Análisis del agua: El riesgo de los contaminantes químicos en el agua

Análisis del agua: El riesgo de los contaminantes químicos en el agua

Introducción

Los riesgos potenciales para la salud humana, la fauna y los animales domésticos causados ​​por la presencia de contaminantes químicos y de agentes patógenos en el agua es de gran preocupación para la industria del agua. La contaminación fecal del agua, dando lugar a enfermedades transmitidas por la misma, como el cólera y la fiebre tifoidea, se ha relacionado con la muerte de millones de personas en todo el mundo; a pesar de que los avances tecnológicos en el tratamiento del agua prácticamente han eliminado estos riesgos en los países desarrollados. Hay muchas fuentes de contaminación química, incluyendo los desechos de las plantas de tratamiento de aguas residuales industriales y domésticas, la escorrentía de las tierras agrícolas y los lixiviados de los vertederos y las lagunas de almacenamiento. Es posible que algunos contaminantes químicos no pueden eliminarse por completo del agua residual, mediante las plantas de tratamiento de agua y por lo tanto también podrían estar presentes en el agua potable. Otras sustancias que también pueden estar presentes en el agua potable, son los trihalometanos (THM), bromatos y clorito. El análisis de las aguas residuales, las aguas superficiales, las aguas subterráneas y el agua potable es esencial en el suministro de datos que demuestra la eficacia del tratamiento del agua y así garantizar que se cumplan los requisitos medioambientales y de salud pública reglamentarios.

 

Análisis de aguas residuales

Las aguas residuales de la industria o el uso doméstico requiere tratamiento para reducir la carga orgánica de manera que el efluente puede ser descargado de forma segura a las aguas receptoras. Los procesos de tratamiento de aguas residuales convencionales incluyen:   Pre-tratamiento / Screening – se utiliza para eliminar la arena, grava, rocas y otros materiales sólidos  El tratamiento primario / Sedimentación – para eliminar materia orgánica disuelta (como lodos) y las grasas, aceites y grasas  El tratamiento secundario – se utiliza para eliminar más sólidos en suspensión y materia orgánica soluble no se elimina por tratamiento primario. La eliminación se lleva a cabo generalmente por procesos biológicos que consumen los contaminantes biodegradables, solubles, orgánicos o producen un flóculo de contaminantes no solubles  Tratamiento Terciario – se usa como la fase final del tratamiento, por ejemplo, cuando los niveles de nitrato y fosfato deben ser reducidas y donde el agua receptora es muy vulnerable a los efectos de la contaminación  La eficacia del proceso de tratamiento primario y sedimentación se controlan mediante el análisis de los Sólidos Suspendidos Totales (TSS). Usando este método, muestras de agua del proceso se filtran, el papel de filtro se lava y seca y luego los sólidos se determinaron por gravimetría. Los resultados se expresan en mg/L si la muestra se midió originalmente en volumen; o en tanto porciento en peso, si la muestra se pesó en un principio. Una estimación de los sólidos totales en suspensión se puede obtener por el análisis del parámetro de turbidez. La turbidez es una expresión de la propiedad por la que la materia queda suspendida y por tanto confiere opacidad a la muestra. La turbidez se mide mediante la exposición de una muestra a la luz. La intensidad de la luz dispersada por la muestra se compara con la medida para suspensiones de formazina estándar y se expresa como unidades de turbidez nefelométricas (NTU).  No se trata sólo de sólidos que son monitorizados en las aguas residuales. La medición y análisis de los contaminantes es esencial para las pruebas de rendimiento de las plantas de tratamiento de aguas residuales y el impacto en las aguas receptoras. Varios parámetros se utilizan habitualmente para este análisis, incluyendo los elementos individuales, por ejemplo, metales, nitrógeno, fósforo, parámetros basados ​​en la demanda de oxígeno, carbono orgánico total y el análisis que identifica compuestos específicos (análisis objetivo).

