de aguas residuales por unidad. La tabla 9.9 da los valores típicos y las tasas esperadas. Una estimación del número de unidades añadidas al sistema se determina con base al tipo proyectado del nuevo usuario. Entonces, para determinar la demanda adicional de agua en galones por día, los valores típicos de flujo se multiplican por el número adicional de unidades. Las tasas de uso de agua para fuentes industriales son altamente específicas en cuanto a locacion y deberían basarse en registros históricos o el diseño de caudales para nuevos usuarios industriales. Por ejemplo, un Ford Taurus, incluyendo las llantas, requiere más de 147 000 L de agua para producción y entrega al mercado, un pantalón de mezclilla requiere más de 6 800 L y un periódico dominical 568 L. El agua residual generada por fuentes industriales también varía enormemente dependiendo de cuánta agua se usa y para qué se usa. En muchas industrias, el agua es utilizada en procesos en donde una gran parte se puede perder por evaporación. De ser posible, las industrias deberían contar con un medidor para determinar los flujos reales. INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC c09.indd 371 ALFAOMEGA 8/30/11 2:59:32 PM 372 Capítulo 9 Abastecimiento de agua, distribución y recolección de aguas residuales Tabla / 9.9 Usos típicos del agua y valores de generación de aguas residuales Se muestran los valores para diferentes usuarios y pueden ser utilizados para estimar escenarios futuros. Flujo de uso de agua (gal/unidad por día) Fuente Unidad Departamento Persona Tasa 100–200 Típica 100 Recámara Tienda departamental Baño Hotel Flujo de generación de aguas residuales (gal/unidad por día) Tasa Típica 35–80 55 100–150 120 400–600 550 350–600 400 Huésped 40–60 50 65–75 70 Casa típica Persona 40–130 95 45–90 70 Casa de lujo Persona 75–150 95 Cabaña de verano Persona 25–50 40 Casa individual: Edificio de oficinas Empleado 8–20 15 7–16 13 Restaurante Usuario 8–10 9 7–10 8 Con cafetería, gimnasio y y regaderas Estudiante 15–30 25 15–30 25 Sólo con cafetería Estudiante 10–20 15 10–20 15 Escuelas: FUENTE: Datos obtenidos de Tchobanoglous y Burton, 1991; Tchobanoglous et al., 2003. El uso de agua y la generación de aguas residuales también se pueden determinar con datos de uso de suelo. Aunque este método se utiliza principalmente cuando se diseñan sistemas de distribución de agua o de recolección de aguas residuales para futuros desarrollos (Walski et al., 2003, 2004; AWWA, 2007), también se pueden utilizar para estimar los flujos esperados para dimensionar instalaciones de agua y de tratamiento de aguas residuales. El uso de suelo se clasifica basándose en el tipo de usuario (habitacional, comercial o industrial) y la densidad de usuarios (casas por zona, comercial ligero, comercial denso, etc.). Al analizar los registros históricos o utilizar valores asumidos, se puede determinar el uso de agua o la generación de aguas residuales por área de terreno. Entonces, los reglamentos locales de bonificación para el desarrollo propuesto dan la información para determinar la tasa de uso de agua y la tasa de generación de aguas residuales. 9.4.3 FLUJOS DE TIEMPO VARIABLE Y CICLOS ESTACIONALES Los métodos descritos en la sección previa dan generalmente las tasas de flujo promedio para uso de agua y generación de aguas residuales. La tasa promedio de flujo da una idea de la cantidad de agua que necesita ser tratada o transportada por el sistema de tuberías, pero el diseño real necesita ser capaz de manejar las variaciones diarias y estacionales esperadas en los flujos de agua. Una planta de tratamiento adecuadamente diseñada debe ser capaz ALFAOMEGA c09.indd 372 INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC 8/30/11 2:59:32 PM 9.4 Demanda municipal de agua 373 de manejar toda la tasa de flujos esperados. Las instalaciones de almacenamiento como los tanques de almacenamiento para la distribución del agua, o pozos húmedos para la recolección del agua residual pueden ser utilizados para minimizar las fluctuaciones en el flujo diario hacia la planta de tratamiento, pero las variaciones estacionales pueden tener un gran impacto en las instalaciones de tratamiento y en cómo éstas se operan. También, la red de tuberías debe dimensionarse para manejar el flujo máximo esperado a la vez que trabajar efectivamente para tasas de flujo muy bajas. Las variaciones en el flujo para los sistemas municipales típicamente siguen un ciclo de 24 horas. No obstante, este ciclo puede cambiar en forma gradual durante la semana (flujo semanal contra flujo de fin de semana) y estacionalmente. El uso de agua en las tardes de un caliente fin de semana veraniego puede ser enorme debido al uso exterior de agua como regar el pasto y llenar albercas. Al mismo tiempo, la generación de aguas residuales puede permanecer dentro de su patrón diario típico porque el uso de agua en interiores se mantiene igual. Alternativamente, en un día fresco y lluvioso, el uso de agua se mantendría típico, pero los flujos de agua residual podrían elevarse por el agua de lluvia que entra al sistema recolector. En la mayoría de los días, las comunidades tienen muy poco flujo nocturno, un flujo incrementado por las mañanas y un flujo promedio durante el día, seguido por un segundo incremento en el flujo al atardecer. Los ciclos diarios para usuarios individuales también se pueden determinar. La figura 9.10 muestra ejemplos del uso diario del agua para diferentes tipos de usuarios. Advierta cómo el patrón de la demanda individual puede ser muy diferente del patrón de demanda de toda la comunidad. La mayor parte del tiempo, un patrón de demanda individual es insignificante y tiene poco efecto en el patrón de toda una comunidad. No obstante, un usuario mayor de agua (como una industria grande) puede afectar los patrones de demanda en los sistemas locales de distribución de agua y de recolección de alcantarillados, especialmente en una comunidad pequeña con un solo usuario mayor. Para los sistemas municipales, un factor de demanda (DF) se determina partiendo de los registros históricos para calcular las tasas típicas de flujos b) Tiempo Comercial Tiempo INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC c09.indd 373 Tiempo d) Toda la comunidad Demanda Demanda c) Habitacional Demanda Industrial Demanda a) Figura 9.10 Tiempo Ciclos diarios de demanda Los ciclos difieren dependiendo del tipo de usuarios: a) industrial, b) habitacional, c) comercial y d) toda la comunidad. ALFAOMEGA 8/30/11 2:59:32 PM 374 Capítulo 9 Abastecimiento de agua, distribución y recolección de aguas residuales Tabla / 9.10 Eventos comúnmente determinados de factores de demanda para comunidades Evento Descripción Tasa del factor de demanda Demanda máxima del día La tasa promedio de todas las demandas máximas registradas anualmente 1.2–3.0 Demanda mínima del día La tasa promedio de todas las demandas mínimas registradas anualmente 0.3–0.7 Demanda de hora pico La tasa promedio de toda la demanda máxima por hora anualmente 3.0–6.0 Jornada máxima de registro La más alta demanda del día registrada ⬍6.0 FUENTE: Adaptado de WEF, 1998; Walski et al., 2003. máximos y mínimos por día. Determinar los valores de demanda para una comunidad entera es relativamente fácil, pues existen registros de flujo en las instalaciones de tratamiento. El factor de demanda para diferentes condiciones se determina partiendo de la tasa de flujo promedio y la tasa de flujo para condiciones extremas: DF = Qevento Qpromedio (9.2) en donde Qevento es la tasa de flujo de evento (volumen/tiempo), Qpromedio es la tasa de flujo promedio (volumen/tiempo) y DF es el factor de demanda (sin unidades). La tabla 9.10 muestra cómo los factores de demanda se asocian con los eventos particulares. Los registros históricos se pueden utilizar para determinar el promedio anual, las tasas de uso de agua máximos y mínimos registrados o los valores de generación de aguas residuales. Ya que estos valores son específicos del sistema, el factor de demanda real se debe determinar para cada sistema evaluado. Para determinar las tasas de flujo de diseños máximos y mínimos para una instalación de tratamiento de aguas o para una red de tuberías, un factor pico (similar al factor de demanda) se aplica a la tasa de flujo diario promedio. El factor pico (PF) es un multiplicador que se utiliza para ajustar la tasa de flujo promedio al diseño o para dimensionar los componentes de un sistema de distribución de agua o de recolección de aguas residuales (tuberías, bombas, tanques de almacenamiento y demás). La ecuación 9.3 se puede utilizar para determinar estos diseños de tasas de flujo: Qdiseño = Qpromedio * PF (9.3) en donde Qdiseño es la tasa de flujo del diseño (volumen/tiempo), Qpromedio es la tasa de flujo promedio (flujo/tiempo) y PF es el factor pico para diseñar (sin unidades). La tabla 9.11 da los factores pico o flujos de diseño utilizados en los procesos de las instalaciones de tratamiento de agua potable y de aguas residuales. ALFAOMEGA c09.indd 374 INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC 8/30/11 2:59:32 PM 9.4 Demanda municipal de agua 375 Tabla / 9.11 Diseño de flujos y factores pico utilizados para dimensionar plantas de tratamiento de agua potable y de aguas residuales Proceso de tratamiento de la operación de las instalaciones Planta de tratamiento de agua potable Planta de tratamiento de agua residual Capacidad hidráulica de la planta Qmáx. día ⫻ (1.25 a 1.50) Qmáximo instantáneo Procesos de tratamiento Qmáx. día Qpromedio ⫻ (1.4 a 3.0) Bombeo de fangos Qmáx. día Qpromedio ⫻ (1.4 a 2.0) FUENTE: Adaptado de Crittenden et al., 2005; Chen, 1995. Los detalles en cuanto al uso de factores pico para el diseño de las instalaciones de tratamiento y las redes de tuberías se comentan en otra parte para las instalaciones de tratamiento de aguas (Crittenden et al., 2005), las instalaciones para el tratamiento de aguas residuales (Chen, 1995; Tchobanoglous et al., 2003), los sistemas de distribución de aguas (Walski et al., 2003) y los sistemas de recolección de aguas residuales (Walski et al., 2004). e j e m p l o / 9.2 Utilización de registros históricos para calcular los factores de demanda y tasa de uso de agua en los hogares Calcule los factores de demanda diarios máximos y mínimos con los datos reunidos de los reportes anuales de agua para una planta pequeña de tratamiento de aguas. Después calcule la tasa promedio de uso de agua en los hogares con los datos de todos los años. Los valores de flujo medido para cada año se resumen en la tabla 9.12. Tabla / 9.12 Valores de flujo medido para el ejemplo 9.2 Año Promedio (gpd) Máximo diario (gpd) Mínimo diario (gpd) Hogares servidos 2001 834 514 1 325 486 324 851 5 567 2002 843 842 1 354 826 314 584 5 603 2003 854 247 1 334 287 300 145 5 671 2004 837 055 1 341 024 365 454 5 789 2005 828 103 1 362 487 298 764 5 894 2006 858 076 1 356 214 325 141 5 969 2007 861 003 1 384 982 336 954 6 002 2008 868 150 1 368 920 310 247 6 048 INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC c09.indd 375 ALFAOMEGA 8/30/11 2:59:32 PM 376 Capítulo 9 Abastecimiento de agua, distribución y recolección de aguas residuales e j e m p l o / 9.2 Continuación solución: Factores de demanda Determine el factor de demanda cada año para los eventos extremos. Para el año 2001: DFmáx. día = DFmín. día = Qmáx. día Qpromedio Qmín. día Qpromedio = = 1 325 486 gpd 834 514 gpd 324 851 gpd 834 514 gpd = 1.59 = 0.39 De la misma manera, el factor de demanda promedio puede determinarse para los otros años utilizando todos los datos. De los promedios anuales, el promedio total puede determinarse como sigue: Año DFmáx. día DFmín. día 2001 1.59 0.39 2002 1.61 0.37 2003 1.56 0.35 2004 1.60 0.44 2005 1.65 0.36 2006 1.58 0.38 2007 1.61 0.39 2008 1.58 0.36 Promedio 1.60 0.38 El factor de demanda máximo diario es de 1.60 y el factor de demanda mínimo diario es de 0.38. Estos resultados se comparan muy bien con los valores de DF establecidos en la tabla 9.10, en donde el factor de demanda máximo diario va de 1.2 a 3.0 y el factor de demanda mínimo diario va de 0.3 a 0.7. solución: Tasas de uso Enseguida se calcula la tasa de uso de agua en los hogares con los datos para todos los años. La tasa de uso de agua en los hogares para cada año puede determinarse para cada año de datos. Para el año 2001: tasa de uso = Qpromedio hogares medidos = 834 514 gpd 5 567 hogares = 150 gpd/hogar ALFAOMEGA c09.indd 376 INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC 8/30/11 2:59:32 PM 9.4 Demanda municipal de agua e j e m p l o / 9.2 377 Continuación Al usar la misma fórmula, la tasa de uso de agua en los hogares puede determinarse para los años remanentes como se muestra en la siguiente tabla: Año Tasa de uso en los hogares (gpd/hogar) 2001 150 2002 151 2003 151 2004 145 2005 140 2006 144 2007 143 2008 144 Promedio 146 La tasa de uso de agua en los hogares promedio es de 146 gpd/hogar. Recuerde que el uso de agua habitacional promedio es de aproximadamente 101 gpdc. Por lo que en apariencia esta comunidad tiene un promedio de 1.5 individuos por hogar. La detección de plomo, la incorporación de tecnologías de ahorro de aguas, los recordatorios públicos para conservar el agua y la promoción del uso de vegetación nativa que requiere poca agua son algunos métodos que pueden reducir el uso de agua y eliminar la necesidad de desarrollar fuentes de agua adicionales que son caras y destructivas en lo social o en lo económico. 