CTMA6 TEMA 6 LOS SISTEMAS FLUIDOS II: LA HIDROSFERA. RECURSOS, RIESGOS E IMPACTOS. LA HIDROSFERA: CARACTERÍSTICAS GENERALES ORIGEN La hidrosfera es una de las capas dinámicas de la Tierra, una capa discontinua debido a la presencia de zonas emergidas. Se forma por la desgasificación del planeta en formación. DISTRIBUCIÓN Existe un total de 1330 . 10 6 Km 3 de agua repartidos de la siguiente forma: Océanos y continentes: Agua salada: 97,3 % Agua dulce: Continentes: 2,7 %, casquetes: 2,15 %, subterránea: 0,6 %, lagos salados: 0,008 %, lagos dulces: 0,009%, ríos: 0,0001 %. Combinada con minerales Atmosférica: 0,001 % Formando parte de la biota PROPIEDADES FÍSICO-QUÍMICAS DEL AGUA Estructura de la molécula de agua, puentes de Hidrógeno. EL CICLO DEL AGUA Representados km 3 / año PRECIPITACIÓN 385 CONDENSACIÓN EVAPORACIÓN 425 EVAPOTRANSPIRACIÓN EVAPORACIÓN 71 INFILTRACIÓN ESCORRENTÍA PRECIPITACIÓN 111 40 El ciclo hidrológico se produce por la radiación solar, que al evaporar el agua produce la acumulación de calor latente que se libera en la condensación. La fuerza de la gravedad también interviene en el ciclo. En el ciclo una molécula de agua permanece: 9-10 días en la atmósfera. 12-20 días en los ríos. 1-100 años en los lagos. 300 años en los acuíferos. 3000 años en los océanos.
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TEMA 6
LOS SISTEMAS FLUIDOS II: LA HIDROSFERA.
RECURSOS, RIESGOS E IMPACTOS.
LA HIDROSFERA: CARACTERÍSTICAS GENERALES ORIGEN
La hidrosfera es una de las capas dinámicas de la Tierra, una capa discontinua debido a la presencia de
zonas emergidas. Se forma por la desgasificación del planeta en formación.
DISTRIBUCIÓN
Existe un total de 1330 . 106 Km 3 de agua repartidos de la siguiente forma:
Tipos de cauces: - Aguas salvajes: sin cauce ni caudal fijo
- Torrentes y ramblas: con cauce fijo pero caudal no fijo.
- Ríos: con cauce y caudal fijos
Conceptos básicos: - Red de drenaje
- Cuenca hidrográfica
- Caudal (m/s)
- Hidrograma
- Perfil del río
- Llanura de inundación
- Tramos del río (alto, medio y bajo)
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Procesos Geológicos Externos Erosión: formas de modelado características:
Pilancones
Gargantas, tajos y hoces. Valle en V
Cascadas
Chimeneas de las hadas
Lapiaz y lenar
Transporte: cantos rodados
Sedimentación: formas de modelado características:
Desembocaduras (estuarios y deltas)
GLACIARES
Partes de un glaciar: circo, lengua, frente
Movimiento del hielo. Grietas.
Tipos de glaciares: circo, alpinos e islandis.
Procesos Geológicos Externos Erosión: formas de modelado características:
Rocas aborregadas
Valle en U
Transporte: cantos angulosos
Sedimentación: formas de modelado características:
Morrenas
LAGOS
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LAS AGUAS SUBTERRÁNEAS
Los acuíferos o capas freáticas son los terrenos porosos y permeables que se encuentran llenos de agua.
El agua que penetra por los poros de una roca permeable acaba llegando a una zona impermeable que la
detiene. Así la zona permeable se va llenando de agua (zona de saturación) y por encima de ella existe
una zona por donde discurren las gotas de agua pero que también tienen poros con aire (zona de aireación). La zona de contacto entre ambas se llama nivel freático.
Zona de aireación
Roca permeable
zona de saturación
Roca impermeable
nivel freático
Normalmente los acuíferos se van recargando de forma natural con la precipitación e infiltración en el
suelo y las grietas de las rocas (zonas de recarga) y discurre lentamente por el manto freático y acaba
saliendo en forma de manantiales y fuentes (zonas de descarga).
Según el tipo de rocas existen dos tipos de acuíferos:
• Acuíferos detríticos: formados por rocas detríticas (areniscas, gravas) que almacenan el agua en
los espacios intersticiales.
• Acuíferos Kárstico: en calizas, yesos, margas y dolomías que están sometidas al karst, dejando
espacios donde se almacena el agua.
