Edición 66 / Enero del 2000

Evaluación Rápida de la Contaminación Hídrica Capítulo I: Índices de Contaminación Hídrica y Software Ichs I-p para la Determinación Automática de los Niveles de Contaminación de las Aguas de Ríos y de Uso Común

Ing. Juan Nicolás Faña Batista Corresponsal en República Dominicana j.n.fana@codetel.net.do Grupo Hidro-ecológico Nacional, Inc. (G.H.e.N)

Prólogo

     Desde los orígenes de la civilización, los seres humanos se han emplazado en las proximidades de las corrientes fluviales, porque ello les garantiza el rápido abastecimiento del agua potable, necesaria para satisfacer sus requerimientos básicos.

     Durante milenios, sumerios, babilonios y asirios crecieron a orillas del río Eufrates; profetas, faraones y esclavos egipcios dependieron del río Nilo, mientras el emperador Claudio I gastó una extraordinaria fortuna del Imperio Romano para construir un magestuoso acueducto elevado, obra sin precedentes en la historia de la civilización. Sin olvidar, que la ciudad de Santo Domingo, primada de América, fue fundada en la calcárea ribera del otrora caudaloso río Ozama, cuando sus aguas eran transparentes como un haz de luz y puras como el rocío que humedece la flor en las mañanas.

     Pero el agua es un bien abundante para algunos y escaso para muchos, lo que induce a una valoración inversamente proporcional a su abundancia relativa, porque aunque dos terceras partes de la superficie de nuestro planeta están cubiertas por agua, apenas el 2.8% del agua total es agua dulce, con la restricción de que 2.24% no es aprovechable por estar congelada en forma de glaciares y nieves perennes, el 0.60% esta contenido en los poros de rocas y suelos formando acuíferos, y solo el 0.03% del agua total del planeta esta disponible en fuentes superficiales.

     A esta cruda realidad hay que sumar los estragos provocados por la creciente deforestación en los bosques tropicales y los cambios clímaticos que afectan el planeta, situaciones que en gran medida han mermado considerablemente el caudal de muchos de nuestros ríos; y si a esto añadimos la extraordinaria explosión demográfica y las despiadadas acciones de contaminación industrial, urbana y doméstica, cuyo espectro es cada vez más amplio y aterrador, podríamos vislumbrar que tras la bruma del presente hay un futuro hídrico sombrío, del cual seremos directa o indirectamente responsables.

     Es por ello que hoy nos toca el deber de velar fielmente por la protección de todas nuestras corrientes fluviales, sean estas superficiales o subterráneas, evitando en lo posible degradarlas, contaminarlas o mal utilizarlas, para que nuestros hijos y todos sus descendientes puedan disponer del mayor tesoro universal: el agua clara que camina entre lirios y azucenas.

     Y es por esto que hoy el Grupo Hidro-ecológico Nacional, Inc. y el Ingeniero Juan Nicolás Faña Batista, quieren entregar a todo el país los programas computacionales ICHs e ICHs-p, herramientas diseñadas para simular la calidad del agua de uso habitual, conscientes de que en la medida en que conozcamos mejor las propiedades y relaciones físico-químicas de nuestras aguas y las causas y efectos de la contaminación química y/o bacterilógica, en esa misma medida nos convertiremos en celosos guardianes de su indispensable pureza.

R. Osiris de León
Ingeniero Geólogo
Miembro de la Academia de Ciencias de República Dominicana

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PROGRAMAS ICHs e ICHs-p

MANUAL DEL USUARIO
Por Ing. Juan Nicolás Faña Batista

Introducción

     ICHs e ICHs-p son dos programas de simulación de la calidad del agua de los ríos y del agua de uso común respectivamente, a partir de un índice de contaminación calculado, automáticamente, en base a los resultados de algunos análisis físico-químico-bacteriológicos de las muestras del líquido. ICHs e ICHs-p son herramientas informáticas de usos amigables, que no requieren de grandes conocimientos. Uno de sus objetivos es popularizar la determinación de la calidad del agua entre monitores y técnicos del agua. Así, en cuestión de minutos, usted puede instalar y usar esos simuladores de calidad. Símplemente introduzca los datos requeridos en las celdas correspondientes de la tabla inicial y en segundos el mecanismo de cálculo aplicará el algoritmo correspondiente al ICH para determinar su influencia y su valor.