9.4.4 DEMANDA DE FLUJO DE INCENDIOS Y NO CONTABILIZADA PARA EL AGUA Un sistema de aguas debe ser capaz de proveer agua rápidamente para las necesidades sociales para asegurar la protección adecuada debido a emergencias de incendios. También, una porción del agua proporcionada será perdida debido a las fugas del sistema, el uso no medido (protección contra incendios y mantenimiento), robos u otras causas. Durante una emergencia de incendio, la demanda de agua para protección contra incendios puede tener un gran efecto en la provisión y la distribución. En una comunidad, el agua utilizada para la protección contra incendios generalmente es jalada de hidrantes cercanos, los cuales pueden reducir en gran medida la presión de agua disponible para los usuarios locales. Para las grandes industrias, el agua es algunas veces almacenada en sitio para la protección contra incendios. Generalmente, la cantidad de agua requerida para la protección contra incendios depende del tamaño de la estructura que se está quemando, la manera en que la estructura fue construida, la cantidad de material combustible en la estructura y la proximidad de otros edificios. INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC c09.indd 377 ALFAOMEGA 8/30/11 2:59:32 PM 378 Capítulo 9 Abastecimiento de agua, distribución y recolección de aguas residuales Tabla / 9.13 Flujo de incendios requerido (NFF) para pequeñas casas familiares Distancia entre edificios (pies) NFF (gpm) ⬍11 1 500 11–30 1 000 31–100 750 ⬎100 500 FUENTE: Valores de la ISO, 1998. En Estados Unidos, la protección contra incendios comunitaria es tasada y evaluada por la Oficina de Servicios y Seguros (ISO) utilizando el Sistema de tasas de protección contra incendios (ISO, 1998, resumida en AWWA, 1998). Para un sistema municipal, la ISO evaluará la fuente de provisión de agua, la planta de tratamiento y las capacidades de bombeo, la red de tuberías de distribución de aguas y el posicionamiento y espaciado de hidrantes. El sistema de aguas debería tener el almacenamiento, la capacidad de bombeo y las tuberías disponibles para administrar la demanda máxima diaria más la demanda de flujo de incendios en cualquier momento durante el día. En muchas situaciones, la demanda de flujo de incendios ies igual al flujo de incendios requerido (NFF) de la ISO para las propiedades habitacionales, comerciales e industriales. La tabla 9.13 proporciona el NFF para casas familiares pequeñas. El NFF se determina con base en el espaciado de las casashabitación. Para las estructuras comerciales o industriales, el NFF se basa en el tamaño del edificio, clase de construcción (por ejemplo, marcos de madera), tipo de ocupación (por ejemplo, tienda departamental), exposición a edificios adyacentes y lo que se conoce como un factor de comunicación (ubicación y tipos de puertas de protección contra incendios). La ecuación general de la ISO para un NFF mínimo de 500 galones por minuto (gpm) es: NFF = 18 * F * A0.5 * O * (1 + g(X + P)) Tabla / 9.14 Duración recomendada de flujo de incendios requerido (NFF) para la protección contra incendios NFF (gpm) Duración (horas) Almacenamiento (gal) ⬍2 500 2 ~300 000 3 000–3 500 3 540 000– 630 000 ⬎3 500 4 ⬎840 000 FUENTE: Valores de Walski et al., 2003. (9.4) en donde NFF es el flujo de incendios requerido (gpm), F es el factor de construcción (0.6 a 1.5), A es el área efectiva de construcción (pies cuadrados), O es el factor de ocupación (0.75 a 1.25), X es el factor de exposición (0 a 0.25) y P es el factor de comunicación (0 a 0.25). El procedimiento completo para determinar el NFF para una estructura puede encontrarse en el Fire Suppression Rating Schedule de la ISO (ISO, 1998) y en el Manual M-31 de AWWA (AWWA, 1998). En adición al NFF, la tabla 9.14 proporciona valores para el almacenamiento recomendado para la protección contra incendios junto con la duración a la que el agua debería ser provista. El agua que se produce por una instalación de tratamiento es administrada a un usuario mediante un sistema de distribución de aguas. Sin embargo, una porción de dicha agua no llega al usuario o es utilizada como flujo no medido. Este flujo no medido incluye 1) lo que se pierde en el sistema debido a las fugas y frenos en las pipas y uniones, 2) usos no medidos como protección contra incendios y mantenimiento, 3) robo de agua y, 4) una variedad de otras pérdidas de agua menores. En general, en todos los casos, más agua se producirá y entrará al sistema de distribución de la que se entrega a los usuarios. Para determinar esta agua no contabilizada, sustraiga la suma del agua medida para cada usuario del agua medida que deja las instalaciones de tratamiento de aguas: agua no contabilizada (%) = agua producida - uso medido agua producida * 100 (9.5) Muchas veces, el agua no contabilizada se utiliza para calibrar el desempeño de un sistema de distribución de aguas. En una base anual, se espera que menos de 10% del agua producida se pierda como agua no contabilizada. Sin embargo, para los sistemas más antiguos, el agua no contabilizada ALFAOMEGA c09.indd 378 INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC 8/30/11 2:59:32 PM 9.4 Demanda municipal de agua 379 puede ser mucho más alta debido al envejecimiento de la red de tuberías, el cual puede tener una cantidad significativa de fugas. El monitorear cercanamente el agua no contabilizada también puede utilizarse como un indicador de cuando algo anda mal en el sistema de distribución de aguas. Un incremento en el agua no contabilizada indica una fuga en la red de tuberías, la cual deberá ser reparada, o una pérdida significativa debido a otro problema, tal como el robo de agua. Con medición interna suficiente (metros por principales de agua, registros de estaciones de bombeo) es posible determinar la ubicación general de reparaciones necesarias o problemas. 9.4.5 FLUJOS DE CLIMA HÚMEDO PARA AGUAS RESIDUALES El agua de escorrentía ya sea de eventos de lluvia o derretimiento de nieve puede entrar al sistema de recolección de aguas residuales a través de cubiertas de pozos de visita, entradas y captaciones diseñadas, y defectos o grietas en la red de tuberías. Los sistemas de recolección de aguas residuales domésticos están diseñados para llevar solo drenaje doméstico (sistema sanitario) o para llevar drenaje doméstico y escorrentía (sistema combinado). Cuando un sistema sanitario se utiliza para recolectar drenaje doméstico, muchas veces un sistema de recolección de agua pluvial separado se diseña para eventos de escorrentía. Los flujos de clima húmedo se definen según el agua pluvial o el derretimiento de nieve entra directamente a un sistema de drenaje combinado a través de entradas y captaciones diseñadas o que entra al drenaje sanitario debido a pozos de visita y defectos de tuberías. La cantidad de flujo de clima húmedo que entra a un drenaje sanitario es generalmente en el mismo orden de magnitud que el del flujo doméstico (clima seco). Sin embargo, el flujo de clima húmedo puede ser mucho más alto para los sistemas sanitarios viejos o cuando existen muchas cubiertas de pozos de visita “con fugas”. Para los sistemas combinados, el flujo de clima húmedo es muchas veces más alto que el flujo de clima seco y es utilizado para dar tamaño a las tuberías en el sistema. Los flujos de clima húmedo están generalmente subdivididos en dos categorías: afluencia e infiltración (I/I) descritos en la tabla 9.15. Cuando los flujos de clima húmedo no se distinguen uno del otro, la combinación de flujos se llama afluencia/infiltración (I/I). El flujo I/I puede variar ampliamente, con base en la edad y condición del sistema de drenajes, clima o estación y la elevación de aguas subterráneas. (Si la tabla de agua subterránea está por encima del sistema de drenaje, puede haber infiltración hacia el drenaje.) El registro de los valores típicos de I/I puede basarse en la longitud Tabla / 9.15 Categorías de flujo de clima húmedo Afluencia Esta es el agua que entra a un sistema de recolección a través de conexiones directas como las captaciones de aguas pluviales, guías de azoteas, bombas de sumidero, drenajes de patios y sótanos, cubiertas de pozos de visita y otras entradas diseñadas. Se calcula al sustraer el flujo típico de clima seco del flujo total medido después de un evento de tormenta. Infiltración Esta es el agua que entra a un sistema de recolección a través de defectos de tuberías, uniones de tuberías, paredes de pozos de visita u otras afluencias sin diseño de ingeniería. Se calcula a medida que el flujo medido temprano por la mañana cuando el uso doméstico es relativamente pequeño y el sistema de drenajes ha sido limpiado del drenaje doméstico. El flujo remanente es en su mayoría por infiltración. INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC c09.indd 379 ALFAOMEGA 8/30/11 2:59:32 PM 380 Capítulo 9 Abastecimiento de agua, distribución y recolección de aguas residuales del alcantarillado, el área de tierra drenada hacia el alcantarillado o el número de pozos de visita. Los valores de I/I para las nuevas alcantarillas sanitarias están generalmente entre 200 a 500 gpd por pulgada de diámetro de tubería y milla de longitud de tubería (Hammer y Hammer, 1996). Una tubería vieja puede tener valores más altos. La I/I basada en el número de pozos de visita generalmente se divide en tres categorías con base en la profundidad de la caída de la lluvia: 1) baja o 3 000 gal/pulg en pozo de visita, 2) medio o 7 700 gal/pulg en pozo de visita y, 3) alto o 20 000 gal/pulg en pozo de visita (Walski et al., 2004). Los valores de I/I comunes basados en el área de tierra varían de 20 a 3 000 galones/acre al día para días no lluviosos. Durante los eventos de tormenta o de derretimiento de nieve, los valores I/I podrían exceder los 50 000 galones/acre al día para los sistemas de alcantarillado más viejos con fugas considerables y puntos para afluencia (Tchobanoglous et al., 2003). El tipo de sistema de alcantarillado puede influenciar enormemente el valor de diseño de I/I. Una alcantarilla sanitaria podría tener una tasa de flujo de diseño de I/I relativamente pequeño en donde la mayoría es por infiltración. Un sistema combinado, el cual se diseña para manejar una gran cantidad de escorrentía, tendría una tasa de flujo de diseño de I/I mucho más alto. El sistema de recolección de aguas residuales y las instalaciones de tratamiento deberían tener la capacidad hidráulica