CONTAMINACIÓN DE
AGUAS SUBTERRÁNEAS
Leonardo David Donado Garzón
Profesor – Universidad Nacional de Colombia – Sede Bogotá
Taller sobre Planes de Manejo de las Aguas
Subterráneas en Colombia
PMAS
CONTENIDO
1. MOTIVACIÓN
1. Introducción
2. Componentes del Agua
2. FUENTES DE CONTAMINACIÓN
3. TIPOS DE CONTAMINACIÓN
4. MECANISMOS DE TRANSPORTE
1. Advección
2. Difusión molecular
3. Dispersión hidrodinámica
4. Retardación
5. Difusión en la matriz
6. Degradación
7. Reacciones bioquímicas
5. ANÁLISIS Y PARÁMETROS
1. Escala
2. Heterogeneidad
3. Parámetros hidrodinámicos
4. Zonas de captura
5. Intrusión marina / salina
6. MODELOS NUMÉRICOS
MOTIVACIÓN
MOTIVACIÓN
INTRODUCCIÓN
COMPONENTES DEL AGUA
FUENTES DE CONTAMINACIÓN
TIPOS DE CONTAMINANTES
MECANISMOS DE TRANSPORTE
ADVECCIÓN
DIFUSIÓN MOLECULAR
DISPERSIÓN HIDRODINÁNICA
RETARDACIÓN
DIFUSIÓN EN LA MATRIZ
DEGRADACIÓN
REACCIONES BIOQUÍMICAS
ANÁLISIS Y PARÁMETROS
ESCALA
HETEROGENEIDAD
PARÁMETROS HIDRODINÁMICOS
ZONAS DE CAPTURA
INTRUSIÓN MARINA / SALINA
MODELOS NUMÉRICOS
INTRODUCCIÓN
Afectación de la calidad
Calidad Utilidad
Solutos y gases disueltos
Materia suspendida y en flotación
Procesos: Físicos, Químicos y Biológicos
Interacción natural del agua
Actividades humanas
Se contamina el agua
COMPONENTES (i)
Indicador STD
Mayores contituyentes: Silica
Cationes: Ca, Mg, Na, K
Aniones: Cl, SO4, CO2, HCO3
Menores constituyentes:
Fe, Mn, Fl, NO3, Sr, B
Elementos de traza:
As, Pb, Cd, Cr
COMPONENTES (ii)
Gases disueltos: O2, CO2, N, H2S, CH4
Interacción Agua Superficial – Agua Subterránea
Agua residual
Escorrentía Urbana
Incremento de Erosión
Cambios de uso
Contaminación del aire Incrementa sólidos disueltos
Eutroficación de lagos incremento de P
COMPONENTES (iii)
STD se incrementa con la profundidad
Agua Fresca STD < 100 mg/L
Clase I: Aguas Subterráneas Especiales
Clase II: Fuentes Actuales y Potenciales
Clase III: Fuentes No Potenciales salinidad
Contaminación Aguas Subterráneas
Bacteriológica
Agentes tóxicos
Constituyentes químicos comunes
FUENTES DE CONTAMINACIÓN
MOTIVACIÓN
INTRODUCCIÓN
COMPONENTES DEL AGUA
FUENTES DE CONTAMINACIÓN
TIPOS DE CONTAMINANTES
MECANISMOS DE TRANSPORTE
ADVECCIÓN
DIFUSIÓN MOLECULAR
DISPERSIÓN HIDRODINÁNICA
RETARDACIÓN
DIFUSIÓN EN LA MATRIZ
DEGRADACIÓN
REACCIONES BIOQUÍMICAS
ANÁLISIS Y PARÁMETROS
ESCALA
HETEROGENEIDAD
PARÁMETROS HIDRODINÁMICOS
ZONAS DE CAPTURA
INTRUSIÓN MARINA / SALINA
MODELOS NUMÉRICOS
FUENTES (i)
Tanques Sépticos
Rellenos Sanitarios
Vertimientos Químicos
Goteo de Tanques
Enterrados
Minería
FUENTES (ii)
Puntual
Aguas Lluvias
Aguas Residuales Domésticas
Descargas Industriales
No puntual
Descargas de Sistemas de tratamiento
No se ubica el lugar de la descarga
Lluvia
Agricultura
Erosión: Sedimentos y Sustancias Húmicas Organoclorados
Atmosférica
TIPOS DE CONTAMINANTES
MOTIVACIÓN
INTRODUCCIÓN
COMPONENTES DEL AGUA
FUENTES DE CONTAMINACIÓN
TIPOS DE CONTAMINANTES
MECANISMOS DE TRANSPORTE
ADVECCIÓN
DIFUSIÓN MOLECULAR
DISPERSIÓN HIDRODINÁNICA
RETARDACIÓN
DIFUSIÓN EN LA MATRIZ
DEGRADACIÓN
REACCIONES BIOQUÍMICAS
ANÁLISIS Y PARÁMETROS
ESCALA
HETEROGENEIDAD
PARÁMETROS HIDRODINÁMICOS
ZONAS DE CAPTURA
INTRUSIÓN MARINA / SALINA
MODELOS NUMÉRICOS
TIPOS DE CONTAMINANTES (i)
Conservativos:
No sufren degradación y depende de la hidrodinámica
Sólidos Disueltos
Cloruros
Elementos no biodegradables
No conservativos o reactivos
Se degradan y poseen tiempo de vida media
Desechos radioactivos
Reaccionan, Acumulan y Degradan
TIPOS DE CONTAMINANTES (ii)
Materia Orgánica Biodegradable