El ritmo de renovación de un acuífero es muy lento, por lo que son muy susceptibles de contaminación y,
cuando se produce sobreexplotación, y se saca más agua de la que se recarga, el nivel freático va
disminuyendo (lo cual afecta a las aguas de superficie y a la vegetación).
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RECURSOS DE LA HIDROSFERA: EL AGUA COMO RECURSO
La utilización del agua como recurso se ha adecuado a lo largo de la historia a su disponibilidad, pero el
desarrollo tecnológico ha variado la situación creando una nueva demanda (alejada de las fuentes de
abastecimiento) y precisando cada vez mayores infraestructuras para garantizar este abastecimiento.
La explosión demográfica y la desigualdad hace que una quinta parte de la población humana presente
dificultades de abastecimiento y otra quinta parte no puede acceder a ella.
La creciente demanda humana convierte al agua en un recurso potencialmente renovable, ya que el ritmo
de consumo es mayor al de regeneración. El consumo medio mundial de agua es de 3500 a 4000 km3 /
año. Existen zonas excedentarias (las circumpolares como Siberia) y zonas deficitarias (aquellas de gran
demanda con una densidad de población y un desarrollo creciente). En España tenemos dos zonas
diferenciadas tradicionalmente: la España húmeda y la seca, pero no podemos afirmar que ninguna de
ellas sea excedentaria, pues se hayan sometidas igualmente a ciclos de sequía de importancia dada la
latitud a la que nos encontramos.
Recurso hidráulico natural de una región durante un periodo, es el volumen de agua disponible sin obras
artificiales (En España equivale a 2.924 m3/hab/año).
Año hidrológico: periodo de 12 meses que comienza cuando el almacenamiento superficial y subterráneo
es mínimo (en España comienza el 1 de octubre y termina el 30 de septiembre).
Demanda: cantidad de agua necesaria para satisfacer un uso del agua determinado.
Consumo: es la reducción en el volumen del agua disponible cuando ha sido utilizada.
Los usos del agua Se pueden clasificar de las siguientes formas:
Según el consumo:
• USOS CONSUTIVOS: con consumo del agua (abastecimiento, regadío...)
• USOS NO CONSUTIVOS: sin consumo del agua( hidroeléctricas, navegación, pesca...)
Según su prioridad:
• USOS PRIORITARIOS: aquellos en los que es imprescindible el uso del agua (abastecimiento, riego y
medio ambiente)
• USOS SECUNDARIOS: aquellos que utilizan los caudales sobrantes (usos energéticos y recreativos).
Según el tipo de destinatario:
• USOS URBANOS E INDUSTRIALES: dependen de la densidad de población y el nivel de desarrollo
industrial. Es el consumo doméstico, comercial, urbano, refrigeración, incorporación al
producto elaborado y la limpieza. En los países desarrollados el uso urbano constituye el 15 %
del consumo y el industrial el 10%. En los países subdesarrollados constituyen el 5% cada uno
de ellos. Su uso produce las aguas domiciliarias y aguas negras.
• USOS AGRÍCOLAS: regadíos (por aguas de escorrentía y acuíferos). En los países desarrollados el
uso agrícola constituye el 75 % del consumo y en los países subdesarrollados el 90%.
• USO ENERGÉTICO: la mayor parte de este consumo es para producción de energía hidroeléctrica,
pero también se utiliza en la refrigeración de las centrales nucleares y térmicas.
• NAVEGACIÓN FLUVIAL: se produce mediante embalses de regulación si el caudal es insuficiente.
ENERGÉTICAS (térmica y nuclear, el petóleo (mareas negras), la minería (lixiviados)
AGRÍCOLAS (pesticidas y plaguicidas, salinización de los pozos).
RECREATINAS (la automoción (barcas y transporte), la pesca (plomo), el baño...
Efectos medioambientales de la contaminación SOBRE LOS RÍOS Y CAUCES SUPERFICIALES
Las sales y la materia orgánica favorecen la producción primaria produciendo eutrofización de las aguas.
Si la materia orgánica es abundante proliferan las bacterias descomponedoras que agotan el oxígeno
impidiendo el desarrollo de plantas y animales.