para manejar la generación de agua residual doméstica máxima diaria más el I/I esperado. Los valores de infiltración de diseño para las nuevas alcantarillas varían enormemente con base en la locación, el tipo de material de la tubería, las prácticas de construcción y si la tubería está por arriba o por debajo de la tabla de aguas subterráneas. Las agencias regulatorias en la mayoría de los estados tienen una aceptación máxima para la infiltración. Para un sistema de alcantarillado diseñado para capturar la escorrentía de aguas pluviales, los valores de afluencia se estiman utilizando un modelo de escorrentía con base en un evento de lluvia de diseño, el área de drenaje y la información de uso de suelo. Debido a que este valor de afluencia está basado en un evento de diseño de tormenta, el potencial para fallas hidráulicas (recargas en el sistema de alcantarillado o sobrecarga de la planta de tratamiento) es grande para los eventos de precipitación pluvial. Alianza para la eficiencia del agua 9.4.6 PREVISIÓN DE DEMANDA http://www.a4we.org/ Calcular escenarios futuros es una parte principal del diseño de una instalación de tratamiento, sistema de distribución de aguas o sistema de recolección de alcantarillas. En la mayoría de las situaciones habrá un nivel de incertidumbre con respecto a cuánta agua se requiere y cuánta agua residual se genera. La planificación a largo plazo de una comunidad generalmente incluye el cálculo de la demanda futura de agua para 5, 10, 20 o más años. Es común calcular la demanda futura para varios escenarios diferentes antes de decidir sobre los valores reales para el diseño. También, la comparación de proyecciones a futuro alternativas proporciona una manera de entender qué efectos los datos de entrada o suposiciones pueden tener en la demanda futura de agua. Esto puede usarse como un análisis sensitivo para guiar a los líderes de la comunidad en el proceso de toma de decisiones para cómo planificar los desarrollos futuros, influenciar las prácticas de uso de agua o entender el impacto de grandes usuarios de agua en el sistema. Determinar las especificaciones de escenarios futuros requiere un consenso que incorpora las necesidades ambientales, económicas y sociales para las generaciones actuales y futuras y se desarrolla por ingenieros, planificadores, servi- ALFAOMEGA c09.indd 380 INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC 8/30/11 2:59:33 PM 9.4 Demanda municipal de agua Demanda máxima diaria (millones de gpd) 2.20 o 2.00 aje 1.80 1.60 de rc Po im ec cr t en t ien lin Figura 9.11 Escenarios extrapolados de crecimiento de uso de agua basados en la demanda histórica i ec Cr to en mi l ea 381 Culminación de obra No crecimiento Demanda histórica Declinación de crecimiento 1.40 1.20 1975 1985 1995 2005 2015 2025 2035 2045 Año cios y los interesados en la comunidad. Las tendencias de población y demográficas y la ubicación de cualquier nuevo usuario influenciará enormemente la demanda futura de agua. Otras cuestiones importantes incluyen el impacto en la disponibilidad del agua, el cambio climático y cuestiones de uso de suelo dentro de la cuenca. Con frecuencia más datos se recolectan que cuando es realmente utilizada en el análisis. La figura 9.11 muestra algunos de los escenarios potenciales que pueden ser evaluados para calcular la demanda futura de agua. Este enfoque analiza y extrapola los datos históricos con los escenarios futuros. La caución deberá utilizarse al simplemente extrapolar hacia delante (crecimiento lineal), debido a que las influencias pasadas pueden no permanecer en un futuro. En vez de basar las proyecciones con un método de extrapolación, el previsor puede desarrollar un análisis más a profundidad de las causas potenciales para cambios proyectados en la demanda de agua. Este análisis está basado en el cálculo de la población futura, la demografía, el uso de agua, el número de grandes usuarios (por ejemplo, la industria), escenarios climáticos futuros y cuestiones tecnológicas y sociales que afectan la conservación del agua. En este caso, la demanda de agua se separa en segmentos desglosados para determinar el volumen de agua utilizada (o agua residual generada) por unidad. Entonces, el cambio proyectado para cada cambio se predice, y la demanda resultante de agua nueva se determina (AWWA, 2007; Walski et al., 2003). Estos segmentos desglosados están típicamente basados en los estimados o equivalentes de población, o en designaciones de uso de suelo. Un equivalente de población es un método de convertir el uso de agua (o generación de agua residual) de usuarios comerciales o industriales en la cantidad de agua equivalente utilizada por un número de la población. Por ejemplo, una unidad industrial puede utilizar el equivalente de agua de 150 personas en un área habitacional. La población equivalente proyectada (población real más equivalentes de población) se calcula para determinar la demanda futura de agua. El uso de agua (o generación de agua residual) puede también clasificarse con base en el uso de suelo tal como habitacional leve, habitacional denso, comercial pesado e industrial. Después de determinar el uso de agua para cada categoría y al conocer cualquier nuevo desarrollo propuesto, el previsor determina una demanda de agua proyectada. Otra cuestión importante es que no todos los usuarios requieren la misma calidad de agua en relación con la fuente y el nivel de tratamiento. INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC c09.indd 381 Discusión en clase Desarrolle el(los) escenario(s) futuro(s) específicos para su ubicación que puedan ser añadidos a la figura 9.11 para el uso de agua sustentable. En su(s) escenario(s) incorpore la reutilización del agua como una fuente de su portafolios de agua regional y tome en cuenta el crecimiento específico de la población de su locación; los cambios en la demografía como la edad, la educación y la salud; los cambios en el clima; la estimación de precipitación futura y los cambios esperados en el uso (cambio de uso agrícola a doméstico, por ejemplo). ALFAOMEGA 8/30/11 2:59:33 PM 382 Capítulo 9 Abastecimiento de agua, distribución y recolección de aguas residuales e j e m p l o / 9.3 Proyección de la demanda futura de agua con métodos de extrapolación Proyecte la demanda de agua futura promedio en 8, 14 y 24 años con los siguientes registros históricos. Utilice un método de extrapolación que incluya el crecimiento lineal y la culminación de obra mostrados en la figura 9.11. Año Promedio de demanda medida de agua (gpd) 1999 1 797 895 2000 1 843 661 2001 1 907 000 2002 1 813 000 2003 1 890 000 2004 1 901 145 2005 1 891 860 2006 2 012 201 2007 2 058 492 2008 2 051 339 solución Primero, haga una gráfica de los valores registrados para visualizar la tendencia histórica (vea la figura 9.12a). Con base en estas observaciones se pueden hacer suposiciones del crecimiento esperado (o disminución). En este caso, se proyectará la tendencia futura utilizando el método de extrapolación (figura 9.11). Ambos escenarios futuros se muestran en la figura 9.12b. La siguiente tabla contiene los detalles del uso del agua proyectado. Para el crecimiento lineal, el análisis de regresión lineal fue utilizado para proyectar la demanda futura de agua. El método de extrapolación de culminación de obra requiere suposiciones adicionales. En la figura 9.12b se suponen 8 años de crecimiento lineal seguidos por el comienzo de la culminación de la obra en el año 9. Advierta que muchas otras suposiciones pueden hacerse para extrapolar la demanda futura de agua. Proyeccción de Demanda promedio de agua ALFAOMEGA c09.indd 382 Año Suposición de crecimiento lineal Suposición de culminación de obra 2016 2 190 000 gpd 2 190 000 gpd 2022 2 328 000 gpd 2 239 000 gpd 2032 2 604 000 gpd 2 239 000 gpd INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC 8/30/11 2:59:33 PM 9.4 Demanda municipal de agua e j e m p l o / 9.3 Continuación Figura 9.12 Demanda de agua histórica y proyectada a) Valores registrados de demanda de agua hechos en gráfica para visualizar la tendencia histórica de datos utilizados en el ejemplo 9.3. b) Tendencia de demanda futura de agua proyectada con el método de extrapolación y datos para el ejemplo 9.3. 2.1 Demanda de agua (millones de gpd) 383 2.0 1.9 1.8 1.7 a) 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 Año 2.7 Demanda de agua (millones de gpd) Crecimiento lineal 2.5 2.3 Culminación de obra 2.1 1.9 1.7 b) 1995 2005 2010 2015 2020 2025 2030 2035 Año e j e m p l o / 9.4 Generación proyectada de aguas residuales basada en el tipo de consumidores Una comunidad habitacional con una población de 10 000 está planificando expandir su planta de tratamiento de aguas residuales y el sistema de INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC c09.indd 383 ALFAOMEGA 8/30/11 2:59:33 PM 384 Capítulo 9 Abastecimiento de agua, distribución y recolección de aguas residuales e j e m p l o / 9.4 Continuación alcantarillado. En 15 años, la población se calcula que incrementará a 17 000 residentes, y se construirá un nuevo complejo de departamentos para 500 personas. Un nuevo parque industrial, también planificado, contribuirá con un flujo promedio de 550 000 gpd y un flujo máximo diario de 750 000 gpd. Se espera que se necesiten aproximadamente 9 millas de nueva tubería de alcantarillas. El flujo diario promedio actual hacia la planta es de 1.0 MGD con 16.5 millas de alcantarillados. La afluencia y la infiltración (I/I) promedio actual es de 2 800 gpd/milla, y un I/I máximo diario esperado en un día lluvioso es de 53 000 gpd/milla. El uso de agua habitacional per cápita se espera que sea 8% menos en 15 años, debido a las estrategias de ahorro de agua dentro de la casa. La generación de agua residual máxima diaria típicamente ocurre en un día lluvioso. Calcule las tasas de flujo promedio futuro y máximo diario. solución Con base en la información provista, primero se necesita calcular las varias contribuciones a la generación global de aguas residuales. El estimado actual de generación de aguas residuales per cápita de distintas fuentes es la que sigue: 1. Calcule el promedio actual I/I: I/I = 2 800 gpd/milla * 16.5 milla = 46 200 gpd 2. Determine la generación de agua residual doméstica promedio actual: generación de agua residual doméstica = flujo medido - I/I = 1 000 000 gpd - 46 200 gpd = 953 800 gpd 3. La generación per cápita de agua residual actual puede entonces ser calculada como: generación per cápita de agua residual = = generación de agua residual doméstica población servida 953 800 gpd 10 000 personas = 95.4 gpdc Ahora se puede calcular la tasa de flujo promedio de aguas residuales futuro como 2 140 900 gpd de las cuatro siguientes contribuciones: 1. Flujo doméstico promedio futuro (incluyendo 8% de reducción de aguas residuales): 95.4 gpdc * 0.92 * 17 000 personas = 1 492 000 gpd 2. Flujo promedio del complejo de departamentos (con valores de la tabla 9.9): 55 gpdc * 500 personas = 27 500 gpd ALFAOMEGA c09.indd 384 INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC 8/30/11 2:59:33 PM 9.5 Distribución de agua y sistemas de recolección de aguas residuales e j e m p l o / 9.4 385 Continuación 3. Flujo promedio del parque industrial (enunciado en el problema): 550 000 gpd. 4. Afluencia/infiltración promedio (I/I): (16.5 + 9) milla * 2 800 gpd/milla = 71 400 gpd En una manera similar, también se puede calcular la tasa de flujo máximo diario de aguas residuales (asumiendo que la generación de agua residual doméstica de un día seco es igual a la generación de agua residual doméstica de un día húmedo) como 3 621 000 gpd de las siguientes cuatro contribuciones: 1. Flujo doméstico máximo futuro (incluyendo 8% de reducción de aguas residuales): 95.4 gpdc * 0.92 * 17 000 personas = 1 492 000 gpd 2. Flujo máximo de complejo de departamentos (con valores de la tabla 9.9): 55 gpdc * 500 personas = 27 500 gpd 3. Flujo máximo del parque industrial (enunciado en el problema): 750 000 gpd. 4. Máxima afluencia/infiltración (A/I): (16.5 + 9) milla * 53 000 gpd/milla = 1 351 500 gpd Advierta que los valores utilizados en este ejemplo son “típicos” y no demasiado agresivos en términos de conservación del agua. Los lectores son animados a pensar mucho más en términos de la gestión sustentable del agua. Por ejemplo, ¿puede la reducción proyectada de 8% en la generación de agua residual ser elevada mucho más alta para lograr más uso sustentable del agua existente? ¿Qué pasaría si el complejo de departamentos fuera diseñado para ser “verde” en términos de uso del agua agresivamente reducida, no sólo a través del uso de tecnología y educación de ahorro de agua de los ocupantes del edificio, sino que también con el uso innovador de aguas grises para enfriar y hacer paisajes? ¿Qué tal si el diseño del complejo industrial seleccionara algunos negocios que tuvieran una reutilización integrada de las aguas residuales generadas de otros? ¿Y cómo impactaría la conservación del agua la “fuerza” del agua residual? 