Contaminación por sustancias tóxicas Referencias • Chapra, 1997. Surface Water Quality Modelling. McGraw-Hill • Thomann & Mueller, 1987. Principles of surface water quality modeling and control. Harper & Row, 1987. • Orozco y otros. 2003. Contaminación Ambiental. Una visión desde la Química. Thompson. • Legislación de aguas. Novena edición actualizada (2005). Tecnos. 1 Contaminantes convencionales vs. sustancias tóxicas • Sustancias naturales vs. sustancias extrañas a los ciclos biogeoquímicos difícilmente degradable, y por tanto, acumulables en la cadena trófica (bioacumulación) • Originalmente, la eliminación de contaminantes convencionales estuvo motivada por los efectos estéticos de éstos sobre los sistemas naturales. La principal motivación para el control de las sustancias tóxicas son sus efectos directos sobre la salud. • Unos ‘pocos’ tipos vs. una gran diversidad de contaminantes (ver Reglamento de Dominio Público Hidráulico, aprobado por R.D. 849/1986 de 11 de abril) Contaminantes (Anejo II del Reglamento de Dominio Público Hidráulico) • • • • • • • • • • • • Compuestos organo-halogenados y sustancias que pueden dar origen a compuestos de este tipo en el medio acuático (ej. PCBs) Compuestos organo-fosforados Compuestos organo-estánnicos Sustancias cancerígenas, mutagénicas o que afecten a la función esteroidogénica, al tiroides, reproducción o a otras funciones endocrinas Hidrocarburos persistentes y sustancias bioacumulables (ej. HAPs) Cianuros Metales y sus compuestos ( Hg & Cd en la relación I, y los demás en la relación II del Anejo III) Arsénico y sus compuestos Biocidas y productos fitosanitarios Materias en suspensión Sustancias que contribuyen a la eutrofización (en particular, nitratos y fosfatos) Sustancias que ejercen una influencia desfavorable en el balance de oxígeno (y que pueden ser medidas como DBO o DQO) 2 Origen -Actividades de la minería, fundición y refinado -Emisiones de la combustión de combustibles fósiles (deposición atmosférica) -Vertidos de aguas residuales de determinadas industrias siderometalúrgicas, tratamiento de superficies, curtidos, etc. -Utilización de productos que llevan en su composición estos elementos (ej. Fungicidas, aditivos de la gasolina, pinturas, etc.) Efectos Interacciones en la toxicidad de mezclas de metales en un mismo sistema contaminante, p.ej. -Cadmio-Niquel Antagonismo -Cadmio-Zinc Sinergia -Cobalto-Níquel Aditiva +∆ Toxicidad Toxicidad de los metales (*) ¡Pero, la toxicidad depende también de la forma química del metal en el agua! (ej. Hg) *CE50 = Conc. de tóxico en el agua que produce efectos sobre el 50% de individuos 3 Clear Lake, CA Sulphur Bank 4 Formas químicas en el agua Balances de masas para sustancias tóxicas en un CSTR sin sedimento Volatilización Cargas Disuelta - Particulada Salidas (lavado) Deposición Descomposición 5 Balances de masas para formas disuelta y particulada (1) (2) (1)+(2) dcd = Q(cd )in − Qcd − kVcd − vv Acd dt dc V p = Q(c p )in − Qcp − kVcp − vs Acp dt d (c p + cd ) V = Q(c p + cd )in − Q(c p + cd ) dt − kV (c p + cd ) − vs Acp − vv Acd V V dc = Qcin − Qc − kVc − vs AcFp − vv AcFd dt Partición sólido-líquido La toxicidad y los procesos que sufre el contaminante depende de si está en forma disuelta o particulada [ A] = [ A]d + [ A] p Ad + SS _ ↔ SS _ A p [ A ]d = [ A ] Kd = [ SS − A p ] [ Ad ][ SS − ] 1 = [ A ] Fd 1 + K d [ SS _ ] [ A] p = [ A] K d [ SS _ ] 1 + K d [ SS _ ] Coeficiente de partición (10-4-103 g-1) 1 = Fd + F p = [ A]F p m, Sólidos en suspensión (1-102 gm-3) 6 Ecuaciones de balance de masas para sustancias tóxicas (CSTR) agua + sólidos + contaminante Qin = Qout = Q ⇒ V = const. V dm = Qmin − Qm − vs Am dt V dc = Qcin − Qc − kVc − vs AcFp − vv AcFd dt Ecuaciones de balance de masas para sustancias tóxicas (CSTR) agua + sólidos + contaminante Qin = Qout = Q ⇒ V = const. m= c= Qmin = βmin Q + vs A En estado estacionario (horizontes temporales muy largos) Qcin = βmin Q + kV + vs AFp + vv AFd 7 Ejemplo 1 Contaminación por PCB en el Lago Hurón Balances de masas para sustancias tóxicas en un CSTR con sedimento Volatilización Salidas (lavado) Deposición Resuspensión Disuelta - Particulada Difusión Cargas Descomposición Disuelta - Particulada Consolidación (‘burial’) 8 Balances de sólidos dm1 = Qmin − Qm1 − vs Am1 + vr Am2 dt dm2 = vs Am1 − vr Am2 − vb Am2 dt En estado estacionario 0 = Qmin − Qm1 − vs Am1 + vr Am2 0= (2) 0= vs Am1 − vr Am2 − vb Am2 m2 = (1) vs Am1 − vr Am2 − vb Am2 vs m1 vb + vr 0 = Qmin − Qm1 − vs Am1 + vr Am2 m1 = Qmin Q + vs A − vr A v Fr = r vb + vr vs vb + vr = Q min Q + vs A(1 − Fr ) vr >> vb vr << vb 9 Sólidos en el sedimento • Porosidad, Φ (0.8-0.95) V2 = Vl + Vp Φ = Vl /V2 1 − Φ = Vp / V2 • Densidad ρ (2.4-2.7 x 106 gm-3) y concentración de sólidos m2 Masa de la fase sólida en el sedimento M ρ= 2 Vp ρVp M m2 = 2 = = ρ (1 − φ ) V V (1) 0 = Qmin − Qm1 − vs Am1 + vr Am2 (2) 0= vs Am1 − vr Am2 − vb Am2 ρ (1 − φ ) 9 parámetros Q A min m1 ρ φ vs vb vs Fácilmente observables o de la literatura (A) Qmin − Qm1 = vb Aρ (1− φ ) (1)+(2) (B) Datación de sedimentos (Pb-210) De la ecuación (2), conocidos los demás parámetros 10 Ejemplo 2 Balance de sólidos en el Lago Ontario Balances de masas para sustancias tóxicas en un CSTR con sedimento Volatilización Salidas (lavado) Deposición Resuspensión Disuelta - Particulada Difusión Cargas Descomposición Disuelta - Particulada Consolidación (‘burial’) 11 Balance de contaminante V1 V2 dc1 = Qcin − Qc1 − k1V1c1 − vs Ac1Fp1 − vv Ac1Fd1 dt + vd A(c2 Fd 2 − c1Fd1 ) dc2 = −k2V2c2 + vs Ac1Fp1 − vr Ac2 − vb Ac2 dt 1 + vd A(c1Fd1 − c2 Fd 2 ) = φ + K d 2 [ ρ (1 − φ )] vd (m/año) = 69.35φM −2 / 3 siendo M=peso molecular 12