     Para el Índice de Contaminación en Ríos Superficiales (ICHs) se requerirá la introducción de once datos por cada rio, entre los cuales están el nombre del río, nueve valores de parámetros físico-químicos y un valor bacteriológico (NMP/ml de bacterias).

     Para la determinación del Índice de Contaminación en Agua de uso Común con posibilidad de potabilizarse (de río, pozo, lluvia, acueducto, cisterna, etc.) usando ICHs-p; se requerirá de nueve datos: ocho parámetros físico-químicos y un valor bacteriológico (Presencia/Ausencia de Bacterias).

     Algunos de estos parámetros son comunes en ambas simulaciones y otros son específicos.

Objetivos del Modelo ICH

     La aplicación de los Índices de Contaminación Hídrica, el análisis de las gráficas que genera el modelo y los demás valores técnicos obtenidos mediante la ejecución de la simulación, tienen varios objetivos; entre los cuales señalaremos los siguientes:

1. Control de la calidad del agua supuestamente potabilizada.
2. Verificación de procesos de purificación doméstica de agua.
3. Observación de los efectos de lixiviados de la basura en cuencas hidrográficas y acuíferos.
4. Determinación de la contaminación de aguas superficiales y subterráneas.
5. Estimación del grado de polución de los ríos y efectos de plaguicidas en canales; y su variación con respecto al tiempo.
6. Fijación y control de emisiones permisibles de residuales industriales líquidos en cursos de agua.
7. Manejo racional de plantas de tratamiento de agua.
8. Comprobación parcial de vertidos de sustancias químicas en ríos, arroyos y pozos filtrantes.
9. Evaluación de programas de control de la contaminación hídrica.
10. Confirmación de resultados en programas de manejo de cuencas hidrográficas.
11. Fundamentación para el establecimiento de Índices de Salubridad y Control (en tiempos normales y en desastres).
12. Medición del esfuerzo estatal en la protección del ambiente acuático.
13. Planificación de acciones conservacionistas, públicas y privadas.
14. Interpretación de resultados de programas de ayudas internacionales en el sector agua y saneamiento.
15. Prevención, señalizacion o advertencias de degradación hídrica.

     Consideraremos que el logro de por lo menos uno de estos objetivos justificará con creces nuestro esfuerzo para construir este modelo. (VER ANEXO 3: "PARA QUE SIRVEN LOS RESULTADOS DE LOS MONITOREOS DEL AGUA").

Parámetros

     Concentración de Iones de Hidrógeno (pH): El agua siempre se ioniza por la presencia de sustancias ácidas y básicas disueltas en ella, formando iones de hidrógeno (H+) e iones negativos llamados hidroxilos (OH-). Cuando hay la misma cantidad de iones de ambos signos, la concentración de los iones de hidrógeno "H+" es 0.0000001 veces el peso de los iones gramo del hidrógeno, expresados en gramos por litro. Para evitar tener que manejar decimales, se dice que el pH en este caso es 7 (es decir, igual al número de ceros que preceden a la unidad). El valor del pH puede variar conforme con esta explicación entre 1.0 cuando el líquido está saturado de ácido y 0.00000000000001 cuando lo está de sustancias alcalinas o básicas. Por lo tanto el pH se expresa por un número comprendido entre 0 (ácido puro) y 14 (alcalinidad pura). Lo ideal es pH=7 (neutralidad).