9.5 Distribución de agua y sistemas de recolección de aguas residuales Antes del diseño de un sistema de distribución de agua o de recolección de agua residual, una investigación completa del área de servicio propuesta se lleva a cabo. Parte de esta investigación incluye la previsión de la demanda de agua a través del área de servicio como se analizó previamente. Otros factores como el material de la tubería, la ubicación de accesorios (pozos de visita, uniones, entradas y otras estructuras), la colocación de hidrantes, INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC c09.indd 385 ALFAOMEGA 8/30/11 2:59:33 PM 386 Capítulo 9 Abastecimiento de agua, distribución y recolección de aguas residuales tipo y ubicación de válvulas, diseños y ubicaciones de estaciones de bombeo y locaciones de almacenamiento de agua todas necesarias para ser determinadas e integradas al diseño de un sistema eficiente de trabajo. Este proceso típicamente utiliza software de computadora. (Vea Walski et al., 2003, 2004, para un completa descripción de dicho software de modelado.) El resto de esta sección analizará la disposición del sistema, el diseño de velocidades de flujo para estimar el tamaño de la tubería y las necesidades del sistema relacionadas con el bombeo y el almacenamiento. 9.5.1 DISPOSICIÓN DEL SISTEMA Un sistema de distribución de aguas y un sistema de recolección de aguas residuales pueden llevar agua. Sin embargo, lo hacen de una forma muy diferente. Generalmente, la tubería está ubicada debajo o junto a las carreteras de uso público o a través de tierras con utilidad de paso. Es una práctica común para las tuberías de aguas residuales estar al menos a 10 pies de, y a 18 pulgadas debajo, de las líneas de servicio de aguas, para minimizar la posible contaminación de agua potable (Hammer y Hammer 1996). Los grandes sistemas de tuberías están conectados a cada usuario mediante pequeñas tuberías laterales o de provisión. La capacidad de la tubería se debería diseñar para cumplir las necesidades del usuario sin costos excesivos. Los usuarios entonces no deberían darse cuenta o tenerse que preocupar acerca de un sistema bien diseñado y bien mantenido. Un sistema de distribución de aguas tiene una disposición que contiene muchas curvas en las que el flujo presurizado sucede a través del sistema (vea la figura 9.13). Para los sistemas grandes, muchos subsistemas entrelazados están conectados con fuerzas principales de tuberías o líneas de transmisión grandes. Estos entrelazados permiten que el agua sea administrada a los usuarios mediante muchas rutas diferentes. Cuando la demanda en una locación específica es alta, como durante una emergencia de incendio, el agua necesita ser entregada a dicha locación tan eficientemente como sea posible. Los hidrantes se colocan a lo largo de las carreteras en intersecciones y espaciados para que el personal de incendios pueda obtener agua de múltiples hidrantes en caso necesario. También, muchas válvulas de cierre están colocadas a través del sistema. Así, si sucede un rompimiento o se agenda mantenimiento, el aislar el área problema mediante el uso de válvulas de cierre minimizará el número de usuarios que se quedarán sin agua. Si se diseña correctamente, un sistema de distribución de aguas deberá proporcionar el agua necesaria para una variedad de escenarios de demanda con la presión adecuada y la buena calidad del agua a través de todo el sistema. Un sistema de recolección de aguas residuales tiene una disposición que está ramificada (o dendrítica) con muy pocos entrelazados o sin ellos (vea la figura 9.13). La mayor parte del tiempo, el agua residual fluye por la gravedad en una dirección. Las tuberías más pequeñas están ubicadas al “final” de las ramificaciones y se agrandan progresivamente mientras que el agua residual fluye hacia la planta de tratamiento. Debido a que el agua residual fluye por la gravedad, una pendiente adecuada de la tubería se debe mantener a través del sistema. Puede haber secciones en donde el agua residual es bombeada en una fuerza principal para levantar el agua residual a una elevación más alta para otra vez fluir por la gravedad, o para forzar el agua residual colina arriba debido a la topografía. Generalmente los pozos de visita se colocan en cada cambio de diámetro de tuberías, cambio de pendiente, uniones (dos o más tuberías uniéndose) y finales de tubería de corriente arriba. Los pozos de visita están espaciados a no más de 300 a 500 pies (90 a 150 m) entre cada uno para proporcionar suficientes puntos de entrada para su mantenimiento (ASCE, 2007). ALFAOMEGA c09.indd 386 INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC 8/30/11 2:59:33 PM 9.5 Distribución de agua y sistemas de recolección de aguas residuales 387 Figura 9.13 Ejemplos de la disposición de un sistema de distribución de agua y de recolección de aguas residuales para un área habitacional. a) Este sistema “entrelazado” es típico para un sistema de distribución de aguas. b) Este sistema “ramificado” es típico para un sistema de recolección de aguas residuales. a) b) 9.5.2 VELOCIDADES DE FLUJO DE DISEÑO Y TAMAÑO DE LAS TUBERÍAS El análisis de flujo de agua en tuberías está basado en la conservación de masa, la conservación de energía y la conservación del impulso. El flujo del fluido en las tuberías puede clasificarse como tubería completa (flujo de presión) o canal abierto (flujo de gravedad). En ambos casos, el software de modelado se utiliza para analizar el flujo en tuberías para los sistemas de distribución de agua y de recolección de aguas residuales. Las condiciones de flujo de presión se encuentran en los sistemas de distribución de agua en donde el agua entregada debe tener la capacidad y la presión para cumplir con las necesidades del usuario. La velocidad de diseño de agua en una tubería está típicamente entre 2.0 pie/s (0.6 m/s) hasta 10 pie/s (3.1 m/s) para las condiciones de flujo de pico. Las velocidades más pequeñas dan tamaño a las tuberías para ser más grandes de lo que es en realidad económicamente necesario. Las velocidades más altas provocan excesiva pérdida de carga a través del sistema y a incrementar el potencial para los transitorios del agua (por ejemplo, el golpe de ariete). Los requerimientos típicos de presión de servicio se proporcionan en la tabla 9.16. En las comunidades habitacionales es necesario mantener una presión mínima para cada usuario que permita el uso “normal” del agua cuando más de un dispositivo que utiliza agua está en servicio en el segundo piso. También, la presión en la vivienda no deberá exceder de 80 lb/plg2; de otra manera, el potencial para fugas dentro de casa se incrementa, los flujos excesivos en las regaderas y las llaves podrían tener lugar y la válvula de liberación de presión de agua caliente podría descargarse. Las condiciones de canal abierto son comúnmente encontradas en los sistemas de recolección de aguas residuales en donde el agua fluye por gravedad. Debido a que la tubería tiene tamaño para las condiciones infrecuentes de alto flujo, las tuberías sólo se llenan parcialmente la mayor parte del tiempo. Durante las condiciones de bajo flujo, esto provoca que la velocidad del agua residual sea muy pequeña para mover sólidos, la cual puede entonces depositarse en la alcantarilla. Es una práctica usual la de diseñar INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC c09.indd 387 © Lacy Rane/iStockphoto. ALFAOMEGA 8/30/11 2:59:33 PM 388 Capítulo 9 Abastecimiento de agua, distribución y recolección de aguas residuales Tabla / 9.16 Presiones de servicio típicamente requeridas en las comunidades habitacionales Condición Presión de servicio (lb/plg2) Presión máxima 65–75 Presión mínima durante la demanda máxima diaria 30–40 Presión mínima durante la demanda de hora pico 25–35 Presión mínima durante los incendios 20 FUENTE: Valores de Mays, 2000. pendientes de alcantarillas para que la mínima velocidad de tubería llena sea de 2.0 pie/s (0.6 m/s) o más para asegurar que los sólidos sean removidos durante las horas de flujo pico del día. También, es una práctica común que la velocidad máxima sea alrededor de 10 pie/s (3.0 m/s) para evitar el daño a la alcantarilla (ASCE, 2007) y provocar “rocío de alcantarilla” excesivo en los pozos de visita. Sin embargo, para las secciones simples de tubería larga con pozos de visita derechos, las velocidades más altas (15 a 20 pie/s) se pueden tolerar (Walski et al., 2004). La tabla 9.17 proporciona la pendiente mínima para la tubería de alcantarilla circular de concreto basada en la velocidad mínima y máxima para un valor de dureza de Manning igual a 0.013. Tabla / 9.17 Pendiente mínima y máxima para el flujo de gravedad en tuberías de alcantarillas circulares de concreto para un valor de dureza de Manning igual a 0.013 Diámetro de la tubería pulg Pendiente mínima (2 pie/s, 0.6 m/s) Pendiente máxima (10 pie/s, 3.1 m/s) mm 4 100 0.00841 0.21030 6 150 0.00490 0.12247 8 200 0.00334 0.08345 10 250 0.00248 0.06197 12 300 0.00194 0.04860 15 375 0.00144 0.03609 18 450 0.00113 0.02830 21 525 0.00092 0.02304 24 600 0.0008* 0.01929 27 675 0.0008* 0.01648 30 750 0.0008* 0.01432 36 900 0.0008* 0.01123 42 1 050 0.0008* 0.00655 *Pendiente mínima práctica para la construcción. ALFAOMEGA c09.indd 388 INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC 8/30/11 2:59:34 PM 9.5 Distribución de agua y sistemas de recolección de aguas residuales 389 La ecuación 9.6 se puede utilizar para hacer un cálculo inicial de un tamaño de tubería con base en la velocidad de flujo de diseño en la tubería completa y el diseño que lleva capacidad (diseño de flujo pico): D = k A Q (9.6) en donde D es el diámetro de la tubería (pulg, mm), Q es la tasa de flujo de diseño (gpm, L/s), ␷ es la velocidad de diseño (pie/s, m/s) y k representa una constante que es 0.64 para las unidades acostumbradas en Estados Unidos o 35.7 para unidades SI. Por ejemplo, si el rango de flujo de diseño es de 6 000 gpm (380 L/s) y el diseño de velocidad es de 5 pie/s (1.5 m/s), entonces el diámetro de tubería estimado sería de 22.2 pulg (568 mm). El siguiente tamaño nominal de tubería más grande sería seleccionado como un punto de inicio; en este caso, una tubería de 24 pulg (600 mm). Entonces un modelo se utilizaría para evaluar si esta tubería es la mejor opción para una variedad de diferentes escenarios. c09.indd 389 ua : / /v i r t INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC ttp incrementan enormemente. El rango de operación típico de una bomba centrífuga es la tasa de flujo entre 60 y 120% de la tasa de flujo en el BEP. Al diseñar y dar tamaño a una estación de bombeo, es común tener múltiples bombas trabajando juntas para maximizar la eficiencia de bombeo al mismo tiempo que habilita a la instalación para administrar el agua requerida para un amplio rango de condiciones de flujo. En el ejemplo mostrado