El río se puede autodepurar, pero podemos distinguir varias zonas según la calidad del agua:
+ Zona de polisaprobios: cercana al foco de contaminación, agua maloliente, cargada de materia
orgánica y bacterias. Se consume mucho oxígeno. Géneros: Sphaerotilus, Paramecium, Chiromonas
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+ Zona de mesosaprobios: más alejada del foco de
contaminación, agua con menos materia orgánica y
bacterias .Las algas contribuyen a su destrucción y
aportan oxígeno. Géneros: Euglena, Asellus,, larvas de
Chiromonas, Cladophora y Navicula.
+ Zona de oligosaprobios: los organismos fijan los
elementos nutritivos y producen oxígeno. Condiciones
aceptables. Géneros: cangrejo de río, Ephemera, truchas
Los ríos pueden autodepurarse pero en los lagos y embalses el
proceso es más difícil por el estancamiento. En el proceso de
eutrofización, el crecimiento de las algas es masivo, al morirse
caen al fondo y se descomponen, aportando nuevos nutrientes y
acidificando los sedimentos, que liberan al medio metales
pesados.
SOBRE LOS ACUÍFEROS
La sobreexplotación es el principal problema, pues en su mayoría se trata de acuíferos fósiles sin recarga
(Tablas de Damiel). Cercade la costa, la bajaa del nivel freático produce una intrusión marina que da lugar
a la salinización del acuífero. Como se sigue utilizando para riego se produce también la salinizacion de
los suelos. La contaminación se detecta más tarde que en las aguas superficiales y se produce por
infiltración (vertidos químicos, basureros, pesticidas y herbicidas...
SOBRE LOS MARES
Son contaminados directamente or los ríos, los accidentes marítimos, los procesos industriales y el vertido
intencionado durante años (basuras, incineración de productos tóxicos en alta mar y vertidos nucleares
altamente peligrosos). Las mareas negras causadas por accidentes o por la limpieza de las refinerias y de
los barcos son una de las peores catástrofes para el medio. Es una contaminación sin fronteras que
destroza la costa con graves consecuencias medioambientales y económicas. El doble casco y la
reglamentación han venido a paliar estos daños, pero quedan en la memoria El Prestige o la quema
intencionada de pozos petrolíferos en la Guerra del Golfo.
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La depuración de las aguas Idea general
La mayoría de los vertidos de aguas residuales que se hacen en el mundo no son tratados. Simplemente se descargan en el río, mar o lago más cercano y se deja que los sistemas naturales, con mayor o menor eficacia y riesgo, degraden los desechos de forma natural. En los países desarrollados una proporción, cada vez mayor, de los vertidos es tratada antes de que lleguen a los ríos o mares en EDAR (estaciones depuradoras de aguas residuales).
El objetivo de estos tratamientos es, en general, reducir la carga de contaminantes del vertido y convertirlo en inocuo para el medio ambiente. Para cumplir estos fines se usan distintos tipos de tratamiento dependiendo de los contaminantes que arrastre el agua y de otros factores más generales, como localización de la planta depuradora, clima, ecosistemas afectados, etc.
La depuración de las aguas Los diferentes tipos de depuración están relacionados con su tecnología y su coste económico. Podemos distinguir tres tipos: depuradoras de técnica blanda, intermedias y de técnica dura o convencionales. DEPURADORAS DE TÉCNICA BLANDA Son de bajo coste económico y se desarrollan por procesos naturales o cercanos a ellos.
Lagunaje: son estanques anaerobio o aerobios. En los primeros se desarrolla la decantación y la digestión, en las segundas, mediante procesos biológicos, las bacterias aerobias y facultativas realizan la depuración, obteniendo el oxígeno de las algas, del que se incorpora por difusión de la atmósfera y del que se desprende gracias a la acción de los rayos solares.
Lechos de turba: son zonas llanas que filtran el agua a través de la turba (a veces son de arena). Lechos bacterianos o filtros biológicos: son recipientes circulares rellenos de cantos rodados, lava
volcánica, pieza de plástico... por las que pasan las aguas residuales que salen de un aspersor que gira. Esta agua cae sobre el lecho de materiales y los microorganismos que se encuentran sobre ellos, asimilan la materia orgánica del agua. El oxígeno necesario se toma de la atmósfera ya qu el aire circula por el interior del recipiente.
Biorrotores: son cilindros rellenos de piezas de plástico que giran en el interior de las aguas residuales y toman el agua de la atmósfera.
Filtros verdes: son grandes extensiones de terreno sobre los que se plantan especies vegetales, en muchos casos maderables (chopos), y que se inundan periódicamente con aguas residuales.