     Oxígeno Disuelto (OD): La baja concentración de oxígeno disuelto en el agua, a menudo es una indicación de alta contaminación del líquido, ya que sirve para denotar la presencia de organismos que "respiran" y se multiplican a una tasa superior a la de difusión del oxígeno desde la atmósfera al agua, por encontrar mucha materia orgánica disponible. También puede indicar una severa contaminación térmica de la fuente de la muestra por incremento de la energía cinética de las moléculas del gas. Una cantidad adecuada de oxígeno disuelto es fundamental para la conservación de la vida acuática (aunque la presencia de ese gas no sea apreciada en aguas que se utilizan para el funcionamiento de calderas, porque tienden a producir corrosión en esos sistemas de conversión de energía). Para nuestros fines es recomendable la presencia de oxígeno disuelto en el orden de, por lo menos 5 @ 8 mg/L, dependiendo de la altitud donde se ejecute el análisis del gas respirable y de la temperatura del agua que lo contiene.

     NMP/mL: Para el ICHs correspondiente a ríos se emplea el análisis cuasi-estadístico del Número Más Probable de bacterias coliformes totales o fecales por mililitro (NMP/100mL dividido entre 100). El objetivo de los exámenes bacteriológicos es averiguar básicamente si existe contaminación por aguas negras y en consecuencia la capacidad del agua para transmitir enfermedades al consumirla. Las bacterias son vegetales unicelulares que se denominan saprófitas cuando son inocuas y beneficiosas para la digestión, o parásitas. Con estos exámenes bacteriológicos no se busca determinar qué organismo patogénico específico contiene una muestra de agua, sino verificar si existe algún organismo indicador (aunque no sea patógeno) pero que sea característico de las evacuaciones intestinales de animales o humanos. Los organismos indicadores idoneos son los del grupo coliforme, ya que todos los individuos de este tipo son habituales huéspedes de los intestinos de animales de sangre caliente (como la Escherichia coli). Además todos los coliformes se reproducen "animadamente" en un medio lactosado, formando un ácido y un gas que caracteriza su presencia, crecen en presencia de aire y no forman esporas. Por esas características tan adecuadas para evidenciar la contaminación fecal es que se usan con tanta frecuencia. (Ver anexo 1: "INCUBAC-JNF.01")

     Presencia/Ausencia de Bacterias: Empleando las mismas consideraciones anteriores, considerando lo arduo que resulta a veces determinar el NMP/100mL (aunque ya hay métodos simplificados que explicaremos más adelante) y tomando en cuenta que necesitamos calidad fuera de sospecha para el agua de uso común, es decir, para bañarnos, cocer los alimentos, lavar ropas, vegetales y utensilios de cocina, cepillarnos, asearnos, beber, etc. ; se está promoviendo mundialmente la idea de que basta la sola presencia de bacterias coliformes (NO IMPORTANDO QUE SEAN UNAS POCAS O QUE SEAN MUCHAS) para degradar inaceptablemente su calidad y para descartar de inmediato el agua origen de la muestra positiva. Por esto en la simulación ICHs-p usamos este criterio como parámetro bacteriológico.

• TDS: El Total de Sólidos Disueltos y la Conductividad Eléctrica del agua son directamente proporcionales. Basado en esta relación se puede obtener el TDS usando un equipo electrométrico. Un uso importante de esta relación es la estimación del total de sólidos disueltos en el agua. Sabiendo que la conductancia específica del agua pura es igual a (5 E -8)/ohm.cm; y que los vestigios de una impureza ionica aumentarán la conductancia en un orden de magnitud o más, se determinan curvas de calibración y aparatos de medición TDS que nos indican en una pantalla de cristal líquido la conductividad que deberemos multiplicar por el factor que corresponda, para obtener el total de sólidos disueltos; o directamente el valor que indica la totalidad de solidos disueltos en la muestra.