en la figura 9.14, la eficiencia actual de bombas está cerca del BEP, el cual está en el pico de la curva de eficiencia de la bomba. Por lo tanto, esta configuración de bomba está trabajando cerca de su máxima eficiencia. A medida que la curva del sistema cambia debido a los cambios en el sistema (cambios en la elevación del agua o cambios en la tasa de bombeo requeridos), el punto de coincidencia se movería hacia la derecha o la izquierda a lo largo de la curva de desempeño. Si se mueve muy lejos a la derecha o a la izquierda, la eficiencia de la bomba puede reducirse hasta el punto en donde esta configuración puede ya no ser muy eficiente o puede estar fuera del rango de trabajo de las bombas. En este caso, las bombas adicionales se podrían ega.c .mx/h BEP, la vida de la bomba o impulsor se reduce de forma considerable y los costos de energía (y emisiones resultantes de CO2) para hacer funcionar la bomba se om om Una estación de bombeo está ubicada en donde el agua residual necesita ser levantada o la presión requiere incrementarse. Las bombas se caracterizan por su capacidad, carga de bombeo, eficiencia y requerimientos de energía. El diseño de una estación de bombeo requiere que cada curva de desempeño de bomba (capacidad contra curva de carga) coincida con la curva de carga del sistema. La curva de carga se desarrolla al añadir la carga estática a la pérdida de carga (fricción más pérdidas menores) del sistema para tasas de flujo variadas. Las curvas características de la bomba deben estar disponibles en la utilidad para las bombas existentes o se pueden obtener del fabricante de la bomba. Una bomba vieja puede no desempeñarse como lo hizo cuando estaba nueva. De hecho, las bombas más viejas se deben revisar para verificar que el desempeño real de la bomba coincida con lo que se muestra en la curva de desempeño de la carga de bombeo. Así como la mayoría de las máquinas mecánicas, una bomba opera mejor en su punto de mejor eficiencia (BEP). A medida que la bomba opera más allá de su l.alfa 9.5.3 ESTACIONES DE BOMBEO Y ALMACENAMIENTO Distribución, recolección, control de bombeo y optimización ALFAOMEGA 8/30/11 2:59:34 PM 390 Capítulo 9 Abastecimiento de agua, distribución y recolección de aguas residuales Figura 9.14 Curvas características de la bomba El punto de coincidencia entre la curva de desempeño de una estación de bombeo indica la tasa de flujo y la carga de bombeo al dejar la estación de bombeo. Curva de eficiencia de la bomba Eficiencia de la bomba Carga Curva de desempeño Punto de coincidencia Curva del sistema Tasa de flujo de la estación de bombeo Tasa de flujo Demanda de agua en día pico © Steve Shepard/iStockphoto. Almacenamiento operacional Producción Tiempo Figura 9.15 Almacenamiento operacional para un tanque de almacenamiento en un sistema de distribución de aguas ALFAOMEGA c09.indd 390 encender o apagar para coincidir mejor con la tasa de bombeo necesario al mismo tiempo que maximiza la eficiencia, o se deberían instalar diferentes bombas que tengan curvas de eficiencia en donde el punto de coincidencia esté más cerca al BEP de la bomba. Estos cambios reducirán la cantidad de consumo de energía asociada. Frecuentemente, una estación de bombeo está cerca y controlada por un tanque de almacenamiento o pozo húmedo. Los niveles de agua en el tanque o en el pozo húmedo controlan cuando las bombas están encendidas o apagadas y cuántas bombas son necesarias. En el caso de una bomba de velocidad variable, el nivel de agua controla la velocidad del motor de la bomba. Un tanque de almacenamiento es comúnmente utilizado para establecer una línea de grado hidráulico elevado a través de un sistema de distribución de aguas. Para la topografía plana, los tanques de almacenamiento son fácilmente vistos como torres elevadas de agua. Para las áreas con terreno montañoso, muchas veces los tanques de almacenamiento se colocan a nivel de la tierra en las montañas por encima de la comunidad. El nivel de agua en un tanque de almacenamiento deberá tener el tamaño para que el tanque rutinariamente se llene y drene durante el ciclo de demanda diario. Esto es porque el agua estancada en el tanque se vuelve “viciada” a medida que envejece. El volumen de un tanque de almacenamiento es determinado como la suma del almacenamiento operacional (ecualización), el almacenamiento del flujo de incendios y otro almacenamiento de emergencia en caso necesario. Como se muestra en la figura 9.15, el almacenamiento operacional es determinado al estimar el volumen adicional de agua producido en la locación del tanque. El almacenamiento de flujo de incendio estimado fue proporcionado previamente en la tabla 9.14. Otra vez, el software de modelado se utiliza para completar el diseño real de tanques de almacenamiento y las estaciones de bombeo que los alimentarán. Un pozo húmedo proporciona almacenamiento para que la tasa de bombeo real no necesite coincidir con la tasa de entrada hacia la estación de bombeo. Para las bombas de velocidad constante, el volumen de pozo húmedo se determina con base en el tiempo de ciclo de la bomba, el cual se define como el tiempo entre los inicios sucesivos de la bomba. Generalmente se recomienda que las bombas inicien seis o menos veces por hora; el fabricante de la bomba debe ser consultado. El volumen mínimo de pozo húmedo puede entonces calcularse como: Qdiseño * tmín (9.7) Vmín = 4 INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC 8/30/11 2:59:34 PM Términos clave 391 en donde Vmín es el volumen activo del pozo húmedo, Qdiseño es la tasa de flujo de diseño de la bomba y tmín es el tiempo de ciclo mínimo de la bomba. La derivación de la ecuación 9.7 es proporcionada por Jones y Sanks (2008). Por ejemplo, si la tasa de flujo de diseño de la bomba es de 500 gpm y el ciclo de la bomba es de seis veces por hora (para que cada tiempo de ciclo de la bomba sea de 10 min), el volumen de pozo húmedo mínimo calculado sería de 1 250 galones: Vmín = 500 gpm * 10 min 4 = 1 250 gal (9.8) Este valor se conoce como el volumen activo en el pozo húmedo o la cantidad de agua entre los niveles de agua de la “bomba encendida” y la “bomba apagada” en el pozo húmedo. Una cantidad adicional de volumen es necesaria en el pozo húmedo para mantener una carga de succión para las bombas y más volumen se añade como un margen de seguridad. Términos clave • acuífero • acuífero confinado • acuíferos no confinados • afluencia • afluencia/infiltración (I/I) • agua consumida • agua de mar • agua dulce • agua escasa • agua pública • agua reutilizada • agua subterránea • aguas superficiales • ciclo hidrológico • condiciones de canal abierto • crecimiento lineal • culminación de la obra • demanda de agua municipal • demanda de agua para protección contra incendios • demanda de flujo de incendio • demanda futura de agua • distribución del agua • electricidad INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC c09.indd 391 • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • entrelazado equivalente de población escasez de agua estación de bombeo estimación de la demanda de agua estrés de agua factor de demanda factor pico (PF) flujo base flujo de incendios necesario flujo no medido flujos de aguas residuales flujos de clima húmedo hidroenergía hidrología huella de agua justicia ambiental microhidroenergía objetivos para modelar la demanda de agua plantas de reclamación satelital pozo húmedo previsión de la demanda proceso de modelo para estimar la demanda de agua • punto de mejor eficiencia (BEP) • ramificadas • reclamación y reutilización del agua • recolección de aguas residuales • registros históricos • segmentos desglosados • tanque de almacenamiento • tasas de flujo de diseño máximos y mínimos • tasas de uso del agua • tasas de generación de aguas residuales • tiempo de ciclo de la bomba • uso agrícola • uso de energía • uso de suelo • uso doméstico • uso en el hogar • uso industrial • variación en flujos • velocidad de diseño de agua en una tubería • zona vadosa ALFAOMEGA 8/30/11 2:59:35 PM c a p í t u l o / Nueve 9.1 La precipitación pluvial promedio anual en un área es de 60 cm. La evapotranspiración promedio anual es de 35 cm. El treinta por ciento del agua de lluvia se infiltra y se filtra hacia el acuífero subyacente; el remanente es escorrentía que se mueve a lo largo o cerca de la superficie del suelo. El acuífero subyacente está conectado a una corriente. Si se supone que no hay otras entradas o salidas de agua hacia el acuífero subyacente y que el acuífero está en estado estacionario (ni gana ni pierde agua), ¿cuál es la cantidad de flujo base que contribuyó a la corriente desde el agua subterránea? 9.2 Visite la página web del proyecto Perspectivas del medio ambiente mundial del Programa de las Naciones Unidas para el Medio Ambiente, http://geodata.grid. unep.ch/. Busque dos países ubicados en diferentes hemisferios. ¿Cuáles son sus cantidades actuales de retiros de agua y retiros de agua dulce? ¿Están estos países experimentando actualmente escasez o esperan experimentar escasez de agua? 9.3 Visite el sitio web del Estudio Geológico de Estados Unidos (USGS), www.usgs.gov, y navegue hacia el “Uso del agua en Estados Unidos”. Busque los retiros totales de agua asociados con los siguientes usos en algún estado estadounidense: termoeléctrico, irrigación, abastecimientos público, industrial, doméstico, ganado, acuicultura, y minería. Coloque los ocho usos en una tabla en orden de retiros de agua de mayor a menor. Determine el porcentaje total de retiros de agua asociados con cada uno de los usos. Compare estos porcentajes con los nacionales enlistados en la tabla 9.3. Comente cómo se compara el estado de su elección con el promedio nacional. 9.4 Visite el sitio web del Estudio Geológico de Estados Unidos (USGS), www.usgs.gov, y navegue hacia el “Uso del agua en Estados Unidos”. Busque los retiros totales de agua superficial y subterránea asociados con algún estado estadounidense. Determine el porcentaje de retiros de agua superficial y subterránea relativos con los retiros totales en el estado de su elección. Compare estos porcentajes con la distribución nacional del uso de agua superficial y subterránea. Comente cómo el estado de su elección se compara con el promedio nacional estadounidense. 9.5 Contacte a su autoridad local de aguas o de aguas residuales. Pregunte por las tasas de uso de agua anuales (promedio, máximo diario, mínimo diario y así en adelante). A una autoridad de aguas pregunte cuánta agua es no contabilizada; a una autoridad de aguas residuales ALFAOMEGA c09.indd 392 Problemas pregunte cuánto es de los flujos de clima húmedo. Utilice estos números para calcular las tasas de uso de agua de factor de demanda y per cápita (o conexiones medidas). Comente cómo sus valores locales se comparan con el rango esperado de valores descritos en este capítulo. 9.6 Calcule su propio uso actual de agua durante un día típico. Enliste sus actividades de uso de agua y calcule el volumen de agua utilizada para cada actividad. Compare su tasa de uso de agua con el de una persona promedio como 101 gpdc. Explique porqué su tasa puede ser mayor o menor que la tasa promedio. ¿Qué tanto de su uso de agua cree que fue descargado como agua residual? ¿Hizo usted alguna actividad de uso de agua que no creó ninguna cantidad de agua residual? 9.7 Calcule la demanda de agua diaria y la generación diaria de agua residual para un área comercial pequeña que tiene los siguientes edificios. Indique claramente todas las suposiciones y el uso de agua estimado para cada edificio: a) un hotel de 200 habitaciones con 35 empleados y una cocina, b) tres restaurantes, uno de ellos es restaurante orgánico con alimentos producidos regionalmente, otro con buffet de todo lo que pueda comer (sólo cenas) y el tercero es de productos gourmet estrictamente vegetarianos, abierto de 5:00 a.m. a 3:00 p.m., c) un puesto de periódicos que vende revistas, refrigerios y botanas con un sanitario utilizado por los empleados y, d) un edificio de oficinas de tres pisos que da empleo base a 140 personas y con dos conjuntos de baños de hombres y mujeres por piso. 9.8 Calcule la demanda máxima diaria más el flujo de incendios para un área habitacional. El área habitacional es de 400 acres dividida en lotes de 0.25 acres con patios de un ancho de 75 pies. Suponga que la densidad de población promedio es de 2.8 personas por hogar y el factor de demanda máximo diario es de 2.1. 