 

La Demanda Biológica de Oxígeno

Una de las pruebas más antiguas conocidos para determinar la calidad de las aguas residuales es el parámetro de Demanda Biológica de Oxígeno (DBO). El resultado DBO indica la cantidad de oxígeno en las aguas residuales, que es necesaria para la descomposición biológica de las sustancias.   El análisis de la DBO se determina mediante la adición de microorganismos a la muestra de agua. Después de un intervalo de tiempo predefinido, generalmente 5 días (DBO5), se mide el oxígeno consumido por las bacterias durante la descomposición de sustancias orgánicas. Sin embargo, predecir el efecto de una descarga de un efluente contaminante en, por ejemplo, un arroyo no está cubierto únicamente con la prueba de la DBO, sino que requiere la consideración de muchos factores. Una serie de cuestiones pueden influir en los resultados de la prueba de DBO incluyendo la actividad de los microorganismos añadidos a la muestra, que puede ser inhibida por alto o bajo pH, metales, libre de cloro, fenoles, pesticidas y otras sustancias tóxicas para los microorganismos . Además, el aumento de la utilización de oxígeno puede ser causada por organismos de algas y nitrificantes.

 

La Demanda Química de Oxígeno

El agotamiento de oxígeno en las aguas receptoras es uno de los efectos negativos más significativos de contaminación del agua. Prevenir que estas sustancias sean descargadas por las plantas de tratamiento de aguas residuales es esencial para proteger el medio ambiente y la vida acuática. Sin embargo, el análisis de DBO5 (prueba de 5 días) es demasiado lenta para proporcionar información útil para el seguimiento y control de las plantas de tratamiento de aguas residuales. Por lo tanto una prueba más rápida que se utiliza a menudo es el análisis de la demanda química de oxígeno (DQO).   El análisis de la DQO se lleva a cabo por calentamiento de la muestra con ácido sulfúrico y dicromato de potasio. En este proceso se oxida la materia orgánica químicamente y se mide el dicromato restante. Alternativamente, la cantidad de cromo reducido producido se puede medir y se traduce en un valor de la demanda de oxígeno. El valor de DQO indica la cantidad de oxígeno necesaria para oxidar químicamente los compuestos orgánicos presentes en las aguas residuales. Además de los compuestos orgánicos, otros compuestos, por ejemplo los nitritos, bromuros, yoduros, iones metálicos y azufre también pueden ser oxidados utilizando este procedimiento.  El valor de DQO se puede correlacionar con la DBO y es generalmente mayor que el resultado de DBO (normalmente alrededor de 2,5 veces).

 

Alcalinidad y pH

El pH de una muestra es una medida de la acidez o alcalinidad . Un pH extremo en aguas residuales y en aguas naturales puede:

  1. – Ser nocivo para la vida acuática
  2. – Interrumpir los procesos biológicos en plantas de tratamiento de aguas residuales
  3. -Producir sulfuro de hidrógeno que es oloroso y tóxico si el pH es bajo

La mayoría de los organismos vivos sólo pueden funcionar a un pH cercano a la neutralidad , con la excepción de algunos microorganismos , que son tolerantes a condiciones muy ácidas. Aunque es una medida importante dentro de las plantas de tratamiento de aguas residuales , el pH de una muestra sólo mide hidrógeno o las concentraciones de iones de hidróxido. Por lo tanto, no se realiza el análisis del total de ácidos o bases debido a que la cantidad total de un ácido débil y una base no se disocian completamente . Para llevar a cabo el análisis del grado de acidez o alcalinidad de una muestra de agua , la muestra tiene que ser valorada con una base fuerte o ácido fuerte y el punto final determinado .

 

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Análisis de Metales

Una gran variedad de técnicas se han utilizado durante años para el análisis de metales en muestras de agua y éstos todavía tienen su uso en la actualidad en los laboratorios más pequeños. Sin embargo, en los laboratorios de análisis de agua de alto rendimiento, éstos han sido en gran medida sustituidas por uno o dos técnicas principales tales como ICP-MS e ICP-OES.   ICP-MS (plasma de acoplamiento inductivo – espectrometría de masas) – mediante esta técnica, múltiples elementos puede ser determinado. Los elementos metálicos de interés son ionizados (cargado) y se detectan mediante un espectrómetro de masas que es capaz de diferenciar y detectar en función de la relación masa/carga. La ventaja de ICP-MS es la capacidad de analizar muchos elementos de forma simultánea, en niveles muy bajos y sin las interferencias químicas en las que las tecnologías antiguas pueden estar sometidos. Rutinariamente hasta 30 elementos metálicos y semi-metálicos pueden ser analizados en cada determinación.  ICP-OES – (plasma de acoplamiento inductivo- espectrofotometría de emisión óptica) determina los elementos que se encuentran en el plasma por la emisión de radiación luminosa. Estos instrumentos no son capaces de analizar la misma gama de elementos a límites de detección muy bajos como el ICP-MS. Sin embargo, muchas muestras no requieren el análisis de toda la gama de elementos y por lo tanto esta técnica es adecuada para el análisis de hierro, aluminio, manganeso, calcio y magnesio.   El mercurio puede ser analizado por ICP-MS aunque la Espectrofotometría de Fluorescencia Atómica es muy sensible y es un método preferible para el análisis de agua potable. Como el mercurio es un metal volátil , la adición de cloruro de estaño volatiliza el mercurio a su forma elemental , que es purgado detectado midiendo la fluorescencia . La adición de bromo a las muestras descompone compuestos organomercuriales de modo que puedan ser detectados como mercurio inorgánico libre .