• DQO: La demanda química de oxígeno es una medida compleja de la contaminación química del agua, basada en la determinación de los miligramos de Oxígeno (O2) consumidos por litro de muestra que se somete a un proceso de "digestión", es decir, que se calienta a 150º C durante dos horas en presencia de un agente oxidante fuerte (como el dicromato de potasio). Esto hace que los compuestos orgánicos oxidables reaccionen reduciendo el ión dicromato en un ión crómico, del cual se determina la cantidad remanente, mediante un espectrofotómetro. El reactivo también debe contener iones de plata que sirven como catalizadores, e iones de mercurio para evitar las interferencias que puede producir en la prueba la potencial presencia de cloro en la muestra.

• Potasio (K): El cloruro de potasio, el carbonato de potasio, el hidróxido de potasio y otros compuestos (como algunos residuos médicos, textiles, de la industria fotográfica y tintorerías) están asociados a fertilizantes, jabones, polvos detergentes, etc. que contaminan el agua; y esta contaminación puede ser detectada al verificarse la presencia del potasio. En efecto, como esta fue una sustancia detectada en todos los análisis de las aguas de los ríos que sirvieron de base para la investigación, que fundamenta en la práctica el proceso de simulación ICHs, se ha incluido como parámetro para la determinación del índice. Este metal no se encuentra prácticamente nunca en estado libre, sino formando compuestos o sales de potasio.

• Cloruros (Cl): Los compuestos que resultan de la combinación del cloro con una sustancia simple o compuesta (excepto hidrógeno u oxígeno) se llaman cloruros. El cloruro más conocido es el de sodio (sal común). Este y otros cloruros son altamente solubles, por lo que contaminan fácilmente el agua al pasar por minas de evaporitas, por intrusión salina en pozos, por efecto de la pleamar, en estuarios , etc. El exceso de sales, más de 500-1000 mg/L puede producir o facilitar enfermedades, por lo que su concentración en el agua es considerado en nuestro modelo, un importante parámetro definitorio del Índice de Contaminación Hídrica.

• Cobre (Cu): Este metal y sus compuestos, cuando se encuentran en exceso en el agua, pueden producir sabores indeseables, y su concentración a niveles superiores a 0.3 mg/L puede matar a los peces y otros organismos acuáticos beneficiosos. Cuando se emplea, por ejemplo, como sulfato de cobre, para mejorar el sabor y eliminar malos olores en estanques o cisternas, al acabar con organismos sápidos u olorosos, deberá usarse una dosis máxima igual o inferior a la indicada. La mayoría de las normas para agua de uso común recomiendan 0.2 mg/L, como concentración máxima aceptable en el líquido.

• Turbiedad o turbidez: Es el efecto óptico que se origina al dispersarse o interferirse el paso de los rayos de luz que atraviesan una muestra de agua, a causa de las partículas minerales u orgánicas que el líquido puede contener en forma de suspensión; tales como micro organismos, arcilla, precipitaciones de óxidos diversos, carbonato de calcio precipitado, compuestos de aluminio, etc. Consideramos este parámetro como muy significativo para la constitución del Índice de Contaminación en agua de uso común, debido a que influye notablemente en la aceptación o no del líquido por parte del usuario, también porque es un indicador de contaminación potencial; y porque un alto nivel de turbidez en el agua puede dificultar y/o encarecer su proceso de tratamiento, tanto doméstico como general del líquido. Una turbidez mayor de 5 ppm (5 partes por millón) es indeseable; y lo ideal es que sea igual o inferior a 1 ppm.

• Color: El "color verdadero" en el agua es causado por la presencia de partículas mucho más finas que las que originan la turbidez (coloides); tales como algunos colorantes industriales, el humus, la disolución y lixiviados de hojas y otros materiales vegetales, algunos residuos de pantanos y humedales, los óxidos de hierro, etc. A la sumatoria de este color verdadero y el producido por las partículas que originan la turbiedad se le llama "color aparente". Es deseable que el Color, en cualquier caso, sea menor de 5 ppm.