9.9 Una planta de tratamiento de aguas residuales de 2.5 MGD trabaja actualmente al 80% de su capacidad durante el máximo diario anual y da servicio a una ciudad de 38 500 personas con 26.7 millas de drenaje. Durante los siguientes diez años se espera construir nuevos desarrollos habitacionales para 15 000 personas, junto con un alcantarillado adicional de 6.5 millas. El alcantarillado se supone que fugará 8 500 gpd/milla. a) Proyecte la demanda máxima diaria para la planta de tratamiento de aguas residuales después de que se haya construido el nuevo desarrollo. b) ¿Se debería incrementar la capacidad de la planta de tratamiento de aguas residuales? INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC 8/30/11 2:59:35 PM Capítulo Nueve Problemas Usted es contratado para mejorar la planta de tratamiento de aguas existente en Nittany Lion City. Con la utilización de los registros históricos proporcionados en la tabla 9.18, prevea la demanda de agua hasta 2024. La población se espera que aumente alrededor de 1.8% al año. a) Dibuje una gráfica que tenga el promedio histórico, la demanda de agua diaria máxima y mínima en gpd para cada año. Extrapole líneas de tendencia para la demanda futura de agua hasta 2015. b) Utilice su gráfica para predecir la demanda de agua promedio, mínima y máxima diaria para los años 2014, 2019 y 2024. c) Calcule el uso de agua per cápita para 2009, 2014, 2019 y 2024 mediante el cálculo del uso de agua promedio dividido entre la población que se sirve. d) Determine un factor de demanda para la demanda diaria mínima y máxima con los registros históricos. Tabla / 9.18 Registros históricos utilizados para resolver el problema 9.10 Año Demanda de agua (gpd) Población que se sirve Promedio Mínimo Máximo 2003 1 707 190 1 018 655 2 624 414 14 251 2004 1 713 230 1 086 201 2 817 674 14 352 2005 1 820 602 1 094 415 3 003 411 14 354 2006 1 901 145 1 248 011 2 945 221 14 598 2007 1 891 860 1 068 574 3 038 157 14 587 2008 1 948 648 1 124 125 3 076 542 14 684 2009 1 923 458 1 184 214 3 067 821 14 857 9.11 Usted es contratado para mejorar la planta de tratamiento de aguas residuales para la ciudad de USF. Con los registros históricos en la tabla 9.19, prevea la demanda de agua para 2024. Se espera que una nueva industria requiera 65 000 gpd al inicio de 2016. a) Haga una gráfica que tenga la demanda histórica doméstica, comercial e industrial para cada año. Extrapole las líneas de tendencia para la demanda futura de agua hasta 2024 para cada categoría. Tome en cuenta la demanda de agua de la industria adicional en 2016. b) Calcule el porcentaje de agua producida que es agua no contabilizada con base en los registros históricos. c) Utilice la gráfica y el por- INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC c09.indd 393 Tabla / 9.19 Registros históricos utilizados para resolver el problema 9.11 Año Flujo medido de la planta de tratamiento (gpd) Flujo medido basado en los registros de los recibos (gpd) Doméstico Comercial Industrial 2003 1 687 517 824 247 423 229 92 676 2004 1 789 453 837 055 465 232 102 707 2005 1 745 658 828 103 476 429 76 916 2006 1 728 750 858 076 454 928 79 029 2007 1 779 854 861 003 461 669 87 422 2008 1 826 650 875 548 475 254 91 214 2009 1 872 456 899 545 479 451 90 248 centaje estimado de agua no contabilizada para predecir la demanda total de agua para los años 2014, 2019 y 2024. 9.12 El flujo medido registrado para junio 3 en la planta de tratamiento de aguas residuales de Wilkes City se muestra en la figura 9.16. a) Calcule la tasa de flujo promedio para junio 3. b) Calcule la tasa de flujo de infiltración a las alcantarillas, asumiendo que no cayó lluvia durante ese día. 2,500 2,000 Tasa de flujo (gpm) 9.10 393 1,500 1,000 500 0 M 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 N 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 junio 3, 2006 Figura 9.16 Tasa de flujo medido para el agua residual de Wilkes City (utilizado en el problema 9.12) ALFAOMEGA 8/30/11 2:59:36 PM 394 Capítulo 9 Abastecimiento de agua, distribución y recolección de aguas residuales 9.13 Un tanque de almacenamiento de aguas está diseñado para proporcionar agua para la protección contra incendios en una pequeña industria. El NFF para esta industria es de 3 400 gpm. a) Calcule el volumen de agua que sería necesario para la protección contra incendios. b) Calcule el tamaño nominal de tuberías de una sola tubería proveyendo el agua de protección contra incendios del tanque si la velocidad de diseño para la tubería es de 9.5 pie/s. 9.14 A una estación de bombeo con pozo húmedo se le va a dar tamaño en un sistema de recolección de aguas residuales para una tasa de bombeo de diseño de 1 200 gpm. a) Calcule el volumen de pozo húmedo activo con un ciclo de bombeo de 4 veces por hora. b) Dé tamaño a la fuerza principal (tubería de descarga de la estación de bombeo) con una velocidad de diseño de 7.5 pie/s. 9.15 Identifique una cuestión de escasez de agua regional y una global. Desarrolle una solución sustentable que proteja a las generaciones futuras de seres humanos y del medio ambiente. 9.16 Vaya al sitio web del Consejo de Construcción Verde de Estados Unidos (http://www.usgbc.orb) e investigue los créditos LEED asociados con la nueva construcción comercial y la renovación principal (versión 2.2 del Consejo de Construcción Verde de Estados Unidos). Un proyecto puede obtener un máximo de 69 puntos. a) ¿Cuántos puntos posibles se relacionan directamente con la eficiencia de agua de categoría? b) ¿Cuáles son los créditos específicos proporcionados para la eficiencia de agua de categoría? 9.17 La precipitación pluvial anual promedio es de 100 cm. La evapotranspiración promedio anual es de 40 cm. De esa precipitación pluvial 55% se infiltra en la subsuperficie; el remanente es escorrentía que se mueve junto o cerca de la superficie de la tierra. El acuífero subyacente está conectado ALFAOMEGA c09.indd 394 a una corriente. Si se supone que no hay otras entradas o salidas de agua hacia el acuífero subyacente y el acuífero se encuentra en un estado estacionario (ni gana ni pierde agua), a) ¿cuál es la cantidad de flujo base contribuido a la corriente desde el agua subterránea (cm/año)? b) Si el área en consideración es de 50 km2, ¿cuál es el flujo base en m3/año? c) ¿Qué porcentaje del flujo base podría modificarse por la actividad humana si se supone que hay casi 15 pozos de bombeo dentro de los 50 km2, cada uno de los cuales bombea a una tasa promedio de 2 ⫻ 10⫺3 m3/s. 9.18 ¿Cómo cambia la respuesta en el inciso c) del problema 9.17 si el cambio climático resulta en precipitación reducida en 20% y la población incrementada y el consumo de agua incrementa la tasa de bombeo de los 15 pozos en esta área a 3 ⫻ 10⫺3 m3/s? Suponga que la tasa de evapotranspiración no cambia. 9.19 Vaya al sitio web (www.unesco.org/water/wwap) y busque el reporte, The 1st UN World Water Development Report: Water for People, Water for Life. a) De las 11 áreas de reto, enliste las relacionadas con “vida y bienestar” y los relacionados con “gestión”. b) Accese el vínculo sobre “hechos y figuras en el aseguramiento de la provisión de alimentos”. Desarrolle una tabla con columnas de producto, equivalentes de unidad y agua en m3 por unidad para los siguientes productos: ganado, ovejas y vacas, carne fresca de vacuno, cordero fresco, pollo fresco, cereales, frutas cítricas, aceite de palma y raíces y tubérculos. Utilice esta tabla para responder la pregunta, en una base por kilogramo, ¿el proporcionar carne o granos/ frutas utiliza más agua? 9.20 Visite el siguiente sitio web para aprender más sobre cómo puede ahorrar agua en casa (http://www.epa.gov/ p2/pubs/water.htm). Para las siguientes tres áreas (en el baño, en la cocina/lavandería, exteriores) enliste un mínimo de tres cosas que puede hacer en casa para cuidar el agua. INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC 8/30/11 2:59:36 PM Referencias 395 Referencias Asociación Americana de Ingenieros Civiles (ASCE). 2007. Gravity Sanitary Sewer Design and Construction, ASCE MOP #60 y WEF MOP #FD-5. Reston, VA.: Sociedad Americana de Ingenieros Civiles; Alexandria, Va. Federación Ambiental del Agua. Mayer, P. W., W. B. DeOreo, E. M. Opitz, J. C. Kiefer, W. Y. Davis, B. Dziegielewski y J. O. Nelson. 1999. Residential End Uses of Water. Denver: Fundación de Investigación de Asociación de Trabajos de Agua de Estados Unidos. Asociación Americana de Trabajos de Agua (AWWA). 1998. Distribution System Requirements for Fire Protection. Manual M-31 de la AWWA, Denver, Colo.: AWWA. Mays, L. W. 2000. Water Distribution Systems Handbook. Nueva York: McGraw-Hill, Inc. Asociación Americana de Trabajos de Agua (AWWA). 2007. Water Resources Planning, 2a. edición, Manual M-50 de la AWWA. Denver, Colo.: AWWA. Budyko, M. I. 1974. Climate and Life. Nueva York: Academic Press. Chen, W. F. 1995. The Civil Engineering Handbook. Boca Ratón, Fla.: CRC Press, Inc. Crittenden, J. C., R. R. Trussell, D. W. Hand, K. J. Howe y G. Tchobanoglous. 2005. Water Treatment: Principles and Design, 2a. edición. Hoboken, N.J.: John Wiley & Sons, Inc. Crook, J. 2004. Innovative Applications in Water Reuse: Ten Case Studies. Alexandria, Va.: Fundación de Reutilización del Agua. Federación Ambiental del Agua (WEF). 1998. Design of Municipal Wastewater Treatment Plants MOP no. 8, vol. 1, 4a. edición. Alexandria, Va.: Federación Ambiental del Agua. Hammer, M. J. y M. J. Hammer Jr. 1996: Water and Wastewater Technology, 3a. edición. Englewood Cliffs, N.J.: Prentice Hall. Hemond, H. F. y E. J. Fechner. 1994. Chemical Fate and Transport in the Environment. San Diego: Academic Press. Hoekstra, A. Y. y A. K. 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Organización de las Naciones Unidas para la Educación, la Ciencia y la Cultura (UNESCO) y Programa de Evaluación Mundial del Agua (WWAP). 2003. Water for People, Water for Life: The United Nations World Water Development Report. Nueva York: UNESCO/Berghahn Books. Panel Intergubernamental sobre el Cambio Climático (IPPC). 2007. “Resumen de hacedores de políticas”. En Climate Change 2007: Impacts Adaptation and Vulnerability. Contribution of Working Group II to the Fourth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change, ed. M. L. Parry, O. F. Canziani, J. P. Palutikof, P. J. van der Linden y C. E. Hanson, 7-22. Cambridge: Cambridge University Press. Programa de Asentamientos Humanos de las Naciones Unidas (UN-Habitat). 2003. Water and Sanitation in the World’s Cities: Local Action for Global Goals. Londres: Earthscan. Tchobanoglous, G. y F. L. Burton. 1991. Wastewater Engineering: Treatment, Disposal, and Reuse, 3a. edición. Nueva York, McGrawHill, Inc. Tchobanoglous, G., F. L. Burton y H. D. Stensel, 2003. Wastewater Engineering, Treatment and Reuse, 4a. edición. Nueva York: Wiley Interscience. Vickers, A. 2001. Handbook of Water Use and Conservation. Denver: American Water Works Association. Walski, T. M., D. V. Chase, D. A. Savic, W. Grayman, S. Beckith y E. Koelle. 2003. Advanced Water Distribution System Modeling. Waterbury, Conn.: Haestad Press. Walski, T. M., T. E. Barnard, E. Harold, L. B. Merritt, N. Walker y B. E. Whitman. 