 

Análisis de compuestos orgánicos

Hay una amplia gama de compuestos orgánicos que pueden tener un efecto perjudicial sobre el agua potable, entre estos se encuentran compuestos tales como los trihalometanos (THM), los hidrocarburos aromáticos policíclicos (HAP) y muchos pesticidas diferentes. Estos compuestos tienen diferentes propiedades por lo que no hay ningún método capaz de realizar el análisis de todos de manera simultanea.   Los compuestos orgánicos volátiles (COVs) se determinan generalmente por purga con un gas inerte, atrapándolos en un absorbente antes de ser calentados (desorbidos térmicamente) sobre el sistema de detección. Compuestos volátiles tales como THMs, benceno y dicloroetano pueden ser analizados mediante el muestreo de la “cámara de aire” en un vial sellado. Otros compuestos volátiles pueden ser extraídos de muestras de agua usando un disolvente orgánico tal como hexano (extracción líquido / líquido) o mediante el uso de cartuchos que contienen un absorbente específico (extracción en fase sólida). En numeroso casos, con esta última técnica se pueden extraer una mayor gama de compuestos utilizando menos disolvente, por lo que es preferible desde un punto de vista de salud, seguridad y medioambiente.  Los compuestos orgánicos que son razonablemente volátiles, se pueden introducir en los sistemas de cromatografía de gases (GC) donde se separan el uno del otro en una columna estrecha diseñados específicamente. LC (o HPLC) se utiliza para compuestos que son menos volátiles, inestables a la calefacción, de alto peso molecular etc. Los principios de separación son los mismos que para la GC, pero se utiliza un líquido en lugar de un gas, para separar compuestos sobre una columna que está diseñado para funcionar a altas presiones (hasta 600 bar). La detección puede llevarse a cabo utilizando la absorbancia ultravioleta, la fluorescencia (para compuestos tales como hidrocarburos aromáticos policíclicos) o espectrometría de masas (MS). Muchos pesticidas ahora son analizados por espectrometría de masas en el que se llevan a cabo mediciones MSMS, reduciendo significativamente el ruido de fondo. La principal ventaja de esta técnica es que las muestras se pueden introducir en el sistema sin la necesidad de preparación de la muestra – ahorrando una gran cantidad de mano de obra. Además, una amplia gama de compuestos puede analizarse simultáneamente con límites de detección muy bajos.

 

Resumen

En los últimos años se han producido avances significativos en la tecnología que han permitido a los químicos analíticos poder realizar el análisis de una gama cada vez mayor de contaminantes emergentes en el medio acuático y en el agua potable. La introducción de nuevas regulaciones, así como las modificaciones en la legislación, continúan impulsando a los laboratorios de química analítica para invertir en nuevas tecnologías y continuar desarrollando métodos analíticos avanzados. Como resultado de estos avances, los laboratorios somos capaces de realizar el análisis de los compuestos a niveles que eran imposibles o difíciles de alcanzar hace apenas una década.   Los nuevos contaminantes se han detectado en el medio ambiente y en el agua potable en todo el mundo. Un mayor desarrollo de protocolos de análisis y aplicación de la tecnología de análisis permitirá a los investigadores identificar compuestos emergentes que producen efectos biológicos o químicos nocivos y ayudar a evaluar el impacto ambiental de estos contaminantes sobre la fauna y la salud humana. En la UE, la Directiva Marco del Agua exige que ciertas sustancias prioritarias deben revisarse periódicamente, estas investigaciones permitirán incluir a ciertos compuestos en la lista de sustancias reguladas.

José Antonio Suárez

Me licencié en Ciencias Ambientales en la Universidad de Castilla la Mancha (Toledo). Tras lo cual realicé un Máster en Ingeniería y Gestión Medioambiental en la Escuela de Organización Industrial (EOI Madrid). Actualmente desarrollo mi labor profesional como técnico comercial para AQM Laboratorios en la zona centro peninsular.

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