• Alcalinidad: Esta es una indicación de los compuestos alcalinos o "básicos" que están presentes en el agua. Regularmente se presentan en forma de hidróxidos, carbonatos y bicarbonatos: de calcio, potasio, sodio y magnesio. Los límites razonables de la alcalinidad están entre 30 mg/L y 250 mg/L . Cada compuesto produce su alcalinidad específica, pero para los fines de calidad y/o tratamiento del agua se considera la suma de todas ellas (Alcalinidad Total), de cuyo procedimiento de análisis hablaremos más adelante. Si todas las sustancias básicas que constituyen la alcalinidad son sales de calcio y magnesio, entonces la alcalinidad será igual a la DUREZA del agua. Una alcalinidad inferior a 10 mg/L no es deseable porque convierte el agua en muy corrosiva.

• Cloro Residual: Está ampliamente comprobado el poder desinfectante o antibacterial del cloro. Cuando se agrega al agua este oxida la materia orgánica y bacterias que se encuentren en el líquido. Al mismo tiempo su poder bactericida va disminuyendo por esa causa, por efecto de la luz y por desnaturalización espontánea. Por ello es recomendable que en los procesos de purificación de agua en acueductos, plantas de tratamiento o a nivel doméstico se agregue en una cantidad tal que quede un "exceso controlado", que se denomina Cloro Residual.
  
  Sin embargo es conveniente que el cloro residual "libre" o prácticamente disponible no exceda de ciertos valores recomendados por instituciones internacionales como el Instituto Pasteur, la Organización Mundial de la Salud (OMS / OPS) y la Environment Protection Agency (EPA). Valores de cloro residual libre superiores a 0.6 mg/L e incluso 0.4 mg/L pueden producir desde acidez estomacal, hasta graves afecciones de la salud; por lo que se recomienda que su concentración libre al momento de uso del agua clorada debe ser aproximadamente 0.2 mg/L @ 0.3 mg/L; y considerar toda concentración superior a este valor, como una contaminación indeseada.
  
  Afortunadamente hay procedimientos muy sencillos para controlar la dosificación del cloro, uno de los cuales explicaremos más adelante. La facilidad y bajo costo de la purificación bacteriológica del agua con cloro y la posibilidad de lograr un cloro residual adecuado, hacen este procedimiento de desinfección preferible al hervido del agua, cuyo poder de desinfección cesa al terminar de hervir y enfriarse el líquido; mientras que permanece activo por un tiempo prudente luego de la clorinación.

• Temperatura In Situ: Promedio de la velocidad media del movimiento de átomos, iones o moléculas, en una sustancia o combinación de sustancias en un momento determinado. La temperatura es un parámetro muy importante ya que influye en la obtención de resultados confiables en el campo o en el laboratorio. Asi, por ejemplo, si medimos la conductividad de una muestra de agua usando un electrómetro que no posea la característica de compensación del resultado por efecto de temperatura, corremos el riesgo de obtener un resultado incorrecto. Por otro lado, algunos procesos de purificación del líquido se ven interferidos por el mismo efecto; por ejemplo, ésta afecta sensiblemente la acción desinfectante del cloro residual, pués a menor temperatura se requiere de una mayor dosis para producir la misma desinfección. La temperatura adecuada para la realización de los análisis del agua es aproximadamente 25 º C, o por lo menos que este en un rango cercano. Ese parámetro también influye en muchas de las características de importancia técnica del agua; tales como la fuerza o esfuerzo iónico, constante dieléctrica, coeficientes de actividad monovalente y divalente, constante de disociación, solubilidad, pH, índices de Langelier, de Ryznar y de Agresividad, inactivación de bacterias, formación de Tri-halometanos, etc, etc. @
  
  
  

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  Ediciones G.H.e.N
  ÍNDICE DE CONTAMINACIÓN HÍDRICA
  Autor: Ing. Juan Nicolás Faña Batista

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