DEPURADORAS DE TÉCNICA INTERMEDIA Combinan ambas técnicas (duras y blandas). DEPURADORAS DE TÉCNICA DURA Las estaciones depuradoras de aguas residuales (EDAR) tienen mayor coste económico, ocupan menos espacio y realizan tratamientos más específicos (eliminación de fósforo y nitrógeno). Los lodos que se obtienen de ellas son utilizados como abonos siempre que no contengan sustancias contaminantes. Este agua obtenida se puede utilizar para riego de jardines, limpieza de calles...
Tipos de tratamiento.
Hay distintos tipos de tratamiento de las aguas residuales para lograr retirar contaminantes. Se pueden usar desde sencillos procesos físicos como la sedimentación, en la que se deja que los contaminantes se depositen en el fondo por gravedad, hasta complicados procesos químicos, biológicos o térmicos. Entre ellos, los más usuales son:
a) Físicos
• Sedimentación. • Flotación.- Natural o provocada con aire. • Filtración.- Con arena, carbón, cerámicas, etc. • Evaporación. • Adsorción.- Con carbón activo, zeolitas, etc. • Desorción (Stripping). Se transfiere el contaminante al aire (ej. amoniaco). • Extracción.- Con líquido disolvente que no se mezcla con el agua.
b) Químicos
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• Coagulación-floculación.- Agregación de pequeñas partículas usando coagulantes y floculantes (sales de hierro, aluminio, polielectrolitos, etc.)
• Precipitación química.- Eliminación de metales pesados haciéndolos insolubles con la adición de lechada de cal, hidróxido sódico u otros que suben el pH.
• Oxidación-reducción.- Con oxidantes como el peróxido de hidrógeno, ozono, cloro, permanganato potásico o reductores como el sulfito sódico.
• Reducción electrolítica.- Provocando la deposición en el electrodo del contaminante. Se usa para recuperar elementos valiosos.
• Intercambio iónico.- Con resinas que intercambian iones. Se usa para quitar dureza al agua. • Osmosis inversa.- Haciendo pasar al agua a través de membranas semipermeables que retienen
los contaminantes disueltos.
c) Biológicos. Usan microorganismos que se nutren con diversos compuestos de los que contaminan las aguas. Los flóculos que se forman por agregación de microorganismos son separados en forma de lodos.
• Lodos activos.- Se añade agua con microorganismos a las aguas residuales en condiciones aerobias (burbujeo de aire o agitación de las aguas).
• Filtros bacterianos.- Los microorganismos están fijos en un soporte sobre el que fluyen las aguas a depurar. Se introduce oxígeno suficiente para asegurar que el proceso es aerobio.
• Biodiscos.- Intermedio entre los dos anteriores. Grandes discos dentro de una mezcla de agua residual con microorganismos facilitan la fijación y el trabajo de los microorganismos.
• Lagunas aireadas.- Se realiza el proceso biológico en lagunas de grandes extensiones. • Degradación anaerobia.- Procesos con microorganismos que no necesitan oxígeno para su
metabolismo.
Niveles de tratamiento
Las aguas residuales se pueden someter a diferentes niveles de tratamiento, dependiendo del grado de purificación que se quiera. Es tradicional hablar de tratamiento primario, secundario, etc, aunque muchas veces la separación entre ellos no es totalmente clara. Así se pueden distinguir:
a) Pretratamiento.- Es un proceso en el que usando rejillas y cribas se separan restos voluminosos como palos, telas, plásticos, etc.
b) Tratamiento primario.- Hace sedimentar los materiales suspendidos usando tratamientos físicos o fisico-químicos. En algunos casos dejando, simplemente, las aguas residuales un tiempo en grandes tanques o, en el caso de los tratamientos primarios mejorados, añadiendo al agua contenida en estos grandes tanques, sustancias químicas quelantes* que hacen más rápida y eficaz la sedimentación. También se incluyen en estos tratamientos la neutralización del pH y la eliminación de contaminantes volátiles como el amoniaco (desorción). Las operaciones que incluye son el desaceitado y desengrase, la sedimentación primaria, la filtración, neutralización y la desorción (stripping).
c) Tratamiento secundario.- Elimina las partículas coloidales y similares. Puede incluir procesos biológicos y químicos. El proceso secundario más habitual es un proceso biológico en el que se facilita que bacterias aerobias* digieran la materia orgánica que llevan las aguas. Este proceso se suele hacer llevando el efluente que sale del tratamiento primario a tanques en los que se mezcla con agua cargada de lodos activos (microorganismos). Estos tanques tienen sistemas de burbujeo o agitación que garantizan condiciones aerobias para el crecimiento de los microorganismos. Posteriormente se conduce este líquido a tanques cilíndricos, con sección en forma de tronco de cono, en los que se realiza la decantación de los lodos. Separados los lodos, el agua que sale contiene muchas menos impurezas.