Organismos+Enzimas+Oxígeno
Causa el deterioro estético (color, olor, sabor)
Contaminación Microbiológica
Transmisión de enfermedades
Coliformes
Contaminación Térmica: Transferencia de calor
Modificación de las reacciones físicas, químicas y biológicas
Cambia el transporte (viscosidad, densidad y otros)
Ayuda a la reaireación y solubilidad
Contaminación Inorgánica
Sólidos
Metales Pesados
Contaminación por Nutrientes Eutropicación
Crecimientos de plantas superiores
Nitrógeno, Potasio y Fósforo
MECANISMOS DE TRANSPORTE
FÍSICOS
QUÍMICOS
BIOLÓGICOS
MOTIVACIÓN
INTRODUCCIÓN
COMPONENTES DEL AGUA
FUENTES DE CONTAMINACIÓN
TIPOS DE CONTAMINANTES
MECANISMOS DE TRANSPORTE
ADVECCIÓN
DIFUSIÓN MOLECULAR
DISPERSIÓN HIDRODINÁNICA
RETARDACIÓN
DIFUSIÓN EN LA MATRIZ
DEGRADACIÓN
REACCIONES BIOQUÍMICAS
ANÁLISIS Y PARÁMETROS
ESCALA
HETEROGENEIDAD
PARÁMETROS HIDRODINÁMICOS
ZONAS DE CAPTURA
INTRUSIÓN MARINA / SALINA
MODELOS NUMÉRICOS
ENTRADA
BALANCE DE MASA
CAMBIO EN
ALMACENAMIENTOSALIDA
c
c c wt
q D
ADVECCIÓN
FLUJO
ADVECTIVO
L
h q K
L
tq
LEY DE
DARCY
advectivo cj q
DIFUSIÓN MOLECULAR
difusivo difusivo c j D
LEY DE
FICK
MIGRACIÓN
ELECTRÓQUÍMICA
DISPERSIÓN MECÁNICA
dis dis c j D
PRIMERA
LEY DE FICK
Ldis L
q
D
EFECTOS DE LA
TORTUOSIDAD
DISPERSIÓN HIDRODINÁMICA
*D
q
D
DIFUSIÓN
+
DISPERSIÓN
MECÁNICA
NÚMERO DE PÉCLET
adv
lt
q
2
dis
lt
D
dis
adv
t qlPe
t D
l
t
RETARDACIÓN
DIFUSIÓN EN LA MATRIZ
DEGRADACIÓN
COMPONENTES
ORGÁNICOS
REACCIONES QUÍMICAS (i)
REACCIONES QUÍMICAS (ii)
Reacciones homogéneas (especiación)
Adsorción
Disolución y precipitación
Reacciones bioquímicas
0
1
2
3
4
5
0 1 2 3 4 5
water2
water1
mixture
c1
c2
1 2c c K
(a)
REACCIONES QUÍMICAS (iii)
r0
ceq
c
c
r0
ceq
c
c
r0
ceq
c
c
Concentración en
solución vs.
distancia a una
superficie mineral
Transporte lento
Proceso controlado
por el transporte
Transporte rápido
Proceso controlado
por la reacción
Mixto
Berner (1980) Early Diagenesis. A Theoretical Approach. Princeton Univ. Press.
--------------- CINÉTICA ------------------EQUILIBRIO
ZONA DE MEZCLA
Confluencia Río Amazonas – Río Negro
¡MEZCLADO! ¡NO AGITADO!
ZONA DE MEZCLA
Mixing
Spreading
CINÉTICA Y SU COMPLEJIDAD
Cinética de
disolución-
precipitación
Relevante cuando
la reacción es el
proceso más lento
Controlado por
una ley cinética
de reacción
k
mkxc
mkmki
m N
k
NN
i
m
p
imkRT
Ea
mmm akeAr1 1
1
signo
const. de reacción(mol/m2/s)
Tcatálisis/inhibición
estado desaturación
m = IAP/Km
superficiemineral(m2/m3)
NÚMERO DE DAMKHÖLER
sec mes año 106 añomin hora día
tR= TIEMPO RESIDENCIA
océano
ríos
humedad suelo
lluvia
lagos
aguas subterráneas.
t1/2= TIEMPO REACCIÓN
especies
acuosas agua
gas
adsorción
desorción
recristalización
mineral
agua
mineral
Langmuir (1997), modificado
NÚMERO DE DAMKHÖLER
adv
lt
q
2
dis
lt
D dis
adv
t qlPe
t D
l
t
0adv
Skt
K
transporte
reacción
tDa
t
REACCIONES BIOQUÍMICAS
Microorganismos necesitan
Nutrientes
Energía que viene de
reacción redox, acelerada
por los microorganismos
mediante enzimas
(biocatalizadores)
TASA DE REACCIÓN (i)
0
55
/ 20
/ 30
d
e
V
u K
u K
Dim
ensi
on
less
reac
tio
n r
ate
TASA DE REACCIÓN (ii)
2
j
u u
i
i
j
N N
Tm
m m
m m m
i j
r uc
u uu
D
TASA DE REACCIÓN (iii)
TASA DE REACCIÓN (iv)
0
1
2
3
4
5
0 1 2 3 4 5
water2
water1
mixture
c1
c2
1 2c c K
(a)
Avenida NQS No. 45-03, Ciudad Universitaria, Laboratorio de Hidráulica, Edificio 409
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FACULTAD DE INGENIERÍADEPARTAMENTO DE INGENIERÍA CIVIL Y AGRÍCOLA
GRUPO DE INVESTIGACIÓN EN INGENIERÍA DE RECURSOS HÍDRICOS – GIREH