2004. Wastewater Collection System Modeling and Design. Waterbury, Conn.: Haestad Press. ALFAOMEGA 8/30/11 2:59:36 PM capítulo/ Diez Tratamiento de aguas David W. Hand, Qiong Zhang, James R. Mihelcic En este capítulo, los lectores aprenderán sobre los constituyentes en el agua no tratada, su concentración y los estándares de calidad del agua asociados con la misma. Los conceptos de balance de masa, estequiometría y cinética se utilizan para desarrollar expresiones que describen procesos de unidades de tratamiento físico-químico utilizados para remover los constituyentes. Estos procesos de unidad incluyen coagulación y floculación, sedimentación, filtración granular, desinfección, eliminación de dureza mediante ablandamiento por calsosa, eliminación de hierro y manganeso disueltos mediante aireación y eliminación de otros químicos orgánicos e inorgánicos disueltos mediante carbono activado y técnicas de membrana. Los lectores también aprenderán acerca de los requerimientos de energía de recolección y tratamiento. 396 c10.indd 396 Secciones principales 10.1 Introducción 10.2 Características del agua no tratada 10.3 Estándares de calidad del agua 10.4 Visión general de los procesos de tratamiento de aguas 10.5 Coagulación y floculación 10.6 Eliminación de dureza 10.7 Sedimentación 10.8 Filtración 10.9 Desinfección 10.10 Procesos de membrana 10.11 Adsorción 10.12 Uso de energía Objetivos de aprendizaje 1. Identificar los constituyentes físicos, químicos y biológicos que existen en el agua no tratada y los rangos típicos de concentración de los principales constituyentes. 2. Hacer coincidir los principales constituyentes del agua cruda con el(los) proceso(s) que remueven una cantidad importante de cada constituyente. 3. Identificar la diferencia entre la meta del máximo nivel de contaminantes (MCLG) y los máximos niveles de contaminantes (MCL) y relacionar estos valores con los objetivos de tratamiento en una planta de tratamiento de aguas. 4. Relacionar los patógenos biológicos específicos relacionados con el impacto específico en la salud humana. 5. Desarrollar soluciones viables que direccionen la magnitud de las cuestiones globales del agua relacionadas con la mejora en la salud humana. 6. Utilizar un acercamiento a los sistemas para comentar la relación entre la salud humana, cuestiones de manejo de cuencas asociadas con la calidad del agua y el diseño y desempeño de las plantas de tratamiento de aguas. 7. Medir y entender la operación de los procesos de unidad de tratamiento de aguas utilizados para coagulación y floculación, sedimentación, filtración granular, desinfección, eliminación de dureza mediante ablandamiento con cal-sosa y eliminación de químicos orgánicos e inorgánicos disueltos mediante carbono activado y técnicas de membrana. 8. Aplicar diversos procesos de tratamiento de aguas apropiados para diseñar medios para mejorar las fuentes de agua para mil millones de personas en el mundo que no tienen acceso a una fuente de agua mejorada. 9. Identificar usos de fuentes de energía durante las etapas de vida de la provisión de agua y su tratamiento, y comentar arduamente acerca de cómo reducir el uso de la energía durante el tratamiento. 8/30/11 3:00:26 PM 1.2 Actividad y concentración 397 10.1 Introducción El agua fresca es un recurso finito y las provisiones fácilmente accesibles se están volviendo menos abundantes. Con la escasez del agua ya como una realidad en muchas partes del mundo, se espera que la población y el ingreso junto con los impactos del cambio de clima exacerben aún más este asunto. El logro de soluciones sustentables se compone de las demandas de energía para obtener, almacenar y producir una fuente de agua segura, desde bombear el agua hasta fabricar los químicos y los materiales utilizados a través del proceso. Y a medida que la sociedad desarrolla fuentes de agua menos deseables para lograr satisfacer la creciente demanda, se espera que la cantidad de energía involucrada en nuestra fuente de agua aumente. En consecuencia, existe la necesidad de desarrollar estrategias innovadoras de manejo de agua (por ejemplo, manejo de cuencas sustentables, conservación de agua y prácticas de reutilización de agua) para lograr satisfacer la demanda global de agua potable segura. El propósito del tratamiento de aguas es el de proporcionar agua potable que tenga buen sabor. El agua potable se refiere al agua que es saludable para el consumo humano y que está libre de microorganismos dañinos y de compuestos orgánicos e inorgánicos que causen efectos fisiológicos adversos o que no saben bien. El buen sabor describe el agua que es estéticamente aceptable para beber o que está libre de turbiedad, color, olor y sabor objetables. El agua que tiene buen sabor puede no ser segura. En los países desarrollados, el agua se trata para ser potable y de buen sabor. Sin embargo, a algunas personas no les gusta el sabor de las aguas municipales, y esto ha dado lugar al incrementado uso de sistemas de tratamiento de agua embotellada. El agua embotellada ha añadido una capa adicional de energía incorporada al agua, debido a que se usa petróleo para producir el contenedor de agua, y existen costos de reciclaje o deshecho para las botellas durante su etapa de vida final. Pruebe su sentido del agua www.epa.gov/watersense.quiz 10.2 Características del agua no tratada La mayoría de los consumidores esperan que el agua potable sea clara, incolora, inodora y libre de químicos dañinos y microorganismos patógenos. Las aguas naturales generalmente contienen algún grado de constituyentes disueltos, de partículas y microbiológicos, los cuales obtienen del medio ambiente que las rodea. La tabla 10.1 resume muchos de los constituyentes químicos y biológicos encontrados en el agua. Los procesos naturales de desgaste natural geológicos pueden impartir iones inorgánicos en el agua, y éstos pueden causar problemas relacionados con el color, la dureza, el sabor y el olor. La materia orgánica disuelta en el agua, la cual se deriva de la vegetación en descomposición, puede dar un color amarillento o café al agua. El medio ambiente terrestre circundante puede provocar que pequeñas o coloidales partículas de arcilla se suspendan en el agua, lo cual puede hacer que el agua se vea turbia o nubosa. Los microorganismos naturalmente ocurrentes como las bacterias, los virus y los protozoos pueden encontrar su camino hacia las aguas naturales y provocar problemas de salud. Los químicos orgánicos sintéticos pueden liberarse en el medio ambiente y provocar problemas de salud crónicos o agudos en los seres humanos y la vida acuática. En consecuencia, las características INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC c10.indd 397 Agua potable en la OMS http://www.who.int/topics/ drinking_water/en/ ALFAOMEGA 8/30/11 3:00:28 PM 398 Capítulo 10 Tratamiento de aguas Tabla / 10.1 Concentración de los principales constituyentes encontrados en el agua Clasificación general Constituyentes específicos Rango típico de concentración Constituyentes inorgánicos principales Calcio (Ca2⫹), cloruro (Cl⫺), fluoruro (F⫺), hierro (Fe2⫹), manganeso (Mn2⫹), nitrato (NO3⫺), sodio (Na⫹), azufre (SO42⫺, HS⫺) 1–1 000 mg/L Constituyentes inorgánicos menores Cadmio, cromo, cobre, plomo, mercurio, níquel, zinc, arsénico 0.1–10 ␮g/L Compuestos orgánicos naturalmente ocurrentes Materia orgánica naturalmente ocurrente (NOM) que se mide como carbono orgánico total (TOC) 0.1–20 mg/L Constituyentes orgánicos antropogénicos Químicos orgánicos sintéticos (SOC) y químicos emergentes utilizados en la industria, hogares y agricultura (por ejemplo, benceno, metil tert-butil éter, tetracloroetileno, tricloroetileno, cloruro de vinilo, alaclor) Por debajo de 1 ␮g/L y hasta las décimas de mg/L Organismos vivos Bacterias, algas, virus Millones físicas, químicas y microbiológicas del agua necesitan ser consideradas en el diseño y la operación de un sistema de provisión y tratamiento. 10.2.1 CARACTERÍSTICAS FÍSICAS Diversas características físicas agregadas del agua natural (también referida como cruda o no tratada) son utilizadas para cuantificar la apariencia o estética del agua. Estos parámetros, descritos en la tabla 10.2, son turbiedad, número y clase de partículas, color, sabor y olor y la temperatura. Las medidas de turbiedad de las aguas naturales varían dependiendo de la fuente del agua. Las medidas de baja turbiedad (menos de 1 NTU) son típicas para la mayoría de las fuentes de aguas subterráneas, mientras que la turbiedad del agua superficial varía dependiendo de la fuente. En los lagos y reservas, la turbiedad es generalmente estable y tiene un rango de 1 a 20 NTU, pero algunas aguas pueden variar estacionalmente debido a los cambios, las tormentas y la actividad de las algas. La turbiedad en los ríos es altamente dependiente de los eventos de precipitación y puede tener un rango de menos de 10 NTU hasta más de 4 000 NTU. Debido a que se espera que el cambio climático se incremente en los eventos más severos de tormentas en algunas partes del mundo (incluyendo Estados Unidos), la escorrentía y erosión resultantes pueden terminar en una turbiedad estacional incrementada de algunas fuentes de agua cruda. Las medidas de turbiedad se utilizan principalmente para el control de procesos, cumplimiento regulatorio y comparación de distintas fuentes de aguas. También son utilizadas como un indicador de concentraciones incrementadas de constituyentes microbianos del agua como bacterias, ocistos Cryptosporidium ocysts y cistos Giardia. ALFAOMEGA c10.indd 398 INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC 8/30/11 3:00:28 PM 10.2 Características del agua no tratada 399 Tabla / 10.2 Características físicas del agua natural Turbiedad La turbiedad mide la claridad óptica del agua. Es provocada por la dispersión y absorbencia de la luz por las partículas suspendidas en el agua. Un turbidímetro se utiliza para medir la interferencia del paso de luz a través del agua. La turbiedad se reporta en términos de unidades nefelométricas de turbiedad (NTU, por sus siglas en inglés). La Organización Mundial de la Salud reporta que una turbiedad de ⬍5 NTU es en general aceptable pero puede variar según la disponibilidad y recursos para el tratamiento. En Estados Unidos, muchos servicios públicos de agua ayudan para tratar el agua a ⬍0.1 NTU. Partículas Las partículas en las aguas naturales son sólidos más grandes que las moléculas pero en general no las distingue el ojo sin ayuda. Pueden adsorber metales tóxicos o químicos orgánicos sintéticos. El tratamiento de aguas considera las partículas en un rango de 0.0001-100 ␮m. Las partículas más grandes de 1 μm se llaman sólidos suspendidos, mientras que las partículas entre alrededor de 0.001 y 1 ␮m pueden considerarse como partículas coloidales (aunque algunos investigadores se van tan abajo como 0.0001 ␮m). Los constituyentes menores a 0.001 ␮m son llamados partículas disueltas. La materia orgánica natural (NOM) comprende las partículas coloidales y el carbono orgánico disuelto (DOC). El DOC es la porción del NOM que puede filtrarse a través de un filtro de 0.45 ␮m. No se clasifica en términos de tamaño. Color El color es dado al agua por materia orgánica disuelta, iones metálicos naturales como el hierro y el manganeso y la turbiedad. La mayoría de la gente puede detectar el color a más de 15 unidades de color verdadero en un vaso. Sabor y olor El sabor y el olor pueden originarse de constituyentes orgánicos o inorgánicos naturales y las fuentes biológicas presentes en las aguas crudas. También pueden ser resultado de un proceso de tratamiento de aguas. Temperatura Las temperaturas de las aguas superficiales pueden variar de 0.5° C a 3° C en el invierno y de 23° C a 27° C en el verano. El agua subterránea puede variar de 2.0° C a 25° C dependiendo de la ubicación y la profundidad del pozo. Las partículas encontradas en las aguas naturales pueden medirse en términos de sus números y tamaños. Los contadores de partículas pueden medir el número de partículas suspendidas en los rangos de tamaño generalmente de 1.0 a 60 ␮m. Las distribuciones típicas de tamaño de partículas para una fuente de agua no tratada y agua tratada se muestran