d) Tratamientos más avanzados.- Consisten en procesos físicos y químicos especiales con los que se consigue limpiar las aguas de contaminantes concretos: fósforo, nitrógeno, minerales, metales pesados, virus, compuestos orgánicos, etc. Es un tipo de tratamiento más caro que los anteriores y se usa en casos más especiales: para purificar desechos de algunas industrias, especialmente en los países más desarrollados, o en las zonas con escasez de agua que necesitan purificarla para volverla a usar como potable, en las zonas declaradas sensibles (con peligro de eutrofización) en las que los vertidos deben ser bajos en nitrógeno y fósforo, etc.
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Figura 11-10 > Tratamiento primario y tratamiento secundario en una EDAR
Líneas de tratamiento en las EDAR
En el funcionamiento de una EDAR (estación depuradora de agua) se suelen distinguir dos grandes líneas:
a) Línea de agua.- Es el conjunto de los procesos (primarios, secundarios, etc.) que depuran el agua propiamente dicha. Comenzaría con el agua que entra a la depuradora y terminaría en el agua vertida al río o al mar.
b) Línea de fangos.- Está formada por el conjunto de procesos a los que se somete a los fangos (lodos) que se han producido en la línea de agua. Estos lodos son degradados en un digestor anaeróbico* (o en otra forma similar), para ser después incinerados, usados como abono, o depositados en un vertedero.
En una planta depuradora también se generan, además de los lodos, otros residuos (arenas, grasas, objetos diversos separados en el pretratamiento y en el tratamiento primario) que deben ser eliminados adecuadamente. Se suelen llevar a vertederos o similares.
Tratamientos especiales: eliminación de N y P
En los casos en los que las aguas que salen de la EDAR se vierten a ecosistemas en peligro de eutrofización es importante eliminar los nutrientes (P y N) que estas aguas pueden llevar, para no aumentar la intensidad de ese proceso.
Para eliminar fósforo se suelen pasar las aguas por un reactor "anaerobio" que facilita una mayor asimilación de ese elemento por las bacterias. Así se llega a eliminar el 60 - 70% del fósforo. Si esto no es
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suficiente se complementa con una precipitación química forzada por la adición de sulfato de alúmina o cloruro férrico.
La eliminación de nitrógeno se hace en varias fases. En primer lugar, durante el tratamiento biológico habitual, la mayor parte de los compuestos orgánicos de nitrógeno se convierten en amoniaco (amonificación). A continuación hay que conseguir que el amoniaco se convierta a nitratos (nitrificación) por la acción de bacterias nitrificantes (Nitrosomonas y Nitrobacter) que son aerobias. Este proceso de nitrificación necesita de reactores de mucho mayor volumen (unas cinco o seis veces mayor) que los necesarios para eliminar carbono orgánico. Las temperaturas bajas también dificultan el proceso (a 12ºC el volumen debe ser el doble que a 18ºC). A continuación se procura la eliminación de los nitratos en el proceso llamado desnitrificación. Para esto se usan bacterias en condiciones anaerobias que hacen reaccionar el nitrato con parte del carbono que contiene el agua que está siendo tratada. Como resultado de la reacción se forma CO2 y N2 que se desprenden a la atmósfera. Para llevar a cabo estos procesos hacen falta reactores de gran volumen, aireación de gandes masas de agua y recirculación de fangos que complican y encarecen todo el proceso de depuración.
Otros sistemas de depuración
Para lograr una depuaración suficiente de las aguas residuales de pequeñas comunidades no es necesario acudir a la instalación de EDAR capaces de realizar complejos tratamientos. Otros métodos pueden ser suficientemente eficaces y mucho más rentables. Así:
• Fosa séptica.- Cámaras cerradas en la que los contaminantes sedimentan y fermentan. • Lecho bacteriano (depósito lleno de árido), zanjas o pozos filtrantes o filtros de arena.- Todos ellos
facilitan la formación de películas de bacterias sobre los cantos o partículas filtrantes que realizan la descontaminación.
• Lagunaje: o anaerobio: elimina hasta el 50% el DBO o aerobio: con posible proceso anaerobio después
• Filtro verde: plantación forestal en la que se riega con aguas residuales. • Contactores biológicos rotativos.- Sistemas mecánicos que facilitan la actuación de las bacterias