en la figura 10.1. Advierta cómo la distribución de tamaño cambia a partículas menores después del tratamiento. La eliminación de partículas es importante debido a que se ha sugerido como un indicador de eliminación de cistos de Giardia y Cryptosporidium del agua (LeChevallier y Norton, 1995). En consecuencia, muchas instalaciones de tratamiento emplean contadores de partículas en línea para evaluar el desempeño del proceso y para ayudar en las decisiones de control de proceso. Las partículas suspendidas como algas, restos orgánicos, cistos de protozoos y el limo pueden eliminarse mediante sedimentación convencional y métodos de filtración profunda. Los procesos de coagulación y floculación pueden eliminar partículas coloidales. Sin embargo, muchos constituyentes disueltos permanecerán en la solución, como la materia orgánica natural de menor peso molecular (NOM) (por ejemplo, ácidos húmico y INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC c10.indd 399 ALFAOMEGA 8/30/11 3:00:28 PM 400 Capítulo 10 Tratamiento de aguas 60 % de distribución 50 40 30 Agua filtrada 20 Agua no tratada 10 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 >16 Tamaño, μm Figura 10.1 Distribución del tamaño de la partícula de la fuente de agua cruda y agua tratada El agua cruda tiene 44 000 partículas por mL y el agua filtrada tiene 328 partículas por mL. De Davis y Cornwell, Introduction to Environmental Engineering, 2004, con permiso de McGraw-Hill. fúlvico) y compuestos orgánicos sintéticos. Otros métodos de tratamiento como la adsorción de carbono activado y la ósmosis inversa se pueden utilizar para eliminar estos constituyentes. El color se clasifica como color aparente o verdadero. El color aparente se mide en muestras no filtradas, por lo que incluye el color impartido por la turbiedad. El color verdadero se mide en una muestra de agua pasada a través de un filtro de 40 ␮m, por lo que es una medida del color impartido por los constituyentes disueltos. Mientras que el color no es una preocupación regulada de salud, puede ser un problema estético para algunos individuos y comunidades, y el tratamiento generalmente se proporciona. Las concentraciones de umbral de sabor y color se han establecido como lineamientos para determinar cuándo los constituyentes se pueden detectar. La tabla 10.3 resume diversos constituyentes y la concentración de cada uno que provoca el sabor y el olor en el agua. Los compuestos que causan olores más frecuentes en las aguas superficiales vienen de la decadencia de algas (por ejemplo, geosmina y metilisoborneol, las cuales producen un olor mohoso). Las aguas tratadas con exceso de cloro tendrán olor a cloro. Las aguas subterráneas que tienen un potencial redox bajo pueden contener gas disuelto como sulfito de hidrógeno, el cual huele como huevos podridos. Las aguas que contienen compuestos inorgánicos disueltos como hierro, manganeso y cobre, pueden tener un sabor metálico. Algunos compuestos naturales u orgánicos sintéticos producirán un sabor objetable al agua. Los ejemplos de esto incluyen el fenol y el 2-clorofenol. La temperatura del agua es muy importante debido a que afecta muchos parámetros físicos y químicos del agua como densidad, viscosidad, presión del vapor, tensión de la superficie, solubilidad y los rangos de reacción, los cuales se utilizan en el diseño y operación de una planta de tratamiento y los sistemas de transportación asociados. ALFAOMEGA c10.indd 400 INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC 8/30/11 3:00:29 PM 10.2 Características del agua no tratada 401 Tabla / 10.3 Umbrales de sabor y olor de sustancias encontradas en el agua Sustancia que provoca los problemas de olor y sabor Concentración (mg/L) Olor Olor ligero Cloro 0.010 Sulfito de hidrógeno 0.0011 Ozono 0.001 Cloroformo 20.0 Geosmina 0.000005 Metilisoborneol 0.000005 Tolueno 0.014 Sabor Umbral del sabor Fenol 1.0 2-clorofenol 0.004 Fluoruro 10 Fe2⫹ 0.04–0.01 Mn2⫹ 0.4–30 FUENTE: Datos de Crittenden et al., 2005. 10.2.2 CONSTITUYENTES INORGÁNICOS PRINCIPALES Y MENORES La tabla 10.4 resume los principales constituyentes inorgánicos disueltos encontrados en el agua. El calcio es uno de los más abundantes cationes encontrados en el agua y es el principal constituyente de la dureza del agua (junto con el magnesio). Las concentraciones de calcio más grandes que alrededor de 60 mg/L son consideradas por algunos como una molestia. Las concentraciones de cloruro (Cl⫺) en aguas terrenales varían de 1 a 250 mg/L dependiendo de la ubicación, y el agua superficial típica generalmente tiene menos de 10 mg/L Cl⫺. Sin embargo, las aguas afectadas por la intrusión de agua salada y agua subterránea que contiene salmuera atrapada puede tener concentraciones de cloruro similares al océano. El fluoruro existe en las aguas naturales principalmente como el anión F⫺ pero también puede asociarse con el ión férrico, de aluminio y de berilio. Algunos servicios públicos del agua añaden fluoruro en la forma de fluoruro de sodio o ácido hidrofluorosílico a concentraciones de alrededor de 1.0 mg/L. El hierro es abundante en las formaciones geológicas y se encuentra con frecuencia en el agua. Si no se remueve, puede dar un color café a los accesorios de lavandería y del baño. A concentraciones de alrededor de 0.2 a 0.4 mg/L, el manganeso puede producir un sabor desagradable al agua y manchar la lavandería y los accesorios. El agua de la superficie puede contener concentraciones altas de nitrato (y otras formas de nitrógeno) de la escorrentía urbana y de la agricultura. El agua subterránea puede también contener altas concentraciones de nitratos, especialmente en las áreas de la agricultura, en donde los fertilizantes de amonio son convertidos bioquímicamente en nitrato en el suelo. El nitrato se INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC c10.indd 401 Plomo en el agua potable http://www.epa.gov/safewater/lead ALFAOMEGA 8/30/11 3:00:29 PM 402 Capítulo 10 Tratamiento de aguas Tabla / 10.4 Principales constituyentes disueltos encontrados en el agua Constituyente Fuente Problema en la provisión de aguas Rango en las aguas naturales Calcio y magnesio Agua superficial y subterránea Arriba de 60 mg/L puede considerarse molesta por su dureza. Para el calcio, menos de 1 mg/L a más de 500 mg/L. Las concentraciones de aguas superficiales de magnesio son menores que 10 hasta 20 mg/L. Las concentraciones de aguas subterráneas son menores a 30 hasta 40 mg/L. Cloruro Agua superficial y agua subterránea; intrusión de agua salada. Arriba de 250 mg/L puede producir sabor salado. Debajo de 50 mg/L puede ser corrosiva para algunos metales. El agua superficial típica generalmente es menor a 10 mg/L. Fluoruro Agua superficial y agua subterránea. Tóxica para los seres humanos a concentraciones de 250-450 mg/L; letal a concentraciones arriba de 4.0 g/L. Para el agua superficial con concentraciones de sólidos totales disueltos (TDS) menores a 1 000 mg/L, el fluoruro es generalmente menor a 1.0 mg/L. El umbral del sabor del hierro para muchos consumidores es de alrededor de 0.01 mg/L. El hierro puede producir un color café a los accesorios de lavandería y del baño. En las aguas superficiales oxigenadas, la concentración de hierro total generalmente es menor a 0.5 mg/L. En el agua subterránea que tiene poco bicarbonato y oxígeno disuelto, las concentraciones de hierro pueden variar de 1.0 a 10.0 mg/L. Algunos servicios públicos de agua añaden fluoruro en la forma de ácido hidrofluorosílico a dosis de alrededor de 1.0 mg/L. Hierro y manganeso Agua superficial y agua subterránea El ión de manganeso puede producir un color café oscuro. A concentraciones alrededor de 0.4 mg/L, el manganeso puede producir un sabor desagradable al agua y puede manchar la lavandería y los accesorios. Nitrato El agua superficial y el agua subterránea pueden contener altas concentraciones de nitrato de la escorrentía de los fertilizantes encontrados en las cuencas urbanas y de agricultura. Las concentraciones de nitrato muy altas pueden producir metahemoglobinemia infantil. Azufre Agua superficial y agua subterránea El agua subterránea baja en oxígeno disuelto puede contener compuestos de azufre reducidos, lo cual produce olores objetables como el de huevo podrido. Los sulfatos también son corrosivos en estructuras de concreto y tuberías. ALFAOMEGA c10.indd 402 La concentración del ión de manganeso en el agua superficial y en el agua subterránea puede ser menor a 1.0 mg/L. Las concentraciones de sulfato en el agua fresca pueden acercarse a los 10 mg/L. INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC 8/30/11 3:00:29 PM 10.2 Características del agua no tratada regula debido a que las altas concentraciones pueden producir metahemoglobinemia infantil. El azufre puede darse como sulfatos (CaSO4, Na2SO4, MgSO4) y sulfitos reducidos (H2S, HS⫺). Los sulfitos pueden encontrarse en el agua en donde existe descomposición orgánica relevante que resulta de condiciones anóxicas. El agua subterránea baja en oxígeno disuelto puede contener azufre reducido que produce olores objetables. Los sulfatos también son corrosivos en las estructuras de concreto y las tuberías. Diversos constituyentes inorgánicos menores son algunas veces una preocupación de salud o disminuyen la calidad del agua. Los ejemplos incluyen cobre, cromo, níquel, mercurio, estroncio y zinc. Algunos de estos constituyentes son el resultado del medio ambiente natural que la rodea, mientras que otros están presentes debido a actividades humanas. Por ejemplo, algunos sitios industriales que utilizan arsénico como conservador de la madera tienen fuentes de agua contaminadas, mientras que el arsénico que ocurre naturalmente es esparcido a través de gran parte del mundo. En este último caso, el arsénico se encuentra en gran parte como un sólido en 403 Crisis global de arsénico http://www.who.int/topics/arsenic/en/ Recuadro / 10.1 La crisis global de arsénico Tal como lo muestra la tabla 10.5, el arsénico de ocurrencia natural se esparce en las provisiones de agua alrededor del mundo. Desafortunadamente, cuando los seres humanos se exponen por largos periodos a bajas concentraciones de arsénico por consumir agua contaminada, se pueden desarrollar diversas formas de cáncer. La Organización Mundial de la Salud (OMS) ha establecido lineamientos de agua potable para el arsénico de 10 ␮g/L (10 ppbm). La magnitud del problema es más seria en Bangladesh y Bengala del Oeste (India). En los años setenta y ochenta, 4 millones de pozos de bombeo manual se instalaron en Bangladesh e India para provisionar de agua potable libre de patógenos a las personas. La presencia de arsenicosis empezó a aparecer en los años ochenta, poco después del programa de instalación de pozos. A principios de los años noventa, se determinó que el envenenamiento por arsénico se originó en estos pozos. El arsénico es de ocurrencia natural. Hoy en día se calcula que, cada día en Bangladesh, hasta 57 millones de personas se encuentran expuestas a concentraciones de arsénico más grandes que 10 ␮g/L. En Bengala del Oeste, un aproximado de 6 millones de personas están expuestas a concentraciones de arsénico entre 50 y 3 200 ␮g/L. La magnitud del problema muestra porqué algunos han llamado a esto el más grande envenenamiento masivo de seres humanos que jamás haya ocurrido. Tabla / 10.5 Ubicaciones globales en donde se ha detectado arsénico de ocurrencia natural en provisiones de agua potable Región Países específicos Asia Bangladesh, Camboya, China, India, Irán, Japón, Myanmar, Nepal, Pakistán, Tailandia, Vietnam América Argentina, Chile, Dominica, El Salvador, Estados Unidos, Honduras, México, Nicaragua, Perú Europa Alemania, Austria, Croacia, Finlandia, Francia, Grecia, Hungría, Italia, Reino Unido, Rumania, Rusia, Servia África Ghana, Sudáfrica, Zimbabwe Pacífico Australia, Nueva Zelanda FUENTE: Petrusevski et al., 2007. INGENIERÍA AMBIENTAL-MIHELCIC c10.indd 403 ALFAOMEGA 8/30/11 3: