IMPLEMENTACIÓN DEL ÁREA DE INGENIERÍA SANITARIA EN EL LABORATORIO DE INGENIERÍA CIVIL
Descripción
SEP
DGEST
SES
INSTITUTO TECNOLÓGICO DE NUEVO LAREDO
RESIDENCIAS PROFESIONALES PROYECTO: IMPLEMENTACIÓN DEL ÁREA DE INGENIERÍA SANITARIA EN EL LABORATORIO DE INGENIERÍA CIVIL ALUMNO: ALFREDO ZERTUCHE HERRERA NUMERO DE CONTROL: 10100084 CARRERA: INGENIERÍA CIVIL ASESOR INTERNO: ING. JUAN CARLOS MARTINEZ LUGO ASESOR EXTERNO: ING. DAVID MARTINEZ DOMÍNGUEZ EMPRESA: INSTITUTO TECNOLÓGICO DE NUEVO LAREDO NUEVO LAREDO TAM.
AGOSTO-DICIEMBRE 2014
IMPLEMENTACIÓN DEL ÁREA DE INGENIERÍA SANITARIA EN EL LABORATORIO DE INGENIERÍA CIVIL
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IMPLEMENTACIÓN DEL ÁREA DE INGENIERÍA SANITARIA EN EL LABORATORIO DE INGENIERÍA CIVIL
CONTENIDO INTRODUCCIÓN............................................................................................................................................. 5 JUSTIFICACIÓN ............................................................................................................................................... 6 OBJETIVOS GENERALES Y ESPECÍFICOS ................................................................................................... 8 CARACTERIZACIÓN DEL ÁREA EN QUE PARTICIPO .............................................................................. 9 PROBLEMAS A RESOLVER ........................................................................................................................... 11 ALCANCES Y LIMITACIONES ...................................................................................................................... 13 INTRODUCCIÓN A LA INGENIERÍA SANITARIA ..................................................................................... 15 Importancia de la Ingeniería en la Actualidad ....................................................................................... 16 La Ingeniería Sanitaria En El Contexto Histórico .................................................................................... 17 Enfoque de la Ingeniería Sanitaria ........................................................................................................... 19 Actividades en las que Participa la Ingeniería Sanitaria ......................................................................... 21 Ejemplo de Intervenciones Multidisciplinarias ...................................................................................... 22 LABORATORIOS DE INGENIERÍA SANITARIA ........................................................................................ 24 Laboratorios de Calidad de Agua ............................................................................................................. 24 Condiciones de Laboratorio ..................................................................................................................... 25 Seguridad en el Laboratorio ..................................................................................................................... 26 Precauciones Generales en el Laboratorio .......................................................................................... 26 Precauciones Generales con las sustancias químicas ........................................................................ 28 Precauciones Generales con los aparatos de laboratorio .................................................................. 28 LEGISLACIÓN MEXICANA RELATIVA AL AGUA .................................................................................... 30 Ley de Aguas Nacionales ........................................................................................................................... 30 Ley General Del Equilibrio Ecológico y La Protección al Ambiente .................................................... 30 Reglamentos ............................................................................................................................................... 32 Normativas ................................................................................................................................................. 33 EL CICLO HIDROLÓGICO Y LA CALIDAD DEL AGUA .......................................................................... 34 Parámetros para la calidad del agua ........................................................................................................ 37 Parámetros físicos.................................................................................................................................. 37 Parámetros químicos ............................................................................................................................ 37 Parámetros biológicos ........................................................................................................................... 38 Color ............................................................................................................................................................ 39 Impacto del color ................................................................................................................................... 39 Uso y aplicación ..................................................................................................................................... 39
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Remoción del color ...............................................................................................................................40 Medición del color .................................................................................................................................40 Principio del Método ............................................................................................................................ 42 Turbiedad ................................................................................................................................................... 43 Impacto de la turbiedad ........................................................................................................................ 43 Uso y aplicación ..................................................................................................................................... 44 Remoción de la Turbiedad ................................................................................................................... 44 Medición de la Turbiedad ..................................................................................................................... 44 Principio del método .............................................................................................................................46 Sólidos .........................................................................................................................................................48 Sólidos Totales .......................................................................................................................................49 Sólidos disueltos ....................................................................................................................................49 Sólidos Suspendidos ..............................................................................................................................49 Sólidos Sedimentables .......................................................................................................................... 50 Sólidos Fijos y Sólidos Volátiles ........................................................................................................... 50 Temperatura ................................................................................................................................................ 51 Conductividad ............................................................................................................................................. 51 Potencial de Hidrogeno ............................................................................................................................ 53 Rango de Ph. Acidez y Basicidad ......................................................................................................... 54 Control del pH ....................................................................................................................................... 55 Medición del Ph ..................................................................................................................................... 56 Principio del método ............................................................................................................................. 56 Alcalinidad.................................................................................................................................................. 57 Cobre ........................................................................................................................................................... 58 Cloro Libre .................................................................................................................................................. 58 Hierro y Manganeso .................................................................................................................................. 59 Dureza ......................................................................................................................................................... 62 Impacto de la dureza ............................................................................................................................. 62 Cloruros ......................................................................................................................................................64 Indicadores de contaminación .............................................................................................................64 Cloro Residual. Necesidad de la desinfección de las aguas ................................................................... 65 Métodos de desinfección ...................................................................................................................... 65 Tratamientos de agua. Prueba de Jarras ..................................................................................................66 Procesos unitarios ................................................................................................................................. 67 Operaciones Unitarias .......................................................................................................................... 67 Coagulación y Floculación ....................................................................................................................68 Principio del Método ............................................................................................................................68
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Oxígeno Disuelto, solubilidad de gases en agua ....................................................................................69 El Oxígeno disuelto como indicador de la calidad del agua ............................................................. 72 El oxígeno como parámetro de control de sistemas de tratamiento ............................................... 73 Medición del oxígeno disuelto ............................................................................................................. 73 Principio del método ............................................................................................................................. 74 Demanda Química de Oxígeno ................................................................................................................ 75 Principio del método ............................................................................................................................. 75 Demanda Bioquímica de Oxígeno ........................................................................................................... 76 Aplicaciones de DBO ............................................................................................................................ 77 Medición de la DBO .............................................................................................................................. 78 Principio del Método ............................................................................................................................ 78 Coliformes. Organismos Patógenos ......................................................................................................... 79 Bacterias .................................................................................................................................................80 Virus ........................................................................................................................................................ 81 Protozoarios ........................................................................................................................................... 82 Helmintos ............................................................................................................................................... 82 Organismos indicadores ....................................................................................................................... 83 El Grupo de bacterias coliformes .........................................................................................................84 Técnicas de Identificación y Cuantificación de microorganismos en el agua ................................. 85 Prueba presuntiva .................................................................................................................................. 87 Prueba Confirmativa .............................................................................................................................88 Muestreo para control de calidad ............................................................................................................89 Definición de muestreo ........................................................................................................................89 Clasificación de muestreo .....................................................................................................................90 Criterios para toma de muestras ..........................................................................................................90 Cadena de custodia de campo del muestreo ...................................................................................... 91 PRÁCTICAS DE LABORATORIO ................................................................................................................. 93 PROCEDIMIENTOS Y DESCRIPCIÓN DE ACTIVIDADES ...................................................................... 122 RESULTADOS ...............................................................................................................................................147 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES .............................................................................................. 153 REFERANCIAS BIBLIOGRÁFICAS ..............................................................................................................154 ANEXOS ......................................................................................................................................................... 155
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INTRODUCCIÓN La residencia profesional es una estrategia educativa, con un carácter curricular, el cual permite al estudiante, aun estando en proceso de formación, incorporarse profesionalmente a los sectores productivos de bienes y servicios, a través del desarrollo de un proyecto definido de trabajo profesional, asesorado por instancias académicas e instancias externas. Es considerada la culminación de la retícula profesional y se requiere para poder seguir con el proceso de titulación. El objetivo de la residencia profesional es que el estudiante tenga la vivencia laboral en la que pueda aplicar sus conocimientos y se vea con la necesidad de desarrollar su capacidad analítica, impulsándolo a investigar por su cuenta con el apoyo de su asesor. El proyecto de residencias profesionales es la Implementación del Área de Ingeniería Sanitaria al Laboratorio de Ingeniería Civil (Aula “Maquetas”), en el cual forma parte de las instalaciones del Instituto Tecnológico de Nuevo Laredo. En este documento se plasmará los fundamentos de la Ingeniería Sanitaria, su importancia en la Ingeniería Civil, los parámetros comunes de la calidad del agua, y algunas de las tantas prácticas que se realizan para determinar dichos parámetros con el equipo existente. Este proyecto estará adaptado a las necesidades establecidas por el reglamento interno del laboratorio y por los ingenieros encargados del mismo. El propósito de éste proyecto es proporcionar aplicaciones de los equipos de laboratorio a las asignaturas de la carrera relacionadas con la Ingeniería Sanitaria (Abastecimiento de Agua, Alcantarillado, Impacto Ambiental, Ing. Sanitaria y Ambiental). 5
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JUSTIFICACIÓN El perfil del egresado en Ingeniería Civil, uno de tantos aspectos que debe contar, es planear, diseñar, construir, supervisar, evaluar obras de regulación, captación, abastecimiento y tratamientos de agua, así mismo de saneamiento, ya sea urbano, rural y/o regional. En el Instituto Tecnológico de Nuevo Laredo, la Ingeniería Sanitaria corresponde a una subárea o especialidad de la carrera de Ingeniería Civil. En dicha especialidad es necesario realizar prácticas de laboratorio de ingeniería sanitaria para su mejor comprehensión y entendimiento por parte de los estudiantes. La carrera de Ingeniería Civil está en proceso de acreditación a través de la CACEI (Consejo de Acreditación de la Enseñanza de la Ingeniería), en el cuál los requerimientos mínimos de infraestructura que debe contar un Laboratorio de Ingeniería Sanitaria enfocado a la Ingeniería Civil son: Autoclave vertical Refrigerador de laboratorio Potenciómetro, Conductivímetro Parrillas con agitador magnético Balanzas analíticas Incubadora con ámbito de temperatura controlada Turbidímetros Equipo para digestión Calorímetros, Horno o mufla 6
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Bomba de vacío El laboratorio de Ingeniería Civil cuenta con el equipo necesario; recientemente recibido, entre los cuales son: Refrigerador para Laboratorio marca ARCTIKO Unidad de digestión tradicional Serie D6, Marca VELP SCIENTIFICA Balanzas analíticas de precisión electrónicas Marca CITIZON (cantidad: 2) Centrífuga de laboratorio médica, escuelas y de investigación con velocidades hasta 4000 RPM modelo 2-6E marca SIGMA. Conductivímetro marca CONDUCTRONIC. Medidor de turbidez in situ marca WTW modelo TURB 430 IR Incubadora marca BINDER Extractor de Solventes SOXHLET marca VELP SCIENTIFICA Mufla marca FELISA Bomba de vacío marca VACUUBRAND modelo 1C Termo reactor modelo CR3200 marca WTW Fotómetro “Photolab S6” marca WTW Aparato para prueba de jarras marca PHIPPS&BIRD Destilador semi automático marca VELP SCIENTIFICA Espectrofotómetro Lambda XLS marca PERKIN ELMER Cromatógrafo de líquidos marca PERKIN ELMER Pero no se tiene el espacio o área específica adecuada a fin para llevar a cabo los ensayes. Por lo que surge el motivo de éste proyecto. 7
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OBJETIVOS GENERALES Y ESPECÍFICOS El objetivo general del proyecto es el siguiente: Implementar el área de Ingeniería Sanitaria en el Laboratorio de Ingeniería Civil Los objetivos específicos del proyecto son los siguientes: Realizar la investigación sobre la Ingeniería Sanitaria y sus laboratorios. Elaborar una guía mecánica del Laboratorio de Ingeniería Sanitaria, es decir, nombre y ubicación del equipamiento. Elaborar planos arquitectónicos de las instalaciones requeridas para la correcta funcionalidad del laboratorio Realizar la instalación existente del equipo de laboratorio, así mismo como su correcta operación en base a su manual. Establecer los procedimientos básicos de las prácticas de laboratorio en las asignaturas relacionadas con la Ingeniería Sanitaria. Identificar la aplicación en campo (ya sea, laboral o de fines de investigación) del equipo del Laboratorio de Ingeniería Sanitaria.
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CARACTERIZACIÓN DEL ÁREA EN QUE PARTICIPO El área en el que realizo mis residencias es el laboratorio de Ingeniería Civil del Instituto Tecnológico de Nuevo Laredo, el cuál comprende de las siguientes áreas: Área de Hidráulica Área de Mecánica de Suelos Área de Mecánica de Materiales (Concreto y Pavimentos) Área de Topografía La última área no está concentrada en el edificio principal del laboratorio. Según el CACEI, un laboratorio de ingeniería civil, además de todas las áreas anteriormente mencionadas, debe contar con un laboratorio específico de ingeniería sanitaria. En el laboratorio de Ingeniería Civil, existe un organigrama el cual permite el buen funcionamiento y operación del mismo. El ingeniero Arturo Sandoval Zepeda es el encargado del laboratorio de Ingeniería Civil, quién en contribución con el Ingeniero Rogelio Cesar Hernández Madrigal, tienen a su mando todas las actividades relacionadas con el funcionamiento del laboratorio, incluyendo a todos los alumnos que estén realizando sus residencias profesionales. Además de las residencias profesionales, los alumnos residentes colaboran con las tareas fundamentales del laboratorio, tales como: limpieza, mantenimiento, atención a alumnos, asesoría en prácticas de laboratorio, préstamo de equipo y material de prácticas, y en comandar a los alumnos que hacen su servicio social y actividades complementarias.
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El organigrama se muestra a continuación, dónde en el recuadro pequeño que está al pie del nombre representa el área o puesto que está desempeñando
ING. ARTURO SANDOVAL ZEPEDA JEFE DE LABORATORIO
ING. ROGELIO CESAR HERNANDEZ MADRIGAL AUXILIAR DE JEFE
ALFREDO ZERTUCHE HERRERA INGENIERÍA SANITARIA
RESIDENTES ATENCIÓN A ALUMNOS DIEGO ARMANDO GONZALEZ FARFAN MECÁNICA DE SUELOS
RESIDENTES MANTENIMIENTO
JAIME EDUARDO LARA MANRIQUEZ MECÁNICA DE MATERIALES
RESIDENTES RICARDO ANTONIO LEÓN TORRES
SERVICIO SOCIAL
HIDRÁULICA
RESIDENTES
OSCAR SAMUEL LOPEZ PEREZ
ACTIVIDADES
INSTALACION
COMPLEMENTARIAS
NUEVO EQUIPO
JOSUÉ VEGA GARCÍA REMODELACIÓN DE LAB.
RESIDENTES
ORGANIGRAMA DEL LABORATORIO DE INGENIERÍA CIVIL DEL INSTITUTO TECNOLÓGICO DE NUEVO LAREDO 10
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PROBLEMAS A RESOLVER El laboratorio de Ingeniería Civil del Instituto Tecnológico de Nuevo Laredo; para que tenga la infraestructura mínima de acuerdo al CACEI, debe contar con un laboratorio especializado a la Ingeniería Sanitaria, además de las áreas especificadas en la justificación. El laboratorio en general, se encuentra en un deterioro, tanto en equipos como en instalaciones, por el transcurso de los años, ya que el mantenimiento del edificio es nulo. Además la falta de cultura de limpieza y cuidado por parte de los alumnos que ocupan estas instalaciones es un factor que influye en las condiciones del laboratorio, puesto que la falta de compromiso para mantenerlo en estado óptimo hace que ese se vaya deteriorando. Una de las problemáticas para implementar el laboratorio de Ingeniería Sanitaria recae en no contar con un área para llevar a cabo las actividades y/o ensayes de sanitaria. El área que está proponiéndose para ubicar el laboratorio de ingeniería sanitaria no está preparada para desarrollar las prácticas. Se cuenta con el equipo necesario, pero se ignora la disposición final, las medidas de seguridad, el área de trabajo y las especificaciones mínimas de acomodo para que el equipo de laboratorio funcione correctamente. Como no hay antecedentes prácticos del área de ingeniería sanitaria, se desconoce totalmente del tema, en cuanto a procedimientos y uso de equipo de laboratorio se refiere. Será necesario crear un pequeño manual de prácticas o ensayes basado en las técnicas empleadas en otros laboratorios, ya sea de otras universidades o de 11
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laboratorios de plantas tratadoras, para que los docentes y alumnos puedan interpretar los parámetros más comunes del agua, de esta forma, comprender de manera práctica y aplicada la trascendencia de la calidad de la misma. Además será de suma importancia promover un reglamento de seguridad específico para el laboratorio de Ingeniería Sanitaria, el cual, contemple las precauciones, tanto del comportamiento dentro del área de trabajo, el manejo y control de los equipos, y de las sustancias químicas, ya que por las razones mismas explicadas en el párrafo anterior, se carece de conocimientos y habilidades para usar el equipo nuevo.
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ALCANCES Y LIMITACIONES Se propone la idea de implementar el área de Ingeniería Sanitaria en el aula que anteriormente se le denominaba “Aula de Maquetas” perteneciente a la carrera de Arquitectura. Ésta aula es adecuada, en cuánto a ubicación cercana al laboratorio de Ingeniería Civil pero se requiere adaptar para las necesidades primarias de un laboratorio de Ingeniería Sanitaria, tales como: o Instalaciones hidrosanitarias o Instalaciones eléctricas, de iluminación o Instalaciones especiales (de seguridad) o Mesas de trabajo Los alcances que tendrá el proyecto, más que la preparación de la ubicación, servirá como una guía para los alumnos que lleven las asignaturas relacionadas con la Ingeniería Sanitaria, estas asignaturas son: o Impacto Ambiental1 o Ingeniería Sanitaria y Ambiental1 o Alcantarillado o Abastecimiento Esta investigación puede servir de apoyo al alumnado que quiera profundizar acerca de esta rama de la Ingeniería Civil.
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Materias de Especialidad perteneciente a la Ingeniería Civil, de acuerdo a la retícula del plan de estudios 2010
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Las limitaciones o impedimentos que se pudieran presentar al realizar este proyecto son: El limitado presupuesto que existe para la implementación del laboratorio provoca que las instalaciones no sean las apropiadas en comparación a las condiciones de un laboratorio de primer nivel, o por lo menos a las condiciones estándar que debe poseer el equipo. La falta de cultura por el cuidado del equipo de laboratorio. La ignorancia sobre el tema, es decir, el desconocimiento de los fundamentos de la Ingeniería Sanitaria y todas sus competencias (Química, Microbiología y Termodinámica), porque es algo totalmente nuevo para la ingeniería civil local.
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INTRODUCCIÓN A LA INGENIERÍA SANITARIA La ingeniería sanitaria es la rama de la ingeniería dedicada básicamente al saneamiento de los ámbitos en que se desarrolla la actividad humana. Se vale para ello de los conocimientos que se imparten en disciplinas como la hidráulica, la ingeniería química, la biología (particularmente la microbiología), la física, la matemática, la mecánica, electromagnetismo, la electromecánica, la Termodinámica, entre otras. Su campo se complementa y se comparte en los últimos años con las tareas que afronta la ingeniería ambiental, que extiende su actividad a los ambientes aéreos y edáficos.
El hombre posee la necesidad de vivir en sociedad. Esto trae como consecuencia la formación de aglomeraciones humanas, las cuales traen muchos problemas que se agudizan cuando la población se forma sin un plan previo de ordenamiento. Entre los muchos problemas que traen las aglomeraciones urbanas, las que más interesan a la Ingeniería Sanitaria, son la aparición de enfermedades, en mayor cantidad, cuando no se cumplen los requisitos fundamentales de la higiene. Los problemas higiénicos producidos por las grandes urbanizaciones, que muchas veces se agudizan por la presencia de los animales que nos rodean, se traducen en definitiva en el deterioro del medio ambiente circundante, es decir, se produce lo que comúnmente llamaríamos contaminación. Los elementos del medio ambiente susceptibles de contaminación son, el aire y el agua (y el suelo); que junto con los alimentos, la luz y el calor son los que se han dado a llamar los cinco elementos esenciales para la vida. Surge en consecuencia la necesidad de adoptar a través del vector que maneja la 15
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salubridad, todas las medidas que conciernen al mejoramiento de las condiciones de vida de la población y al cuidado de la salud colectiva.
Posiblemente el mayor logro de la ingeniería sanitaria fue la drástica disminución de las enfermedades de origen hídrico, como disentería, tifoidea, diarreas infantiles y otras. Tal logro fue alcanzado mediante el tratamiento de agua para consumo humano, clarificándola, filtrándola y desinfectándola. Estas prácticas comenzaron a hacerse en la edad contemporánea desde mediados del siglo XIX, y surge allí especialmente el nombre del médico inglés John Snow, que aunó en su estudio métodos de epidemiología y de ingeniería.
La Ingeniería Sanitaria se orienta a la gestión, planeación, análisis, diseño, desarrollo e implementación de tecnologías apropiadas que buscan ofrecer alternativas de solución a los diversos problemas de la comunidad y su entorno, haciendo uso de las tecnologías de punta en los diversos campos de las ciencias y del quehacer humano. Constituye, entonces, parte fundamental en la solución a los problemas de salud y medio-ambientales, una actividad que mediante la elaboración de modelos aplicados a la condición ambiental, busca conservar, mejorar y garantizar la salud pública y el bienestar de la comunidad.
Importancia de la Ingeniería en la Actualidad La ingeniería sanitaria, por su importancia, es considerada en muchos países como una carrera separada, en otros países es considerada una especialización de la ingeniería hidráulica o ingeniería civil. Se ocupa de diseñar, construir y operar: 16
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Sistemas de abastecimiento de agua potable, en todos sus componentes, destinados a la captación, del agua desde ríos o lagos, relacionándose aquí con la ingeniería fluvial, hasta la distribución del agua potabilizada a los usuarios.
Sistemas de alcantarillado sanitario y plantas de tratamiento de aguas servidas, incluyendo las estructuras destinadas a la devolución del agua ya tratada adecuadamente al ambiente.
Sistemas de gestión integral de residuos sólidos.
El Ingeniero sanitario tiene sólidos conocimientos de hidráulica, y además domina los procesos físico-químicos y bacteriológicos relacionados con el tratamiento del agua, tanto para su potabilización, como para su descontaminación antes de ser devuelta al ambiente.
La Ingeniería Sanitaria En El Contexto Histórico La Ingeniería Sanitaria surgió por la problemática aparente que la salud y el bienestar de una población están estrechamente relacionados con la calidad de su medio ambiente, las personas han aplicado ciertos principios para intentar mejorar esta última. Los romanos construyeron acueductos para prevenir sequías y proveer a la ciudad de Roma de una fuente de agua limpia y saludable.
La ingeniería Sanitaria actual tuvo sus primeros apariciones leves en Londres a mediados del siglo XIX, cuando se estableció que una red de alcantarillado adecuada podría reducir la incidencia de enfermedades transmitidas por el agua como el cólera. La
introducción
desde
ese
entonces 17
de
la purificación
de
agua y
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del tratamiento de aguas residuales ha transformado a las enfermedades transmitidas por el agua de principales causas de muerte a rarezas en los países industrializados.
La denominación Ingeniería Sanitaria, proviene de la práctica anglosajona y su origen se remonta a comienzos del siglo XX cuando algunas de las universidades de los Estados Unidos, elaboraron y pusieron en práctica un nuevo concepto de Salud Pública, donde se prestaba gran atención al papel que desempeña el saneamiento básico, en promover la salud de las poblaciones. Estas ideas, recogidas y ampliadas por la Organización Mundial de la Salud, mantienen su vigencia y han permitido establecer como elemento básico en la estimación de la calidad de la vida de los ciudadanos, la disponibilidad de un adecuado suministro de agua potable y de disposición de las aguas residuales. Estas fueron las consideraciones fundamentales en la definición del Ingeniero, adoptada en 1970 por la Organización Internacional del Trabajo y cuya parte esencial se expresa así:
"Proyecta la construcción de obras e instalaciones de ingeniería destinadas a asegurar la higiene y salud públicas, como sistemas de aprovisionamiento de agua y evacuación de desechos y planea, organiza y vigila su construcción, funcionamiento, conservación y reparación; desempeña tareas similares a las que realiza el Ingeniero Civil,
en
general,
pero
está
especializado
en
el
proyecto,
construcción,
funcionamiento, conservación y reparación de instalaciones de filtración y distribución de agua potable, sistemas de evacuación de aguas residuales."
Con estos antecedentes, se entiende la dependencia de la Ingeniería Sanitaria de la carrera que le dio su origen, situación que persiste en los programas de formación 18
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universitaria, en mayor o menor grado. Cabe a las autoridades académicas examinar si es pertinente modificar la definición anterior, para dar paso a las exigencias de la técnica moderna y a lo que se clasifica como la “nueva dimensión ambiental” de estos conocimientos; esta nueva visión de la carrera se ha concretado en la siguiente definición adoptada por la Universidad del Valle de México:“ Se entiende como Ingeniería Sanitaria a la profesión en la cual mediante la aplicación del método científico a la interpretación de los fenómenos naturales y sociales, se elaboran modelos aplicables a las condiciones del ser humano, en busca del mejoramiento de la salud del mismo”
Enfoque de la Ingeniería Sanitaria El enfoque bajo el cual se orientan los objetivos de formación y el desarrollo curricular de Ingeniería Sanitaria obedece a un proceso de reflexión en el cual se analiza el contexto internacional, las metas del milenio planteadas por las Naciones Unidas y las dinámicas en el contexto nacional y regional de acuerdo con los avances en ingeniería y las necesidades locales, de acuerdo con lo anterior se busca direccionar un proceso formativo que presente:
Bases de la Ingeniería Civil en relación con el diseño de estructuras y en el conocimiento de materiales de ingeniería.
Bases conceptuales y fortaleza en mecánica de fluidos e Hidráulica.
Fortalezas en Procesos biológicos, ambientales y unitarios.
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Fundamentación
en
Termodinámica,
Física,
Matemática
y
biología,
microbiología.
Fundamentos de Química y Química Ambiental.
Enfoque del suelo en cuanto a la capacidad portante y fundamentación en geología.
Elementos conceptuales que permitan exploración, explotación, tratamiento y distribución de aguas subterráneas.
Disponibilidad de agua subterránea. Hidráulica de acuíferos.
Formación en hidrogeología.
Enfoque hacia la hidrología de ecosistemas estratégicos con base en la disponibilidad de agua en los acuíferos y el diseño de sistemas de abasto y recolección de aguas.
Diseño de distritos de Riego, apoyo al campo (presas, distribución, manejo de caudales)
Enfoque
en
desarrollo
sostenible
hacia
procesos
constructivos
con
participación comunitaria.
Saneamiento básico rural y urbano.
Fortaleza en solución de problemas asociados con el recurso hídrico y gestión integral de residuos sólidos. 20
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Nuevas tecnologías, modelación del recurso hídrico y automatización de proyectos.
Elementos propios del perfil de todo Ingeniero Sanitario en el contexto nacional e internacional.
Actividades en las que Participa la Ingeniería Sanitaria Las actividades de la ingeniería sanitaria tendientes a sanear el medio tienen por objeto cortar el eslabón de la cadena de transmisión de muchas enfermedades y preservar el medio para agrado y bienestar de la sociedad. Esta acción de saneamiento está ligada de modo íntimo a otras disciplinas de la salubridad como:
Epidemiología
Parasitología
Microbiología estadística
Administración sanitaria
Higiene industrial
Estas son varias de las actividades en las que participa la Ingeniería Sanitaria:
Abastecimiento, tratamiento y distribución de aguas
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Sistemas de alcantarillado, tratamiento y control de las aguas negras (o cloacales) y de los desechos industriales
Control de la contaminación del agua
Servicios municipales y rurales de eliminación de basura
Control de roedores e insectos
Higiene de los alimentos
Saneamiento de las escuelas, lugares públicos, lugares de veraneo, piscinas, etc.
Construcción de viviendas higiénicas
Control de las emanaciones, polvos, gases
Higiene y saneamiento industrial
Planificación y urbanización de las ciudades.
Ejemplo de Intervenciones Multidisciplinarias
Trabajos de ingeniería civil, incluyendo las áreas de hidráulica, estructuras, topografía, geotecnia, cimentaciones.
Trabajos de ingeniería química, incluyendo las áreas de procesos y operaciones. 22
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Trabajos de ingeniería mecánica, incluyendo las áreas de diseño y operación de equipos de bombeo y de equipos para los diferentes tipos de tratamiento de aguas.
Trabajos de ingeniería eléctrica.
Trabajos de análisis de laboratorio para la determinación de parámetros físicos y químicos y de la presencia de materia orgánica.
Estudios de investigación de procesos y operaciones.
Estudios y trabajos de laboratorio para analizar aspectos bacteriológicos.
Estudios epidemiológicos y actividades de concientización a cargo de médicos especialistas en salud pública.
Estudios ambientales a cargo de especialistas en evaluación del impacto ambiental.
Análisis y estudios legales.
Estudios económicos y financieros.
Estudios de comercialización.
Estudios sociales.
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LABORATORIOS DE INGENIERÍA SANITARIA Un laboratorio es el lugar dotado de los medios necesarios para realizar investigaciones, experimentos, prácticas y trabajos de carácter científico, tecnológico o técnico; está equipado con instrumentos de medida o equipos con que se realizan experimentos, investigaciones o prácticas diversas, según la rama de la ciencia a la que se dedique. También puede ser un aula o dependencia de cualquier centro docente.
Su importancia, sea en investigaciones o a escala industrial y en cualquiera de sus especialidades (química, dimensional, electricidad, biología, etc.), radica en el hecho de que las condiciones ambientales están controlada y normalizadas, de modo que:
1. Se puede asegurar que no se producen influencias extrañas (a las conocidas o previstas) que alteren el resultado del experimento o medición: control. 2. Se garantiza que el experimento o medición es repetible, es decir, cualquier otro laboratorio podría repetir el proceso y obtener el mismo resultado: normalización.
Laboratorios de Calidad de Agua En los laboratorios de calidad de agua se analiza el agua tanto desde el punto de vista químico, como también biológico, para detectar contaminantes perjudiciales a la salud. Existen una variada gama de laboratorios especializados en el análisis del agua, desde los más simples que se instalan junto a las plantas de potabilización y a las plantas de tratamiento de las aguas servidas.
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Condiciones de Laboratorio En un laboratorio se requiere una serie de condiciones para su correcto funcionamiento, tales como:
Humedad.- Usualmente conviene que la humedad sea la menor posible porque acelera la oxidación de los instrumentos (comúnmente de acero); sin embargo, para lograr la mejor habitabilidad del laboratorio no puede ser menor del 50% ni mayor del 75%. Si se llega a sobrepasar este último valor, la humedad puede afectar al laboratorio.
Presión Atmosférica.- suele ser en laboratorios industriales superior a la externa (25 Pa) para evitar la entrada de aire sucio de las zonas de producción al abrir las puertas de acceso. En el caso de laboratorios con riesgo biológico (materiales de agentes infecciosos) la situación es la contraria, ya que debe evitarse la salida de aire del laboratorio que pueda estar contaminado, por lo que la presión será ligeramente inferior a la externa y la temperatura debe ser de 16°C.
Alimentación eléctrica.- todos los laboratorios deben tener un sistema eléctrico de emergencia, diferenciado de la red eléctrica normal, donde van enchufados aparatos como congeladores, neveras, incubadoras, etc., para evitar problemas en caso de apagones. Si bien muchos de nosotros conocemos, al menos por su nombre, numerosos laboratorios (como el que se encarga de analizar exámenes de sangre y orina; el de idiomas donde se aprenden diversas lenguas y el laboratorio de física presente en varias instituciones educativas), hay en el mundo diversas clases de laboratorios, donde los especialistas de cada rubro 25
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cuentan con las herramientas, la higiene, y las instalaciones adecuadas, como para concretar sus planes profesionales. Se suele controlar la presencia de polvo, ya que modifica el comportamiento de la luz al atravesar el aire. En los laboratorios de metrología dimensional, el polvo afecta la medición de las dimensiones en distintas piezas.
Vibración y ruido.- al margen de la incomodidad que supone su presencia para investigadores y técnicos de laboratorio, pueden falsear mediciones realizadas por procedimientos mecánicos. Es el caso, por ejemplo, de las máquinas de medir por coordenadas.
Seguridad en el Laboratorio Precauciones Generales en el Laboratorio 1. Todos los artículos de vidrio despostillados, rotos o rajados deben depositarse en contenedores especiales para ser desechados. 2. Los recipientes quebrados y el agua o sustancias químicas derramadas deben limpiarse inmediatamente. 3. Todo trabajo que requiere el uso de ácidos, bases o solventes volátiles debe hacerse bajo una campana. 4. Las extracciones de éter y cloroformo deben hacerse bajo una campana con la cubierta cerrada y el extractor funcionando. 5. No debe hacerse bajo la campana ningún trabajo que requiere el uso de flama y solventes al mismo tiempo. 6. Siempre se debe trabajar en un área ventilada.
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7. Al diluir un ácido con agua, siempre debe añadirse el ácido lentamente al agua, agitando la mezcla continuamente. 8. Nunca deben manejarse las sustancias químicas con las manos. 9. Nunca deben vaciarse aceites, grasas, gasolina, éter o mercurio en el drenaje de laboratorio. 10. Los ácidos y sustancias básicas deben diluirse con grandes cantidades de agua para luego vaciarse en el drenaje. 11. Cuando se manejan soluciones o recipientes calientes, deben usarse guantes de protección y tenazas. 12. La bata de laboratorio debe usarse todo el tiempo. 13. Cuando se manejan productos químicos peligrosos o volátiles o soluciones bacteriológicas, deben usarse perillas de succión o pipetas. Nunca debe succionarse directamente con la boca o los pulmones. 14. Deben usarse siempre lentes de seguridad cuando haya peligro de partículas volátiles o que salpique algún líquido. 15. Debe haber un botiquín de primeros auxilios en un lugar muy accesible dentro del laboratorio. 16. Nunca se debe tratar de operar o reparar un instrumento si no se conoce como funciona. 17. El laboratorio debe mantenerse siempre limpio y arreglado. 18. Cuando se trabaja con materiales patogénicos o bacterias desconocidas deben seguirse las técnicas sanitarias correspondientes. No tome ningún riesgo con las bacterias. 27
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19. Debe usarse un agente bactericida efectivo para limpiar las mesas y áreas de trabajo del cuarto de estudios bacteriológicos.
Precauciones Generales con las sustancias químicas 1. Las sustancias químicas no identificadas deben desecharse con sumo cuidado. 2. Debe tener mucho cuidado al oler sustancias químicas. 3. Todas las sustancias químicas deben estar debidamente etiquetadas. 4. Todas las sustancias químicas del laboratorio deben considerarse tóxicas, aunque algunas no estén identificadas como tal. 5. Los derrames de ácido o sustancias alcalinas son muy corrosivos y deben neutralizarse y limpiarse rápidamente. 6. El ácido sulfúrico, el ácido clorhídrico y el ácido nítrico queman la piel si entran en contacto con ella. 7. El sulfato de cobre y el arsenito de sodio son tóxicos. 8. El amoniaco tiene el olor picante, irritante y el amoniaco líquido causa quemaduras. 9. El Hipoclorito de Calcio es corrosivo y tiene un fuerte olor a cloro, puede ser flamable. 10. Debe explicarse detenidamente el uso de cualquier sustancia química y del equipo al personal de nuevo ingreso.
Precauciones Generales con los aparatos de laboratorio 1. Todos los recipientes de vidrio deben vaciarse y enjuagarse antes de ponerlos a un lado para lavarlos. 28
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2. El equipo eléctrico no debe dejarse encendido y sin vigilancia durante la noche, al menos que este equipado con un control de temperatura adecuado. Debe revisarse que todos los interruptores estén apagados al terminar el trabajo del día. 3. El equipo dañado o descompuesto debe estar marcado y mantenerse separado del equipo en buenas condiciones en el almacén. 4. Las autoclaves no deben ser operados por personal que no esté familiarizado con su funcionamiento. 5. La autoclave no debe de sobrecargarse. 6. Deben revisarse con regularidad los empaques de la puerta y las válvulas de espiga de la autoclave. Si hay alguna fuga, estas deben cambiarse. 7. Debe asegurarse que la presión de la autoclave haya bajado a cero antes de abrir la puerta. 8. La puerta de la autoclave debe abrirse ligeramente y la persona que lo opera debe hacerse a un lado mientras escapa el vapor. 9. Deben usarse guantes de asbesto para sacar los materiales calientes de la autoclave. 10. Deben usarse tenazas largas para horno y guantes para sacar materiales calientes de un horno cubierto.
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LEGISLACIÓN MEXICANA RELATIVA AL AGUA En nuestro país existen un sinfín de leyes, reglamentos y normas que permiten a los ciudadanos tener un marco de referencia para actuar en la relación a las aguas. Todos estos instrumentos jurídicos y legales tienen como fundamento lo establecido en la Constitución Política de los Estados Unidos Mexicanos, que establece en su artículo 27°, párrafo quinto que las aguas son “propiedad de la nación”.
Ley de Aguas Nacionales La Ley de Aguas Nacionales se publicó en el Diario Oficial de la Federación el 1 de diciembre de 1992. Esta Ley tiene por objeto regular la explotación, uso o aprovechamiento de dichas aguas, su distribución y control, así como la preservación de su cantidad y calidad para lograr su desarrollo integral sustentable; se considera de observancia general, es decir que todos los ciudadanos están sujetos a ella y se aplica en todo el ámbito del territorio nacional; es de interés social, lo cual implica que se promulgue para que todos los ciudadanos y la nación se vean beneficiados por ella.
Ley General Del Equilibrio Ecológico y La Protección al Ambiente Esta Ley entró en vigor el 28 de enero de 1988 y su última modificación se realizó el 7 de enero del 2000, es reglamentaria de las disposiciones de la Constitución Política de los Estados Unidos Mexicanos que se refieren a la preservación y restauración del equilibrio ecológico, así como a la protección al ambiente, en el territorio nacional y las zonas sobre las que la nación ejerce su soberanía y jurisdicción. Sus disposiciones
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son de orden público e interés social y tienen por objeto propiciar el desarrollo sustentable y establecer las bases para:
I.
Garantizar el derecho de toda persona a vivir en un medio ambiente adecuado para su desarrollo, salud y bienestar;
II.
Definir los principios de la política ambiental y los instrumentos para su aplicación;
III.
La preservación, la restauración y el mejoramiento del ambiente;
IV.
La preservación y protección de la biodiversidad, así como el establecimiento y administración de las áreas naturales protegidas;
V.
El aprovechamiento sustentable, la preservación y, en su caso, la restauración del suelo, el agua y los demás recursos naturales, de manera que sean compatibles la obtención de beneficios económicos y las actividades de la sociedad con la preservación de los ecosistemas;
VI.
La prevención y el control de la contaminación del aire, agua y suelo;
VII.
Garantizar la participación corresponsable de las personas, en forma individual o colectiva, en la preservación y restauración del equilibrio ecológico y la protección al ambiente.
VIII.
El ejercicio de las atribuciones que en materia ambiental corresponde a la Federación, los Estados, el Distrito Federal y los Municipios, bajo el principio de concurrencia previsto en el artículo 73° fracción XXIX – G de la Constitución;
IX.
El establecimiento de los mecanismos de coordinación, inducción y concertación entre autoridades, entre éstas y los sectores social y privado, así como con personas y grupos sociales, en materia ambiental, y 31
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X.
El establecimiento de medidas de control y de seguridad para garantizar el cumplimiento y la aplicación de esta ley y las disposiciones que de ella se deriven, así como para la imposición de las sanciones administrativas y penales que correspondan.
Como resultado de la publicación de ésta ley, cada estado de la federación elaboró y promulgó su propia ley estatal. Para el caso del Estado de Tamaulipas, se promulgó la ley de protección al medio ambiente para el Desarrollo Sustentable del Estado de Tamaulipas que hace hincapié en la preservación, control de la contaminación del agua, la planeación ambiental, el ordenamiento ecológico y la regulación ambiental de los asentamientos humanos.
Reglamentos Para aplicar los ordenamientos establecidos en las leyes, se crean los reglamentos específicos, así podemos hablar de los Reglamentos siguientes: Reglamento de la ley de Aguas Nacionales Reglamento de prevención y control de la contaminación de la atmósfera generada por fuentes fijas, semifijas o estacionarias para el Estado Reglamento de Ordenamiento Ecológico Regional para el Estado de Tamaulipas
En Nuevo Laredo, la Comisión Municipal de Agua Potable y Alcantarillado (COMAPA) sigue el reglamento especificado para el control y tratamiento de aguas por la Comisión Nacional de Agua (CONAGUA). 32
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Normativas Las normas establecen con todo detalle la forma en que se ha de cumplir con lo establecido en leyes y reglamentos superiores. Se puede hablar de dos tipos de normas, las Normas Oficiales Mexicanas (NOM) que son de observancia obligatoria y las Normas Mexicanas (NMX), las cuales no son de observancia obligatoria, pero se sugiere la conveniencia de hacerlo. Las normas basadas más comunes para el tratamiento de aguas residuales son: PARÁMETRO U OBJETO Color Demanda química de oxígeno Descargas de aguas residuales Dureza Grasas y Aceites Límites máximos permisibles de contaminantes en descargas Muestreo de aguas residuales Ph Sólidos disueltos totales Temperatura Turbidez
NORMATIVIDAD O MÉTODO ANÁLITICO NMX-AA-017-1980 NMX-AA-030-SCFI-2011 NMX-AANMX-AA-072-SCFI-2001 NMX-AA-005-SCFI-2013 NOM-ECOL-001-1996 NMX-AA-003-1980 NMX-AA-008-SCFI-2011 NMX-AA-020-SCFI-2008 NMX-AA-007-SCFI-2000 NMX-AA-038-SCFI-2001
En el ANEXO D se presenta el listado de las normas mexicanas con vigencia acerca del análisis de agua, tratamiento de la misma, y ensayes o procedimientos para realizarlo. Además contiene las normativas de la Comisión Nacional del Agua (CONAGUA).
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EL CICLO HIDROLÓGICO Y LA CALID AD DEL AGUA El agua es uno de los compuestos más abundantes en la naturaleza, cubriendo aproximadamente ¾ partes de la superficie del planeta. A pesar de esta aparente abundancia, algunos factores limitan considerablemente la cantidad de agua disponible para uso humano. En la tabla 1.1 se muestra la distribución del agua en el planeta: Tabla 1.1. Distribución del agua en el planeta VOLUMEN KM3
% DEL TOTAL
125000
0.009
104000
0.008
Ríos
1250
0.0001
Humedad del suelo
67000
0.005
Agua subterránea
8350000
0.61
Polos y glaciares
29200000
2.14
Total áreas terrestres
37800000
2.8
Atmósfera
13000
0.001
Océanos
1320000000
97.3
Total
1360000000
100
LOCALIZACIÓN Áreas terrestres Lagos de agua dulce Lagos salados y mares interiores
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Como puede observarse, más del 97 por ciento del total del agua se encuentra en los océanos y otros cuerpos de agua salados, lo cual la hace inapropiada para la mayoría de los usos. Del remanente 3 por ciento, un poco más del 2 % se encuentra congelada en los polos y glaciares. La cantidad que realmente está disponible para ser utilizada por el hombre en sus diferentes actividades (técnicas, agrícolas y abastecimiento público), corresponde a un 62%, el cual se encuentra en los lagos de agua dulce, ríos y cuerpos de agua subterránea.
El agua se encuentra en un estado de movimiento constante a través del ciclo hidrológico, el cual se esquematiza en la figura 1. El agua atmosférica se condensa y cae sobre la tierra en forma de lluvia, nieve o alguna otra forma de precipitación. Una vez en la superficie de la tierra, el agua fluye formando corrientes superficiales, alcanzando cuerpos de aguas mayores como los lagos y eventualmente los océanos, o se infiltra a través del suelo y alcanza los cuerpos de agua subterránea, los cuales pueden estar interconectados a algún río. A través de la evaporación de las aguas
Figura 1: Ciclo Hidrológico 35
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superficiales, o por evapotranspiración de las plantas, las moléculas de agua regresan a la atmósfera para repetir el ciclo.
El agua en la naturaleza se encuentra casi en estado puro cuando está en la forma de vapor. Debido a que el proceso de condensación requiere el contacto con una superficie, o la presencia de núcleos, el agua adquiere impurezas en el momento mismo de la condensación.
Adicionalmente, el agua adquiere impurezas cuando circula a través de las otras etapas del ciclo hidrológico y cuando entra en contacto con materiales que se encuentran en el aire y sobre y bajo la superficie de la tierra. Las actividades humanas contribuyen con impurezas en forma de desechos domésticos e industriales, agroquímicos y otros contaminantes menos evidentes. A la larga, estas aguas impuras completarán el ciclo hidrológico y regresarán a la atmósfera como moléculas de agua relativamente puras. Sin embargo en la calidad del agua en las etapas intermedias la que tiene mayor importancia, ya que puede afectar al humano.
Las impurezas acumuladas por el agua a través del ciclo hidrológico y como resultado de las actividades humanas, pueden estar en forma disuelta o suspendida. Los materiales disueltos consisten de moléculas o iones que son sostenidas en la estructura molecular del agua.
Contaminación del agua puede ser definida como la presencia en el agua de impurezas en tal cantidad y de tal naturaleza que impidan el uso del agua para un propósito establecido 36
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Parámetros para la calidad del agua Los parámetros que definen la calidad del agua son muchos y muy variados y pueden ser clasificados de muy diversas maneras, atendiendo ya sea a su origen, a su impacto en el medio, su persistencia, su forma de remoción, o sus características microbiológicas, físicas, organolépticas, químicas, etc. Para fácil comprensión, los parámetros de calidad del agua se clasifican de la siguiente manera: Parámetros físicos Parámetros químicos Parámetros biológicos
Parámetros físicos Los parámetros que definen las características físicas y organolépticas del agua son los que se detectan sensorialmente. Entre ellos, el sabor y olor se ponderan por medio de los sentidos, mientras que el color y la turbiedad se determinan por medio de métodos analíticos de laboratorio. También deben considerarse otros parámetros tales como los sólidos disueltos, sólidos suspendidos, fijos y volátiles para ambos, sólidos sedimentables y la temperatura.
Parámetros químicos Los parámetros asociados a las características químicas, las debidas a elementos o compuestos químicos, que como resultado de investigación científica se ha comprobado que pueden causar efectos nocivos a la salud humana, incluyen, además de otros, la alcalinidad (iones carbonato, bicarbonato e hidróxido), la dureza (iones de 37
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calcio y magnesio), los iones cloruro. Además de los anteriores, se deben considerar aquellos parámetros cuya determinación se basa en la conjugación de propiedades físicas y químicas, tales como el potencial hidrógeno y la conductividad eléctrica.
La prueba de jarras es la prueba más común para determinar algunos parámetros físico-químicos, ya que consiste en la aplicación de sustancias químicas que favorezcan, ya sea la remoción de sustancias que imparten color y turbiedad, o bien la remoción de sustancias que imparten dureza al agua, llamándose éste proceso de ablandamiento, ambos basados en los principios de la coagulación y precipitación. (Véase el tema tratamientos de agua, Prueba de Jarras de la página 60)
Parámetros biológicos Se entiende por características biológicas a aquellas debidas a la presencia de microorganismos, así como de sustancias que, por sus propiedades y características bioquímicas, provocan, ya sea deterioro de las condiciones aeróbicas de los cuerpos de agua, o resultan nocivos a la salud humana.
Para efectos de control sanitario se determina el contenido de indicadores generales de contaminación microbiológica, específicamente organismos coliformes totales y Escherichia Coli o coliformes fecales. También se estudia el efecto de diversas sustancias, como el cloro y su efecto desinfectante.
La presencia de materia orgánica en las aguas residuales, se estudia a través de las pruebas de Oxígeno Disuelto y Demanda Bioquímica de Oxígeno.
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Color El color es una característica física del agua producida por sustancias orgánicas e inorgánicas que se encuentran en solución o en forma de partículas coloidales. En las aguas naturales el color generalmente es el resultado de sales metálicas como hierro y manganeso o de sustancias orgánicas. Resulta del contacto del agua con extractos vegetales provenientes de hojas, semillas, madera, humos, plancton, etc., sustancias que en la mayoría de los casos son inocuas Impacto del color Las sustancias naturales le imparten al agua una coloración amarillo – pardo, produciendo que exista por parte del consumidor una aversión natural debido a las comparaciones antiestéticas que se le asocian. En algunos procesos industriales el color del agua puede ser perjudicial como son los de la producción de papel y telas. Es también de consideración importante en la industria en la que se utiliza el agua para la elaboración de bebidas o alimentos. En el uso doméstico también puede producir inconvenientes como son manchas de ropa, de muebles sanitarios, etc. Uso y aplicación En ocasiones las aguas pueden parecer coloreadas por materia suspendida, como es el caso de las aguas superficiales. Al color producido por materia suspendida se le denomina color aparente, es decir, es el color que se le determina a la muestra sin eliminarle las partículas suspendidas.
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El término color significa color real y es aquel que tienen las aguas después de que les han sido eliminadas las partículas en suspensión por centrifugación. No es recomendable el filtrado por existir la posibilidad de quedarse adherido algo de color al medio filtrante. Remoción del color Los procesos de tratamiento preferibles desde el punto de vista económico para la remoción del color, son los procesos físico – químicos de coagulación sedimentación y filtración, utilizados también para la remoción de turbiedad, sin embargo, para el color resultan más efectivos estos procesos a pH’s más bajos en el rango de 4 a 6. Medición del color El color natural se debe a una gran variedad de sustancias por lo que es necesario adoptar un estándar arbitrario para su medición2. El color natural en las aguas es generalmente amarillo-cafesoso por lo que una sustancia estable que produjera colores semejantes son las soluciones de cloroplatinato de potasio (K2PtCl6) con pequeñas cantidades de cloruro cobaltoso producen colores muy semejantes a los naturales, y se adoptó como unidad estándar de color al producido por un miligramo de platino por litro de agua destilada (como K2PtCl6).
2
Figura 2: Tubos de Nessler para comparación del color
Ing. Regina García Hololavsky , Facultad de Ingeniería Sanitaria de la Universidad Autónoma de Chihuahua
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La medición del color a las muestras se les hace por comparación directa con estándares preparados en diferentes diluciones contenidos en tubos de comparación de color llamados comúnmente tubos de Nessler, como los mostrados en la figura 2. Los estándares preparados generalmente varían de 0 a 70 unidades de color y sirven por varios meses si se encuentran bien protegidos del polvo y la evaporación. Aquellas muestras que exceden de 70 unidades, son diluidas de tal manera que el
Figura 3: Colorímetro Visual Modelo DLNH-100
color quede dentro de los estándares, usando un factor de corrección de acuerdo a la dilución empleada. Para eliminar la necesidad de estar renovando los estándares de color se han desarrollado una serie de instrumentos, los cuales, emplean discos con vidrios coloreados que simulan los estándares de color. Estos aparatos controlan ciertos errores que pueden incluirse en el método de
los
tubos
de
Nessler
debido
a
variaciones de la luz en los diferentes estándares, sin embargo, puede haber variaciones en los colores de los discos, o Figura 4: Espectrofotómetro Lambda XLS marca Perkin Elmer
cambios de sus características debido a huellas, polvo, etc. En la figura 3 se muestra
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un ejemplo de colorímetro, el laboratorio de Ingeniería Sanitaria del ITNL no cuenta por el momento. Cuando el color del agua proviene de desechos industriales, la evaluación del color con la escala platino – cobalto generalmente no resulta aplicable, ya que, los matices no corresponden a la escala amarillo-cafesoso. En este caso la medición se efectúa por medio de un espectrofotómetro variando la longitud de onda hasta encontrar la longitud de onda dominante. (Ver figura 4). Principio del Método La determinación del color en una muestra de agua se realizará con el método de la escala platino-cobalto, utilizando un comparador colorimétrico. La medida del color se basa en la comparación visual de la muestra con soluciones coloreadas o en la comparación con discos de vidrios de color especiales, que han sido calibrados de acuerdo a las soluciones coloreadas o estándares. El método estándar es el método de la escala platino – cobalto, en el cual una unidad de color es definida como la producida por un miligramo de platino (en la forma de ión cloroplatinato) por litro de agua destilada, con concentraciones variadas de cloruro cobaltoso para dar diversas tonalidades. Aún la más ligera turbiedad interfiere, causando que el agua aparente sea notablemente mayor que el color real. El valor del color del agua es sumamente dependiente del pH e invariablemente aumenta conforme aumenta el pH, por esta razón, cuando reporten valores de color es conveniente especificar a cual pH fue determinado.
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Turbiedad La turbiedad es una característica física del agua producida por material suspendido orgánico e inorgánico tal como arcilla, limo plancton, microorganismos o materia orgánica e inorgánica finamente dividida. La turbiedad puede definirse como la expresión de la propiedad óptica que causa que la luz sea dispersada o absorbida en lugar de ser transmitida en línea recta a través del agua. Impacto de la turbiedad A pesar de que la turbiedad no resulta nociva para la salud, salvo que el material que la produzca sean microorganismos patógenos vivos, es de una consideración muy importante en abastecimientos públicos de agua por varias razones. Una de estas razones es el aspecto estético, ya que el consumidor demanda agua libre de turbiedad porque el agua turbia es automáticamente asociada con una posible contaminación por aguas negras y con los peligros ocasionados por esto. En la industria la medida de la turbiedad es importante cuando el producto es destinado para consumo humano y el agua forma parte de dicho producto, como es el caso de las industrias que producen alimentos y bebidas y en las plantas de tratamiento para abastecimiento municipal. En plantas de tratamiento de agua el proceso de filtración resulta más difícil y costoso conforme la turbiedad aumenta. En el proceso de desinfección la turbiedad excesiva reduce la efectividad del desinfectante sobre todo en los casos en que la turbiedad es causada por partículas de aguas residuales domésticas, ya que, gran parte de los microorganismos patógenos, pueden quedar encerrados dentro de las partículas y ser protegidos contra el desinfectante.
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La turbiedad causada en los cuerpos de agua receptores (ríos, lagos, mar, etc.) por descargas de aguas residuales domésticas o industriales también es de consideración importante, ya que, ofrece peligro al sistema ecológico. La turbiedad excesiva reduce la penetración de la luz, afectándose de esta manera la fotosíntesis de los organismos fitoplantónicos así como la vegetación que se desarrolla en el lecho y que a su vez sirve de alimento a la fauna acuática. Uso y aplicación La turbiedad en exceso de 5 unidades es perceptible para el consumidor y por lo tanto representa una condición que no cumple con los requisitos de potabilidad. Remoción de la Turbiedad Los procesos de tratamiento necesarios para eliminar la turbiedad del agua son los de coagulación, sedimentación y filtración. Cuando los procesos mencionados trabajan en forma eficiente, deben producir agua con una turbiedad inferior a una unidad de turbiedad. Medición de la Turbiedad La determinación de la turbiedad del agua debe realizarse el mismo día que fue muestreada. Si esto no es posible, las muestras se pueden conservar en la oscuridad hasta por 24 horas, refrigeradas a 4 °C. Para tiempos de almacenamientos más prolongados, la muestra se puede preservar con la adición de 1 g de cloruro mercúrico por litro (no es recomendable). La turbiedad es de importante consideración en las aguas para abastecimiento público por tres razones:
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1. Estética: Cualquier turbiedad en el agua para beber, produce en el consumidor un rechazo inmediato y pocos deseos de ingerirla y utilizarla en sus alimentos 2. Filtrabilidad: La filtración del agua se vuelve más difícil y aumenta su costo al aumentar la turbiedad. 3. Desinfección: Un valor alto de la turbiedad, es una indicación de la probable presencia de materia orgánica y microorganismos que van a aumentar la cantidad de cloro u ozono que se utilizan para la desinfección de las aguas para abastecimiento de agua potable. La unidad de turbiedad, fue definida como “la obstrucción óptica de la luz, causada por una parte por millón de sílice en agua destilada": 1 unidad de turbiedad nefelométrica (UTN) = 7.5 ppm de Si02 Actualmente, la unidad utilizada es la UTN, unidad de turbiedad nefelométrica y que equivale a: 1 UTN = 1 ppm de formazina estandar La turbiedad es una expresión de la propiedad o efecto óptico causado por la dispersión e interferencia de los rayos luminosos que pasan a través de una muestra de agua; en otras palabras, la turbiedad es la propiedad óptica de una suspensión que hace que la luz no sea transmitida. La turbiedad en el agua puede ser causada por una gran variedad de materias en suspensión, que varían en tamaño desde dispersiones coloidales hasta partículas gruesas, entre otros; arcillas, limo, materia orgánica e inorgánica finamente dividida, 45
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organismos planctónicos, microorganismos, etc. La figura 2.2 muestra la clasificación de las partículas de acuerdo con su tamaño. La unidad de turbiedad, fue definida como “la obstrucción óptica de la luz, causada por una parte por millón de sílice en agua destilada"
Figura 5: Clasificación de la partículas
Algunos de los instrumentos que miden la turbiedad dependen de comparaciones visuales, otros utilizan una celda fotoeléctrica que mide la luz dispersada a 90 ° de la trayectoria del rayo de luz en la muestra (nefelometría). Dichos aparatos son los que actualmente se están usando, por su mayor precisión. Principio del método Los valores de turbiedad pueden variar desde cero hasta varios miles de unidades en aguas altamente turbias, consecuentemente no hay un método de determinaciones que abarque tan amplio intervalo. Existen tres métodos comúnmente empleados: A) Método Turbidimétrico de Bujía de Jackson B) Método del Turbidímetro Hellige. 46
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C) Método del Nefelómetro Fotoeléctrico En el pasado, la expresión estándar de turbiedad más usada fue la unidad de turbiedad Jackson, UTJ, la cual es una cantidad empírica basada en un turbidímetro de bujía de Jackson. El aparato consta de un tubo de vidrio calibrado para obtener lecturas directas de turbiedad, una vela especial (de esperma de ballena, que proporciona una intensidad de luz fija) y un soporte que alinea la vela y el tubo. La turbiedad de la muestra se determina añadiendo despacio la muestra de agua hasta lograr que la imagen de la llama de la vela justamente desaparezca. Sin embargo la turbiedad más baja que puede medirse con dicho aparato es de 25 UTJ. El turbidímetro de Hellige, es del tipo nefelométrico y está basado en el efecto de Tyndall. Se compara un rayo de luz que se hace pasar hacia arriba por la muestra, con la luz dispersada hacia arriba por las partículas suspendidas de la solución turbia, la cual es iluminada lateralmente a 90°. Actualmente el método más usado para determinar la turbiedad es el método nefelométrico en el cual se mide la turbiedad mediante un nefelómetro y se expresan los resultados en unidades de turbiedad nefelométricas, UTN. Con este método se compara la intensidad de luz dispersada por la muestra con la intensidad de luz dispersada por una suspensión estándar de referencia, bajo las mismas condiciones de medida. Entre mayor sea la intensidad de luz dispersada mayor será la turbiedad. Como suspensión estándar de referencia se usa una suspensión de un polímero de formacina, la cual es fácil de preparar y de mejores características reproducibles que las suspensiones de arcilla y otros materiales. Las unidades nefelométricas de 47
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turbiedad, basadas en el estándar de formacina, son aproximadamente iguales a las unidades de turbiedad Jackson. La tabla 1 muestra los factores de equivalencia de turbiedad determinada por diferentes métodos. Tabla 1: Factores de equivalencia de turbiedad
UNIDAD UTJ UTN mg/l de SiO2
1 UTJ 1.0 0.0 53 0.4
1 UTN 19 1 7. 0. 5
1 mg/l de SiO2 2. 5 0. 13 1. 0
La determinación de la turbiedad es de gran importancia en aguas para consumo humano, y en gran cantidad de industrias procesadoras de alimentos y bebidas. Los grados de turbiedad sirven para determinar el grado de tratamiento requerido por una fuente de agua cruda, su filtrabilidad, consecuentemente, la tasa de filtración más adecuada, la efectividad de los procesos de coagulación, sedimentación y filtración, así como para la potabilidad del agua.
Sólidos Incluye toda la materia, excepto el agua contenida en los materiales líquidos. En ingeniería sanitaria es necesario medir la cantidad del material sólido contenido en una gran variedad de sustancias líquidas y semilíquidas que van desde agua potable, aguas contaminadas, aguas residuales, residuos industriales, incluyendo los lodos producidos en los procesos de tratamiento.
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Sólidos Totales Se define como sólidos totales a la materia que permanece como residuo después de la evaporación y secado a 103ºC. El valor de los sólidos totales incluye material disuelto y no disuelto. Para su determinación, la muestra se evapora en una cápsula a peso constante previamente pesada, sobre un baño María, y luego se seca a 103 – 105 ºC en un horno. El incremento de peso, sobre el peso inicial dividido entre el volumen de la muestra, representa el contenido de sólidos totales en mg/l. Sólidos disueltos También llamados residuo filtrable, son determinados directamente o por diferencia entre los sólidos suspendidos y los sólidos totales. Si la determinación es directa, se filtra la muestra a través de un filtro de asbesto o de fibra de vidrio, en un crisol Gooch; el filtrado se evapora en una cápsula de peso conocido sobre un baño María y el residuo de la evaporación se seca a 103 – 105ºC. El incremento de peso sobre el de la cápsula vacía dividido entre el volumen de muestra, representa los sólidos disueltos o residuo filtrable en mg/l. Sólidos Suspendidos También denominados residuo no filtrable o material no disuelto, son determinados por filtración a través de un filtro de asbesto o de fibra de vidrio, en un crisol Gooch previamente pesado. El crisol con su contenido se seca a 103 – 105ºC; el incremento de peso, sobre el peso inicial, representa el contenido de sólidos o residuo no filtrable.
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Sólidos Sedimentables Ésta denominación se aplica a los sólidos en suspensión que se sedimentan, bajo condiciones tranquilas, por acción de la gravedad. La determinación se hace llenando un cono Imhoff de un litro y midiendo el volumen de material sedimentado en el cono al cabo de una hora, en mg/l. La determinación de sólidos sedimentables es básica para el diseño de tanques de sedimentación, y en la operación para cuantificar su eficiencia. Sólidos Fijos y Sólidos Volátiles En aguas residuales y lodos, se acostumbra hacer esta determinación con el fin de obtener una medida de la cantidad de materia orgánica presente. El procedimiento estándar consiste en someter las cápsulas que contienen los sólidos totales se calcinan en una mufla a una temperatura de 550ºC, durante una hora. La pérdida de peso se registra como mg/l de sólidos volátiles y el residuo como mg/l de sólidos fijos. El contenido de sólidos volátiles se interpreta en términos de materia orgánica, teniendo en cuenta que a 550ºC la materia orgánica se oxida formando CO2 y H2O que se volatilizan. Si consideramos un promedio de 500 g de sólidos totales de una muestra de agua residual, la mitad serían sólidos disueltos tales como calcio, sodio y compuestos orgánicos solubles. Los 250 g restantes serían insolubles. La fracción insoluble consiste en aproximadamente 125 g de material que puede sedimentarse en 30 minutos si se deja el agua en reposo. Los 125 g restantes permanecerán en suspensión por largo tiempo. 50
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Temperatura La determinación exacta de la temperatura es importante para diferentes procesos de tratamiento y análisis de laboratorio, puesto que, muchos fenómenos que ocurren en el agua se relacionan con la temperatura, por ejemplo: el grado de saturación de OD y la actividad biológica. La temperatura debe tomarse en el sitio de muestreo. Normalmente, la determinación de la temperatura se hace con un termómetro de mercurio de buena calidad. El termómetro debe sumergirse en el agua, preferiblemente con el agua en movimiento, y la lectura debe hacerse después de la estabilización del nivel del mercurio.
Conductividad La conductividad del agua es una expresión numérica de su habilidad para trasportar una corriente eléctrica. La conductividad del agua depende de la concentración total de sustancias disueltas ionizadas en el agua y de la temperatura a la cual se haga la determinación. Por lo tanto, cualquier cambio en la cantidad de sustancias disueltas, en la movilidad de los iones disueltos y en su valencia, implica un cambio en la conductividad. Por ello, el valor de la conductividad es muy usado en análisis de aguas para obtener una estimación rápida del contenido de sólidos disueltos. La forma más usual de medir la conductividad del agua es mediante instrumentos comerciales de lectura directa en μmho/cm a 25ºC con un error menor del 1%. La
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conductividad leída es igual a la conductividad eléctrica de la muestra medida entre caras opuestas de un cubo de 1 cm, como se muestra en seguida. La resistencia específica de un conductor es función de sus dimensiones y puede expresarse como:
Dónde: C = resistencia específica [ohmio x cm] R = resistencia [ohmio] A = área de la sección transversal del conductor [cm2] L = longitud del conductor [cm] La conductancia específica de un conductor es igual al inverso de su resistencia específica:
Dónde: K = conductancia específica [mho/cm] En otras palabras, la conductancia específica, es la conductancia de un conductor de 1 cm de longitud y una sección transversal de 1 cm2, por lo tanto, numéricamente es igual a la conductividad. Como en el agua dulce el valor de la conductividad es muy
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pequeño, se expresa en μmho/cm o en unidades del sistema internacional μsiemens/cm
Potencial de Hidrogeno El pH es un término universal que expresa la intensidad de las condiciones ácidas o alcalinas de una solución. El concepto del pH proviene de una serie de descubrimientos, que llevaron al entendimiento completo de los ácidos y las bases. Los ácidos y las bases se distinguieron originalmente por su diferencia en sabor y posteriormente por el modo en que afectaban ciertos materiales que se denominaron como indicadores. Con la teoría de ionización de Arrhenius (1887) y posteriormente con el descubrimiento de que el electrodo de hidrógeno es un aparato que nos permite la medición de la concentración del ion hidrógeno, se pueden determinar las concentraciones de hidrógeno que le dan los diferentes grados de acidez al agua. El agua químicamente pura se disocia en la siguiente forma:
Sin embargo, el agua es muy débilmente ionizable, esto es que una pequeñísima cantidad de moléculas de agua se van a separar en iones. De acuerdo a la ley del equilibrio:
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Dónde la K es la constante de equilibrio. Debido a que la concentración del agua es extremadamente grande, y su concentración disminuye tan poco al disociarse por el pequeñísimo grado de ionización, se puede considerar que H2O permanece constante, por lo tanto:
Dónde Kw es la constante de ionización. El valor de Kw a 25°C es de 1 x 10-14 mol/L Dónde H+ = 1 X 10-7 mol/L y OH- =1 X 10-17 mol/L.
Rango de Ph. Acidez y Basicidad Dado que el efecto del ion H + y el ion OH- se neutraliza cuando las concentraciones son iguales. Las concentraciones anteriores corresponden a la neutralidad. Concentraciones de mayores de 10-7
mol /1, indican acidez y menores basicidad o
alcalinidad. La expresión de la concentración del ión hidrógeno o en otras palabras del grado de acidez, expresado en moles por litro resulta difícil ya que sus valores son decimales pequeños. Para eliminar esta dificultad, Sorenson (1909) propone expresar tales valores en términos de sus logaritmos negativos y llamarle a este nuevo valor pH.
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La escala de pH se representa de 0 a 14 en la que Ph = 7 representa la neutralidad absoluta. Rango ácido
0
Rango básico o alcalino
7
14
Las condiciones ácidas se incrementan conforme los valores de pH decrecen, y las condiciones alcalinas se incrementan conforme el pH se incrementa. Control del pH En la práctica de la Ingeniería Ambiental, el pH tiene mucha importancia porque influye en la mayoría de los procesos de tratamiento de aguas. El sistema ecológico puede ser afectado porque la alteración del pH en un cuerpo de agua puede causar la muerte de los peces. Los procesos de tratamiento en los que el pH debe ser considerado son los procesos de coagulación química, desinfección, ablandamiento de agua y control de la corrosión. En sistemas de tratamiento de aguas negras que utilicen procesos biológicos, el pH debe de controlarse dentro de un rango favorable a los microorganismos encargados de la purificación. Los tratamientos químicos usados para coagular aguas residuales, el secado de lodos o la oxidación de ciertas sustancias como cianuros, requieren de un control exacto del pH. El pH de las aguas naturales varían entre 4 y 9, sin embargo, la mayoría de las aguas son ligeramente básicas debido a la presencia de carbonatos. La normatividad vigente recomienda que el pH del agua potable esté comprendido entre 6 y 8 de manera general.
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Medición del Ph El pH puede ser medido colorimétrica o electrométricamente. Los métodos colorimétricos son más baratos, pero sufren de interferencias debido al color, turbiedad, salinidad, materia coloidal y sustancias oxidantes o reductoras. Los indicadores son objeto de deterioración, así como los estándares con los cuales se comparan. Presenta también el método, el inconveniente de que un solo indicador no cubre el rango de pH de interés en tratamiento de aguas, sino que se requieren varios de ellos. Por estas razones el método colorimétrico
es
usado
únicamente para estimaciones gruesas. El método del electrodo Figura 6: Potenciómetro marca Conductronic
de vidrio es la técnica estándar, el cuál es el método que cuenta nuestro laboratorio con el potenciómetro que se muestra en la figura 6. Principio del método El electrodo de hidrógeno es reconocido como el estándar primario, sin embargo, el electrodo de vidrio está sujeto a menos interferencia y es usado en combinación con un electrodo de referencia o comparación (electrodo de Calomel). El par de electrodos vidrio – comparación, producen un cambio de 59.1 mv por unidad de PH: a 25o C. El electrodo de vidrio es relativamente libre de interferencias, excepto de un error por sodio a pH’s elevados (arriba de 10). Este error de pH alto puede ser reducido usando 56
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electrodos especiales. También la temperatura ofrece interferencias, básicamente por dos razones: 1.
El cambio en el potencial por unidad de pH varía con la temperatura.
2.
La ionización de la muestra también varía.
El primer efecto puede ser compensado en algunos instrumentos comerciales, el segundo no puede ser compensado y se debe tomar en consideración, midiendo la temperatura de la muestra.
Alcalinidad La alcalinidad es una medida de la capacidad que tiene el agua para absorber iones hidrógeno sin tener un cambio significativo en su pH (capacidad para neutralizar ácidos). Las sustancias que le imparten alcalinidad al agua son fundamentalmente, los iones carbonato, bicarbonato e hidróxido. Algunos otros materiales también le imparten alcalinidad al agua, como son los silicatos, boratos y fosfatos, pero su contenido en las aguas naturales es generalmente insignificante y su efecto puede ignorarse. Esta propiedad amortiguadora que permite que las aguas reciban sustancias ácidas sin sufrir cambios fuertes en su pH, debido a la presencia de los CO3-, HC03- , e OHse explica al observar las reacciones que se llevan a cabo.
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Cobre El cobre se puede encontrar presente después del tratamiento de las aguas como sulfato de cobre, para el control de plancton y de otras formas acuáticas. También el paso del agua en las tuberías y accesorios de cobre o bronce puede disolverlos. Se sabe de casos en los cuales pequeñas cantidades de cobre presentes en el agua, han impartido manchas verdes a los recipientes de porcelana.
Cloro Libre El cloro ha sido usado principalmente como desinfectante para el control de microorganismos en aguas de consumo, aguas residuales, piscinas, lodos, etc., así como oxidante para el hierro y manganeso; para el control de olores y sabores, oxidación de sulfuros, remoción de amoniaco y color, y oxidación de cianuros. Tanto el cloro elemental gaseoso como el líquido reaccionan con el agua de la siguiente forma:
El ácido hipocloroso se ioniza para formar ion hipoclorito:
Las especies HOCl y OCl- en el agua constituyen lo que se denomina cloro libre disponible o residual de cloro libre.
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Hierro y Manganeso Tanto el hierro como el manganeso crean problemas en la calidad del suministro de agua. En general estos problemas son más comunes en aguas subterráneas y en aguas del hipolimnio de lagos estratificados; en algunos casos también en aguas superficiales provenientes de algunos ríos y embalses. El hierro existe en el suelo y minerales principalmente como óxido férrico insoluble y sulfuro de hierro, pirita. En algunas áreas se presenta también como carbonato ferroso o siderita, el cual es muy poco soluble. Como las aguas subterráneas contienen cantidades apreciables de CO2, producidas por la oxidación bacterial de la materia orgánica con la cual el agua entra en contacto, se pueden disolver cantidades apreciables de carbonato ferroso mediante la siguiente reacción:
De la misma manera que se disuelven carbonatos de calcio y magnesio. Sin embargo, los problemas con el hierro predominan cuando éste está presente en el suelo como compuestos férricos insolubles. Si existe oxígeno disuelto en el agua, la solución del hierro de tales suelos con el agua no ocurre, aun en presencia de suficiente CO2, pero, en condiciones anaerobias, el hierro férrico es reducido a hierro ferroso y la solución ocurre sin ninguna dificultad. Al ser expuestas al aire las aguas con hierro y manganeso, por acción del oxígeno, se hacen turbias e inaceptables estéticamente debido a la oxidación del hierro y manganeso solubles en Fe+++ y Mn4+, los cuales forman precipitados coloidales. La tasa de oxidación es lenta y por ello el hierro y el manganeso solubles pueden 59
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persistir por algún tiempo en agua aireada; esto es generalmente válido para el hierro cuando el pH es menor de 6 y para el manganeso cuando el pH es menor de 9.
La conversión anterior del hierro al estado férrico remueve alcalinidad reemplazándola por CO2 y puede tener un efecto pronunciado sobre el pH del agua. De la misma manera, puede presentarse un efecto similar por la oxidación del manganeso:
En aguas superficiales las concentraciones de hierro son generalmente bajas, menores de 1 mg/l. Las aguas subterráneas, por el contrario, pueden contener cantidades apreciables de hierro, comúnmente hasta 10 mg/l, raras veces hasta 50 mg/l en aguas anóxicas1 con baja alcalinidad. El hierro en bajas concentraciones da sabores metálicos al agua. Hasta donde se conoce, el consumo humano de aguas con hierro no tiene efectos nocivos para la salud. En estudios de nuevas fuentes de abastecimiento de agua, especialmente de aguas subterráneas, la determinación de hierro es muy importante. Contenidos de hierro en exceso de 0.3 mg/l son objetables. La determinación del hierro es también útil en el control de la corrosión de tuberías de hierro fundido o de hierro galvanizado, en las que aguas corrosivas producen problemas de enrojecimiento o coloración. El manganeso produce problemas de manchas en la ropa, similares a las del hierro, excepto que las manchas y los depósitos son más oscuros y con frecuencia más persistentes. 60
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El manganeso existe en el suelo principalmente como dióxido de manganeso, el cual es muy insoluble en aguas que contienen dióxido de carbono. Bajo condiciones anaerobias, el manganeso en la forma de dióxido es reducido de una valencia +4 a una valencia +2 y se presenta en solución de la misma manera que con los óxidos férricos. Los problemas se acentúan porque el manganeso rara vez se presenta en forma aislada, pero si por lo general en aguas de pozos. El contenido de manganeso es normalmente bajo, en general menor de 0.2 mg/l, aunque en aguas subterráneas es común encontrar concentraciones hasta de 1 mg/l. Resulta indispensable su eliminación cuando éste alcanza un nivel objetable, que puede ser tan bajo como 0.1 mg/l. Tanto el hierro como el manganeso interfieren las operaciones de lavado, imparten tinciones indeseables a los muebles y aparatos sanitarios, causan incrustaciones en las tuberías y dificultades en los sistemas de distribución al estimular crecimientos de bacterias del hierro: Crenothrix, Leptothrix, Galionella, y del manganeso: Sphaerotilus, Leptothrix; por lo que ocasionan una alta demanda de cloro. El hierro y el manganeso, además, en bajas concentraciones, imparten sabores metálicos al agua. Hasta donde se conoce, el consumo de aguas con estos elementos no tiene efectos nocivos para la salud.
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Dureza La dureza en el agua es causada principalmente por la presencia de iones de calcio y magnesio. Algunos otros cationes divalentes también contribuyen a la dureza como son, estroncio, hierro y manganeso, pero en menor grado ya que generalmente están contenidos en pequeñas cantidades. La dureza la adquiere el agua a su paso a través de las formaciones de roca que contienen los elementos que la producen. El poder solvente lo adquiere el agua, debido a las condiciones ácidas que se desarrollan a su paso por la capa de suelo, donde la acción de las bacterias genera CO2, el cual existe en equilibrio con el ácido carbónico. En estas condiciones de pH bajo el agua ataca las rocas, particularmente a la calcita (CaCO3), entrando los compuestos en solución. La clasificación de las aguas según su dureza, se presenta en la tabla 2. Tabla 2: Clasificación de las aguas según su dureza
RANGO
SUSTANCIA
DENOMINACIÓN
0 – 75 mg/l 75 – 150 mg/l 150 – 300 mg/l más de 300 mg/l
CaCO3 CaCO3 CaCO3 CaCO3
Agua blanda Agua semi-dura Agua dura Agua muy dura
Impacto de la dureza La dureza del agua se reconoció originalmente por la capacidad que tiene el agua para precipitar el jabón, esto es, las aguas requieren de grandes cantidades de jabón para producir espuma. Otra característica de suma importancia en la industria, reconocida posteriormente, es la producción de incrustaciones en los tubos de agua 62
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caliente, calentadores y algunas otras unidades en las que la temperatura del agua es alta. La capacidad de consumo de jabón es de importancia desde el punto de vista económico y por la dificultad de obtener condiciones apropiadas para una limpieza óptima. Sin embargo, con los detergentes sintéticos este problema ha disminuido, por lo que, la demanda del público de aguas suavizadas en las plantas de tratamiento municipal también ha disminuido y la tendencia es hacia instalaciones de ablandamiento privadas e industriales excepto en aquellos lugares en los que la dureza es sumamente alta. El problema de las incrustaciones no ha disminuido y es de consideración muy importante, principalmente en la industria, porque las incrustaciones pueden obstruir las tuberías a tal grado que se produzcan explosiones o
que se inutilicen
las
unidades de los procesos industriales, resultando más económico darle a las aguas un tratamiento de ablandamiento, que sustituir tuberías, equipo, etc. Las aguas duras no causan problemas al cuerpo humano y son tan satisfactorias como las aguas blandas sin embargo, la aceptación del público es variable de un lugar a otro, y su sensibilidad depende del grado de dureza al que las personas estén acostumbradas. Muchos consumidores ponen objeción cuando la dureza del agua excede de 150 mg/l CaCO3. El límite de dureza que se establece en la normatividad actual es de 500 mg CaCO3 y recomienda que la dureza permanente no exceda de 150 mg/l CaCO3.
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Cloruros Los cloruros son aniones que generalmente se encuentran contenidos en las aguas naturales. La magnitud de su concentración es muy variable, siendo mayor normalmente cuando aumenta el contenido mineral de las aguas. No se conocen efectos tóxicos para el hombre por altas concentraciones de cloruros, sin embargo, su valor en agua potable se recomienda que no exceda de 250 mg/1 por razones de sabor, ya que los cloruros en concentraciones superiores a este valor, cuando el agua contiene sodio le imparten sabor salado al agua. Indicadores de contaminación La determinación de la concentración de los cloruros en el agua resulta de utilidad como indicador de contaminación por aguas residuales domésticas. Un incremento de cloruros en una fuente de abastecimiento de agua potable, puede ser indicativo de contaminación debido a que, el hombre en la preparación de sus alimentos utiliza cantidades considerables de cloruro de sodio (sal de cocina), el cual es desechado en su totalidad a través de la orina y excrementos. El incremento de cloruros en las aguas servidas es de aproximadamente 25mg/1 con respecto al agua del abastecimiento. El incremento de cloruros en el agua de los pozos localizados en las zonas costeras, nos puede indicar la tendencia a la intrusión salina. La intrusión salina ocurre al sobre bombear el pozo, produciéndose una diferencia en la carga hidrostática a favor del agua causando un movimiento de esta agua hacia la zona de extracción del pozo.
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Cloro Residual. Necesidad de la desinfe cción de las aguas En los procesos de tratamiento convencional para la remoción del color y la turbiedad, la mayoría de las bacterias patógenas y removidos
muchos
otros
microorganismos
son
del agua ya sea por eliminación física a través de los procesos de
coagulación, sedimentación y filtración, o por muerte natural de los microorganismos en un ambiente desfavorable durante el almacenamiento o con la introducción de agentes químicos en los diferentes procesos. Sin embargo, la remoción aún no es completa y es necesario aplicar algún método de desinfección. Métodos de desinfección La desinfección puede ser aplicada por varios métodos, entre los cuales se pueden mencionar el calor, ultrasonido, irradiación con rayos ultravioletas, iones metálicos como cobre y plata, oxidantes químicos como bromo, yodo, cloro, ozono, permanganato de potasio, etc., sin embargo, muchos de estos métodos tienen sus limitantes. Los métodos que han encontrado mayor aplicación a grande escala son las ionización y la cloración, siendo éste último el que menos limitantes presenta en cuanto a su eficiencia, costo, facilidad de manejo, efecto residual, control de olor y sabor, facilidad de determinación de su concentración, etc. La acción bactericida del cloro resulta de su fuerte poder oxidante en la estructura química de las células de las bacterias, destruyendo el proceso enzimático requerido para la vida. La cantidad de inactivación microbiana depende de la concentración en forma de cloro residual disponible, pH, temperatura del agua y del tiempo de contacto. La siguiente tabla (8.1) muestra las concentraciones mínimas de cloro residual recomendadas para la desinfección. 65
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Tabla 3: Relación entre el valor del pH y los mínimos de cloro recomendables para una desinfección efectiva.
pH
Mínimo cloro residual libre disponible después de 10 min. de contacto en mg/l
6.0 7.0 8.0 9.0 10.0
0.2 0.2 0.4 0.8 0.8
Mínimo cloro residual combinado disponible después de 60 min. de contacto en mg/l 1.0 1.5 1.8 No aplicable No aplicable
La normatividad actual indica que el cloro libre no deberá exceder de 1.00 mg/l
Tratamientos de agua. Prueba de Jarras La coagulación y floculación es un proceso utilizado generalmente en todas las plantas de tratamiento de agua (potabilizadoras) para eliminar al agua turbiedad y por lo tanto también color. En general este proceso consiste en: cloración, agitado rápido, agitado lento, sedimentación, filtración y desinfección. Todas las aguas naturales cuyo uso esté destinado al abastecimiento público, requerirán de algún grado de tratamiento para poder cumplir con las normas de calidad de agua potable. La naturaleza e intensidad del tratamiento, dependerá de la naturaleza de las impurezas. Los procesos seleccionados para el tratamiento de agua potable dependerán de la calidad de las aguas crudas. La mayoría de las aguas subterráneas son claras y libres de patógenos y no contienen cantidades significativas de materia orgánica. Tales aguas, con frecuencia pueden ser utilizadas en sistemas de agua potable con una mínima dosis de cloro para prevenir la contaminación en los sistemas de distribución. 66
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Otras aguas, pueden contener grandes cantidades de sólidos disueltos o gases. Cuando en estos se incluyen el hierro, manganeso o dureza, se requerirá de un tratamiento químico y físico. Por otra parte, las aguas superficiales pueden contener una muy amplia variedad de contaminantes y los tratamientos a los cuales deben ser sometidas pueden ser más complejos. La mayoría de las aguas superficiales presentan turbiedad en exceso de lo establecido en la normatividad para agua potable. La mayoría de los materiales en suspensión deberán ser removidos mediante una coagulación química. Procesos unitarios La terminología utilizada en el tratamiento de aguas puede ser confusa para alguien que no esté familiarizado con ella. Por esta razón los tratamientos se han clasificado de acuerdo a los medios que se utilizan. Cuando la remoción de sustancias se hace mediante el desarrollo de reacciones biológicas y químicas se considerará un proceso unitario, como es el caso de los lodos activados, la coagulación química, la precipitación, etc. Operaciones Unitarias Cuando el tratamiento consiste en la aplicación de fuerzas física como la sedimentación, la filtración, decantación, agitación, etc. Se le llamará operación unitaria.
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Coagulación y Floculación Se determinará la dosis óptima de un coagulante, a emplear que se necesita para clarificar una muestra de agua. A esta prueba se le conoce con el nombre de “prueba de jarras”, debido al equipo empleado. En la figura 7 muestra el aparato de jarras existente en nuestro laboratorio.
Figura 7: Aparato de jarras marca PHIPPS&BIRD
Principio del Método El sulfato de Aluminio (Al2 (SO4)3) reacciona con la alcalinidad natural en el agua para formar un flóculo de hidróxido de aluminio (Al (OH)3).
Cada mg. de aluminio disminuye la alcalinidad del agua en 0.5 mg/1 de CaCO3 y produce 1.44 mg/1 dióxido de carbono. La producción de dióxido de carbono es indeseable porque aumenta la corrosividad del agua. Si el agua no contiene suficiente alcalinidad para reaccionar con el alumbre Al2(SO4)3 es preciso agregar Cal (Ca (OH)2) o soda (Na2CO3).
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CAL:
SODA:
La ventaja de la soda es que, a diferencia de la cal, ésta no nos aumenta la dureza del agua, solamente la corrosividad, sin embargo la cal es más popular y menos cara que la soda. El sulfato de hierro es otro coagulante que opera sobre un rango más costoso. Las interferencias son las mismas que para las determinaciones de color, turbiedad, pH, alcalinidad y dureza inicialmente y después de la clarificación, en cada prueba existen sus interferencias ya conocidas. Pero para esta prueba, la principal interferencia que nos causaría llegar a resultados erróneos sería que no estuviera bien homogenizada la muestra, ya que ocasionaríamos la re-suspensión de las partículas de sedimentación, al moverla bruscamente.
Oxígeno Disuelto, solubilidad de gases en agua La transferencia de gases desde y hacia el agua es una parte importante de los procesos naturales de purificación. La reposición del oxígeno disuelto perdido por la degradación bacteriana de los desechos orgánicos se completa por la transferencia de oxígeno del aire al agua. De manera inversa, los gases generados en los procesos químicos y biológicos pueden ser transferidos del agua a la atmósfera. Considere el sistema que se muestra en la figura 8
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Figura 8: Esquema de los procesos de absorción y desorción de gases en líquidos
El recipiente se encuentra sellado y contiene un líquido y por encima de éste un gas. Si el líquido es inicialmente puro respecto al gas, las moléculas de gas migrarán a través de la interface gas-líquido y se disolverá en el líquido. En un momento dado, algunas moléculas dejarán el líquido y regresarán a la fase gaseosa. La reacción neta será hacia el líquido hasta que un estado de equilibrio sea alcanzado. A este punto, el número de moléculas dejando el líquido es igual al número de moléculas que entran a él, diciéndose que el líquido está saturado con el gas. En este caso el equilibrio no es un estado estático, sino que la migración de moléculas del gas establece un estado de equilibrio dinámico estable. El proceso está caracterizado por lo siguiente:
1. La solubilidad, o la concentración máxima del gas en el líquido en el equilibrio. 2. El grado o velocidad de transferencia, o la velocidad de disolución o liberación.
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La solubilidad está regida por la Ley de Henry, que se expresa de la siguiente manera:
Dónde: x= fracción molar del gas disuelto a 1 atmosfera P=Presión del gas sobre el líquido, mol. H= Coeficiente de absorción o de Henry, que es único para cada sistema gaslíquido.
Otros factores que afectan a x, son la temperatura y la concentración de otros gases o sólidos disueltos. La velocidad de transferencia de un gas en un parámetro muy importante en la aireación y es gobernado por varios factores y matemáticamente se expresa de la siguiente manera:
Dónde: dC/dt = velocidad instantánea de cambio de concentración de gas en el líquido
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Cs = Concentración en la saturación C = Concentración actual ka= Constante relacionada a las condiciones físicas.(temperatura, área interfacial y resistencia al movimiento de una fase a otra) La desorción ocurre cuando C es mayor que Cs Cuando las concentraciones de oxígeno disuelto caen por debajo de los valores de equilibrio, el movimiento neto de oxígeno será de la atmósfera al aire. La diferencia entre la concentración de equilibrio y la concentración real se conoce como déficit de oxígeno (D) y se representa de la siguiente manera:
Las unidades de todos los términos son mg/l de oxígeno. La velocidad de cambio en el déficit de oxígeno será:
El déficit se incrementa a la misma velocidad con que el oxígeno es consumido en el agua. El Oxígeno disuelto como indicador de la calidad del agua La autodepuración de los sistemas de aguas naturales es un proceso muy complejo que involucra procesos físicos, químicos y biológicos. El oxígeno disuelto es uno de los más importantes constituyentes de las aguas naturales. Los peces y otras especies acuáticas animales requieren oxígeno, 72
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debiendo tener una cantidad mínima de 2.0 mg / l para mantener las diferentes formas de vida. Además de este aspecto tan importante del oxígeno como sustentante de vida, también lo es por los productos finales de las reacciones químicas y bioquímicas en sistemas anaerobios que conducen a condiciones antiestéticas. El oxígeno como parámetro de control de sistemas de tratamiento El tratamiento convencional de las aguas residuales mediante procesos biológicos, consiste en acelerar la degradación de los materiales susceptibles, para tener una pronta recuperación de las aguas y proceder a su reuso. Un sistema de tratamiento biológico de aguas residuales consta de varias etapas, entre ellas el desmenuzado, desarenado, sedimentación primaria, un reactor biológico, un sedimentador secundario y desinfección. Es en el desarenador y en el reactor biológico dónde se requiere la aplicación de oxígeno; en el primero como coadyuvante para la separación de las partículas de arena y en el segundo como ingrediente esencial para garantizar el desarrollo de microorganismos aerobios que son los encargados de degradar la materia orgánica presente. Así pues, es necesario mantener los niveles de oxígeno adecuados para favorecer el equilibrio entre las variables que intervienen en los procesos de biodegradación y alcanzar un funcionamiento óptimo. Medición del oxígeno disuelto La determinación del oxígeno disuelto en una muestra de agua se efectuará por el método de Winkler en su modificación de la azida.
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Principio del método La prueba está basada en la adición de una solución de manganeso divalente, seguida por la adición de una base fuerte. Esta base fuerte es un reactivo llamado alcali-yoduro-nitruro que es una solución de hidróxido de sodio (NaOH), yoduro de potasio (Kl), y nitruro de sodio (NaN3). La primera reacción que se produce es la siguiente:
Si no hay oxígeno en la muestra se forma un precipitado blanco floculante de hidróxido de manganeso, pero si hay oxígeno, el Mn se oxida y se precipita como un oxido café hidratado; en la figura 9 se pueden observar las diferencias entre dos muestras de agua:
A esta reacción se le llama fijación del oxígeno. Como la solución contiene iones
Figura 9:
yoduro (I-), al acidificarla el óxido de manganeso oxida al yoduro para producir yodo libre (I2) equivalente al contenido original de oxígeno disuelto en la muestra de acuerdo a la siguiente reacción:
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El yodo es titulado con una solución de tiosulfato de sodio para de este modo indirecto estimar la cantidad de oxígeno disuelto. Este método elimina la interferencia del ión (NO2) que es uno de los más frecuentes en las plantas de tratamiento de aguas domésticas que emplean procesos biológicos. Hay interferencias del ión Fe+++ que pueda oxidar al yoduro (I-) a yodo libre (I2), dando valores más altos, hay interferencias de Fe+++, SO =y S- que pueden reducir al I a I- dando valores más bajos.
Demanda Química de Oxígeno Se entiende por demanda química de oxígeno (DQO), la cantidad de materia orgánica e inorgánica en un cuerpo de agua susceptible de ser oxidada por un oxidante fuerte. El método que involucra el uso de dicromato es preferible sobre procedimientos que utilizan otros oxidantes debido a su mayor potencial REDOX (reducción y oxidación) y su aplicabilidad a una gran variedad de muestras. Existen dos métodos para la determinación de DQO con dicromato. El método a reflujo abierto es conveniente para aguas residuales en donde se requiera utilizar grandes cantidades de muestra. El método a reflujo cerrado es más económico en cuanto al uso de reactivos, pero requiere una mayor homogeneización de las muestras que contienen sólidos suspendidos para obtener resultados reproducibles. Principio del método Una gran cantidad de compuestos orgánicos e inorgánicos son oxidados con una mezcla de ácido crómico y sulfúrico a ebullición. La muestra se coloca a reflujo en una
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disolución de ácido fuerte con un exceso conocido de dicromato de potasio (K2Cr2O7). Después de la digestión, el dicromato no reducido se mide por titulación o espectrofotométricamente para determinar la cantidad de dicromato consumido y calcular la materia oxidable en términos de oxígeno equivalente.
Demanda Bioquímica de Oxígeno Muchos materiales orgánicos son solubles en agua. Estos materiales presentes en sistemas acuáticos naturales pueden proceder de fuentes naturales o como resultado de las actividades humanas. La mayoría de los compuestos orgánicos naturales están constituidos por productos del decaimiento o descomposición de sólidos orgánicos, mientras que los compuestos orgánicos sintéticos son por lo general el resultado de la descarga de aguas residuales o de prácticas agrícolas. Los compuestos orgánicos que están disueltos en el agua se dividen en dos grandes categorías: biodegradables y No biodegradables (refractarios). La utilización microbiana de los compuestos orgánicos disueltos puede ser acompañada por una oxidación3 o una reducción4. Aunque es posible que los dos procesos ocurran simultáneamente, el proceso de oxidación es más eficiente y predomina cuando hay oxígeno libre disponible. En ambientes aeróbicos (con oxígeno presente), los productos finales de la descomposición microbiana de los compuestos orgánicos son compuestos estables y
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Oxidación: Adición de oxígeno o eliminación de hidrogeno de una molécula orgánica Reducción: Adición de Hidrogeno o eliminación de Oxígeno de una molécula orgánica
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aceptables. La descomposición anaerobia (oxígeno ausente) resulta en productos finales inestables y objetables. Si posteriormente hay disponibilidad de oxígeno los productos finales de la descomposición anaerobia seguirán la ruta aerobia de descomposición. La naturaleza demandante de oxígeno de los compuestos orgánicos biodegradables tiene la mayor importancia en los sistemas acuáticos naturales. Cuando el consumo de oxígeno ocurre más rápido que la transferencia de oxígeno de la atmósfera al agua, se conduce a condiciones anaerobias teniendo como resultado que se afecta severamente a la ecología de ése sistema. La cantidad de oxígeno consumido durante la actividad microbiana sobre los materiales orgánicos se conoce como demanda bioquímica de oxígeno (DBO). La Demanda Bioquímica de Oxígeno (DBO), se define como la cantidad de Oxígeno molecular requerido para descomponer la materia orgánica degradable presente en el agua, mediante una acción bioquímica aerobia. Aplicaciones de DBO La determinación de la DBO está entre los parámetros más importantes para establecer la carga de contaminación del agua, además de ser un parámetro utilizado para el diseño de sistemas de tratamiento y/o como una medida de la operación y eficiencia de una planta de tratamiento de agua. Normalmente la DBO se determina en aguas de desecho y dependiendo del origen de ésta, será el tipo de materia presente y la forma en que el Oxígeno sea demandado. La DBO es ejercida por
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tres
tipos
de
materia:
Materia carbonácea ; Materia nitrogenada oxidable ; y
compuestos químicos reductores. Medición de la DBO La determinación de la demanda bioquímica de oxígeno a los 5 días en una muestra de aguas residuales domésticas, aplicando el método de Winkler. Principio del Método En la prueba de la demanda bioquímica de oxígeno (DBO), las aguas negras abastecen
de
alimento
a
los
organismos
encargados de la descomposición y el agua de dilución abastece de oxígeno disuelto. La diferencia entre
el
oxígeno
disuelto
determinado
inmediatamente después de que se hace la dilución y el oxígeno disuelto determinado a los 5 días de incubación a baja temperatura (ver figura 10), constituye el oxígeno consumido o demanda Figura 10: Refrigerador de laboratorio marca ARTIKO, incubadora de baja temperatura
bioquímica de oxígeno a los 5 días (DBO5) de la porción de muestra utilizada. La reacción biológica
que tiene lugar es la siguiente:
Esta ecuación es una simplificación de reacciones bioquímicas muy complejas que se llevan a cabo. Las sustancias tóxicas causan interferencias porque matan los organismos presentes en el agua (cloro residual, pH’s extremos, etc.). 78
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Coliformes. Organismos Patógenos El agua puede servir como un medio en el cual pueden existir miles de especies biológicas, ya sea en su ciclo competo de vida o, al menos, una parte de éste. La variedad de los organismos acuáticos, en cuanto a su tamaño y complejidad, incluye desde los microorganismos unicelulares más pequeños hasta los grandes peces. Todos los miembros de la comunidad biológica son, en algún grado, parámetros de la calidad del agua, debido a que su presencia o ausencia puede indicar en términos generales las características de calidad de un cuerpo de agua. Desde la perspectiva humana del uso y consumo, los principales organismos biológicos en el agua son los patógenos, que son aquellos organismos capaces de infectar o transmitir enfermedades a los humanos. Estos organismos no son nativos de los sistemas acuáticos y, generalmente, requieren de algún animal huésped para su crecimiento y reproducción. Ellos pueden, sin embargo, ser transportados por los sistemas de agua naturales, convirtiéndose de manera temporal en miembros de la comunidad acuática. Muchas especies de patógenos son capaces de sobrevivir en el agua y mantener su capacidad infecciosa por largos períodos de tiempo. Estos patógenos propagados por el agua incluyen especies de bacterias, virus, protozoarios y helmintos.
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Bacterias Las bacterias son microorganismos unicelulares, generalmente incoloros y son la forma de vida más baja capaz de sintetizar protoplasma a partir del medio que las rodea. La forma de las bacterias puede ser variada, como barras (bacilos), esféricas (cocos) o en espiral (espirilos). Los desórdenes gastrointestinales son un síntoma común de la mayoría de las enfermedades transmitidas por las bacterias patógenas transportadas por el agua.(ver figura 11)
Figura 11: Clases de Bacterias
El cólera, la enfermedad que hasta nuestros días causa tantas defunciones, sobre todo en poblaciones infantiles y de la tercera edad en países en vías de desarrollo (aunque los países desarrollados no están exentos), es transmitida por el Vibrio comma, que puede ocasionar la muerte por deshidratación; es uno de los más violentos agentes transmitidos por el agua. Los síntomas de la tifoidea, enfermedad transmitida por Salmonella typhosa, incluye desórdenes gastrointestinales, fiebre, ulceraciones intestinales y posible daño nervioso. Aunque la inmunización y la 80
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desinfección de las aguas de abastecimiento ha eliminado el cólera y la tifoidea en la mayor parte del mundo, en áreas sobrepobladas y con pobres condiciones sanitarias, ocasionalmente se presentan brotes de estas enfermedades. Virus Los virus son las estructuras biológicas más pequeñas hasta ahora conocidas que contienen toda la información genética necesaria para su propia reproducción. Los virus son parásitos obligados que requieren de un huésped en el cual vivir. Los síntomas asociados con infecciones virales transmitidas por el agua, involucran desórdenes del sistema nervioso más que del tracto
intestinal.
Estos
virus son los que causan la
poliomielitis
y
la
hepatitis infecciosa.
La
inmunización
ha
reducido la incidencia de
Figura 12: Ejemplos de morfología viral. Los virus DNA y RNA varían tanto en tamaño como en forma.
polio a unos cuantos casos aislados que aparecen en países desarrollados. Los brotes de hepatitis son más comunes, siendo ocasionados por el consumo de mariscos de concha, entre otros. Aunque las prácticas comunes de desinfección eliminan a los virus, la confirmación de una efectiva desinfección viral es difícil, debido al tamaño de los organismos y a la 81
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falta de pruebas de laboratorio rápidas y confiables. La incertidumbre de la desinfección viral, es el mayor obstáculo para el reuso directo de las aguas tratadas. Protozoarios La forma más baja de vida animal son los protozoarios, que son organismos unicelulares con actividad funcional más compleja que las bacterias o los virus. Son organismos completos, pueden vivir de manera libre o como parásitos, pueden ser patógenos o no patógenos, microscópicos o macroscópicos. Estos organismos, que son altamente adaptables a condiciones adversas, están ampliamente distribuidos en las aguas naturales, aunque sólo unos pocos son patógenos. Las infecciones ocasionadas por protozoarios se caracterizan por desórdenes gastrointestinales, aunque más leves que los asociados con bacterias. Sin embargo, las infecciones por ellos producidas pueden llegar a ser muy importantes, como el caso de la Entamoeba histolytica. Muchos casos de giardiasis o enfermedad de los excursionistas, causada por Giardia lamblia, que tiene mayor incidencia en épocas de primavera y verano en personas que consumen agua de corrientes naturales. Bajo circunstancias ambientales adversas, los protozoarios forman quistes que son difícilmente desactivados por la desinfección, siendo necesario tratamientos completos que incluyan la filtración para removerlos. Helmintos Los ciclos de vida de los helmintos o gusanos parásitos, con frecuencia incluyen dos o más animales huésped, uno de los cuales puede ser el humano, y la contaminación de las aguas resulta de los desechos humanos (heces principalmente) o animales 82
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que contienen helmintos. Aunque los sistemas acuáticos pueden ser el vehículo de transmisión de los helmintos, los sistemas actuales de tratamiento de aguas son muy efectivos en su destrucción. Los helmintos son un peligro para aquellas personas que entran en contacto con aguas sin tratar. Organismos indicadores Debido a que generalmente la concentración de patógenos en las aguas naturales es minúscula, constituye una medida práctica, la incorporación de
su determinación
cuantitativa directa dentro del análisis rutinario de las aguas. Excepto en circunstancias muy anormales, los analistas deberán quedar satisfechos con la evidencia indirecta de la presencia de patógenos, a través de la determinación de los que reciben el nombre de organismos indicadores. Entre los organismos candidatos, el grupo de bacterias coliformes, que tienen su hábitat primario en el conducto intestinal de los seres humanos, ha sido durante mucho tiempo el indicador preferido de la contaminación fecal del agua y de la posible presencia consecuente de los parásitos intestinales o de los patógenos. Para que un organismo se pueda considerar como indicador deberá cumplir con lo siguiente: Que sea aplicable a todo tipo de aguas; Que siempre esté presente cuando los patógenos están presentes; Que siempre esté ausente cuando los patógenos estén ausentes; Prestarse a procedimientos de prueba o exámenes rutinarios para su cuantificación sin que haya interferencia o confusión en los resultados por la presencia de organismos extraños; Por la seguridad del personal de laboratorio, que no sean patógenos. 83
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Es una práctica común el uso del total de grupos coliformes (fecales y no fecales) como indicadores de la calidad sanitaria del agua potable, mientras que para las aguas residuales y los efluentes tratados se utiliza el grupo de coliformes fecales. El Grupo de bacterias coliformes Con un amplio conocimiento del análisis de aguas, el grupo bacterias coliformes incluye no sólo a los organismos que se originan en el tubo intestinal de los seres de sangre caliente (colifecales, principalmente a la Escherichia Coli), sino también a los organismos provenientes del suelo y de
la
vegetación
(principalmente
al
Aerobacter aerógenas). El grupo coliformes incluye a todas las bacterias aeróbicas y anaeróbicas facultativas, no formadores de esporas, gram-negativas, en forma de bastón, que fermentan a la lactosa (azúcar de leche) con producción de gas a 35° C en 48 horas. Por lo tanto, la adición de una muestra de agua a caldo nutritivo que contenga lactosa, incubándola y observando el desprendimiento de gas, proporciona una evidencia de que se encuentra presente alguno de los coliformes. Debido a que existen otras bacterias que pueden fermentar a la lactosa, la presencia del grupo coliformes se debe confirmar mediante reacciones verificativas. Sin embargo, las bacterias que fermentan a la lactosa se agrupan, por lo general, en el análisis rutinario de aguas, una vez que se han establecido la presencia de organismos coliformes verdaderos para aguas determinadas. De hecho, la prueba no confirmada proporciona un factor de seguridad.
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Técnicas de Identificación y Cuantificación de microorganismos en el agua Para determinarla presencia de bacterias coliformes en el agua y para enumerar su cantidad, se han desarrollado pruebas de laboratorio relativamente fáciles. Las pruebas para los coliformes totales emplea medios de cultivo ligeramente diferentes y temperaturas de incubación más bajas que las utilizadas para los coliformes fecales. Técnica de filtro de membrana: Esta técnica, preferida por los ingenieros ambientales por la rápida obtención de resultados, permite cuantificar directamente a las bacterias coliformes. Una porción de la muestra se filtra a través de una membrana cuyos poros no exceden las 0.45 µm. Las bacterias son retenidas en el filtro, el cual se coloca sobre un medio de cultivo selectivo que promueve el crecimiento de bacterias coliformes e inhibe el crecimiento de otras especies. La membrana y el medio de cultivo se incuban a 35 ºC por 24 horas. Este período sirve para que las bacterias se reproduzcan y formen colonias visibles, las cuales pueden contarse. Los resultados son reportados en número de colonias por 100 ml de agua. Técnica de Tubos Múltiples de Fermentación: Un método alterno, preferido por los microbiólogos, es el método de tubos múltiples de fermentación. Es bien conocido que las bacterias del grupo coliformes fermentan la lactosa, es decir descomponen el azúcar de leche, produciendo gas. Un medio de cultivo líquido conteniendo lactosa, otros nutrientes y sustancias que inhiben el desarrollo de organismos no coliformes, es vertido en series de tubos de ensayo de fermentación (tubos Durham), los cuales son inoculados con fracciones decimales de 1 ml. Estos tubos inoculados, se incuban a 35 ºC por 85
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48 horas y se inspeccionan por la producción de gas. Esta primera etapa se llama prueba presuntiva y los tubos que presentan gas se presume que tienen coliformes presentes. Una segunda etapa, llamada prueba confirmativa, similar a la anterior, pero en caldos de cultivo selectivos para coliformes totales y fecales, sirve para confirmar o no la presencia de organismos coliformes, mediante la observación de la producción de gas. La desventaja de este método es que la prueba completa se puede prolongar hasta por nueve días. Para
conocer
el
número
de
bacterias se ha desarrollado un método estadístico con el cual se determina el Número Más Probable de bacterias coliformes en 100 ml de muestra de agua, NMP / 100 ml. Para lo anterior existen tablas que se basan en la combinación de tubos positivos en las series de
Figura 13: Siembra Microbiológica. Técnica del número más probable
prueba y los valores de NMP presentados se calculan con la Fórmula de Thomas:
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Prueba presuntiva Se puede usar como medio presuntivo caldo lactosado o caldo lauriltriptona (ver figura 14) 1.
Inocular una serie de tubos de fermentación conteniendo el medio cultivo esterilizado con cantidades graduadas apropiadas (múltiplos o submúltiplos de 10 ml) del agua que va a hacer dilución; se hará la dilución previamente en un tubo aparte y se agregarán 10 ml de disolución. El agua de disolución es un agua especial llamada solución amortiguadora de fosfatos.
2.
Incubar los tubos de fermentación inoculados a 35±0.05°C al final de las 24±2 horas, agite cada tubo y examinar si no se ha formado gas que haya sido atrapado en el tubo invertido, si no es así repetir este paso al final de las 48±3 horas. Anotar la ausencia o presencia de la formación del gas de cada tubo independiente de la cantidad de gas (ver figura 15)
3.
Interpretación. La formación del gas dentro de las 48±3 horas en cualquier cantidad en el tubo invertido constituye una prueba presuntiva positiva. La aparición de una burbuja no debe ser confundida con la producción de gas verdadero, si el gas se ha formado como resultado de
Figura 14: Tubos de caldo lactosado (primeros 3 de la izquierda) y bilis verde brillante (últimos 3 de la derecha)
fermentación
el
caldo
la
se volverá turbio. La
ausencia del gas a las 48±3 horas constituye una 87
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prueba presuntiva negativa.
Prueba Confirmativa Use caldo de bilis verde brillante (ver figura 14) 1.
A todos los tubos que hayan mostrado una cantidad de gas al final de las 24 horas de incubación se les hará la prueba confirmativa. Si tubos adicionales en la prueba muestran gas al final de las 48±3 horas también serán confirmadas.
2.
Realizar cualquiera de los siguientes
Figura 15: tubos de fermentación (observe la formación de gas dentro de los tubos)
pasos. o A todos los tubos que hayan mostrado una cantidad de gas al final de las 24 horas de incubación se les hará la prueba confirmativa. Si tubos adicionales en la prueba muestran gas al final de las 48±3 horas también serán confirmadas. o Agite vigorosamente o girar los tubos de la prueba presuntiva que hayan presentado gas y con una asa estéril de 3mm de diámetro; transfiera una asa llena de medio de la prueba presuntiva al tubo de fermentación conteniendo el caldo de bilis verde brillante. o Agite
vigorosamente
o
girar
la
prueba
presuntiva
que
hayan
presentado gas e inserte un aplicador de lana estéril cuando menos 2.5 cm dentro del medio de cultivo de la prueba presuntiva. Sacarlo 88
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rápidamente e introducir el aplicador hasta el fondo del tubo de fermentación que contiene el caldo de bilis verde brillante. Saque el aplicador y deséchelo. 3.
Incube los tubos de bilis verde brillante inoculados por 48±3 horas a 35±0.5°C.
4.
La interpretación es igual en procedimiento anterior (ver figura 15)
Muestreo para control de calidad Los procedimientos sanitarios para el muestreo de agua para uso y consumo humano son muy estrictos en el sentido de que cada muestra recolectada deberá ser representativa de las condiciones que existan en el punto de muestreo, a una hora y día determinadas, en un volumen suficiente para que pueda ser manipulado a través de la cadena de custodia sin que por ello deje de representar con exactitud su lugar de origen. Esto implica que la proporción o concentración relativa de todos los componentes serán las mismas en las muestras que en el lugar de donde proceden y que dichas muestras serán manejadas de tal forma que no se produzcan alteraciones significativas en su composición antes de que se hagan las pruebas correspondientes. La persona que toma muestra y la traslada al laboratorio para realizar una determinación específica es responsable de su integridad. Definición de muestreo 1. Es una actividad desarrollada para obtener volumen de agua, de tal manera que sean representativas de algún punto del sistema de abastecimiento, con el 89
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propósito de evaluar sus características ya sean físicas, químicas, orgánicas o microbiológicas. 2. Es el proceso de separar una pequeña porción del total, de tal manera que la muestra representa el carácter y calidad de la mases de la cual se tomó. 3. Es la primera etapa básica para la obtención de un resultado confiable 4. Es el proceso de selección y extracción de una parte pequeña, representativa de un todo, sobre el cual será llevado a cabo el análisis. Clasificación de muestreo El muestreo se puede clasificar en base a la cantidad de fracciones colectadas: 1. . Muestra simple: consiste en tomar una sola muestra, por lo que únicamente representará la concentración de constituyentes en el agua en el momento que se tomó la muestra. 2. Muestra compuesta: la que resulta de mezclar varias muestras simples tomadas a intervalos de tiempo previamente seleccionados, ya sea en volúmenes constantes o en volúmenes proporcionales al gasto. Criterios para toma de muestras Por regla general, se deberá tomar las muestras de agua en donde exista un flujo turbulento que asegure una calidad uniforme en la muestra, para cada punto de muestreo se dan las siguientes recomendaciones: I.
En pozos y tanques elevados se deja fluir el agua el tiempo suficiente para purgar el agua que ha estado estacionada en la tubería y evitar una posible contaminación. 90
IMPLEMENTACIÓN DEL ÁREA DE INGENIERÍA SANITARIA EN EL LABORATORIO DE INGENIERÍA CIVIL
II.
En depósitos o cisternas la muestra deberá tomarse en la tubería de salida del tanque o en su defecto, la muestra deberá de tomarse bajo la superficie del agua.
III.
En grifo de la red de distribución, se elegirá un grifo al que llegue el agua por una tubería conectada directamente con la línea principal.
IV.
En canales colectores, la muestra se tomará a la mitad del área de flujo (la distancia media del tirante total máximo).
V.
En ríos se toman varias muestras a diferentes profundidades y distancias de las orillas. Cadena de custodia de campo del muestreo
Con la finalidad de asegurar la integridad de la muestra desde el momento de la recolección incluyendo la manipulación hasta concluir los análisis y asignar disposición final, se lleva a cabo la cadena de custodia. Se considera que una muestra está bajo vigilancia personal si se encuentra en posesión física de una persona, que es la que se encarga de custodiarla y de protegerla de posibles falsificaciones. El llenado de la cadena de custodia debe de hacerse en el punto de muestreo. Esta cadena de custodia debe contener mínimo los siguientes datos: o Fecha de muestreo o Número de orden de ejecución o Hora o Punto de muestreo
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o Dirección con entre calles o Colonia o Municipio o Parámetros de campo o Cloro residual o Temperatura o Ph o Quien toma la muestra o Quien entrega la muestra o Quien recibe la muestra
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PRÁCTICAS DE LABORATORIO Las prácticas de laboratorio son todas aquellas que nos sirven para obtener los parámetros anteriormente descritos en la tarea incesante para determinar si la sustancia vital tiene la calidad adecuada para el consumo humano. Los siguientes métodos analíticos están basados en las normas oficiales mexicanas, en ensayes realizados en otras universidades y en laboratorios especializados para el tratamiento de agua potable y residual. La redacción de la práctica consiste: Título o Nombre de la práctica, generalmente está compuesto de la palabra DETERMINACIÓN, seguido del nombre del parámetro a obtener. Objetivo, en este campo se indicará cuál es la meta o el propósito de realización y el impacto en el alumno. Equipo: en este aspecto se enlistará los aparatos de laboratorio a emplear. Material, todo aquello objetos consumibles o cristalería. Reactivos, son aquellas sustancias que se emplearán en las reacciones para alterar la muestra a analizar (dependiendo de la práctica). Procedimiento, toda la serie de pasos para lograr la obtención del parámetro en cuestión. Problemas, en este campo se propondrá preguntas o incógnitas para que el alumno reflexione y/o comprenda la práctica. Resultados y Conclusiones, es un espacio para que el alumno exprese su juicio de la práctica. 93
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Las prácticas que se propondrán son: 1.
Determinación del color
2.
Determinación de la turbiedad
3.
Determinación de la dureza
4.
Determinación de la alcalinidad
5.
Prueba de Jarras
6.
Determinación del oxígeno disuelto
7.
Determinación de la demanda química de oxígeno
8.
Determinación de la demanda bioquímica de oxígeno.
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Nombre de la práctica: DETERMINACIÓN DEL COLOR Objetivo: El alumno conceptualizará la importancia que el color tiene en la definición de la calidad del agua y el impacto que tiene según el uso al que se destine y conocerá el método para la determinación del color en el agua, basándose en las normas vigentes en la legislación mexicana. Muestreo: Las muestras deben colectarse en recipientes limpios y la determinación deberá hacerse dentro de un periodo de tiempo razonable porque durante el almacenamiento pueden ocurrir cambios físicos y biológicos que afectan el color. Equipo: •
Un comparador colorimétrico
•
Una centrífuga.
Material: •
Vasos de precipitado.
•
Pipetas.
•
Tubos de ensayo.
•
Tubos de Nessler
•
Tapón para tubos de Nessler (buzos esmerilados)
95
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Procedimiento: 1.
Llenar un tubo de Nessler del aparato con agua destilada hasta la marca. Tapar con el buzo esmerilado y colocarlo sobre el soporte izquierdo del comparador.
2.
Tomar un segundo tubo de Nessler y llenarlo con agua de la muestra hasta la marca. Tapar con el buzo y colocarlo sobre el soporte derecho del comparador.
3.
Una vez colocados los tubos dentro del comparador, cerrar la portezuela y colocar en la parte superior del aparato el disco adecuado de colores patrón. Finalmente colocar el ocular.
4.
Encender el aparato y comparar el color del agua de la muestra con los patrones del disco. Tomar la lectura cuando los colores del agua de la muestra y del disco patrón coincidan. Interpretar si el color de la muestra está entre dos colores patrón.
5.
Si el color de la muestra excede al color del patrón de máximo valor en el disco, diluya la muestra con agua destilada en proporciones conocidas, hasta que el color quede dentro del rango de estándares. Si la muestra ha sido diluida, calcule las unidades del color de acuerdo a la siguiente fórmula:
Dónde: A = lectura de unidades de color en el comparador. 96
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B = volumen total en la dilución en mililitros. C = mililitros de muestra tomados para la dilución. Problemas: 1.
Investigue cual es el límite máximo de color para agua potable establecido en las normas vigentes.
2.
A qué conclusiones llegaría en los siguientes casos: a. Su muestra presenta un color aparente superior al color real. b. La muestra presenta un color real igual al color aparente.
3.
¿Qué cantidad de K2PtCl6 es necesario pesar para producir un litro de una solución de 500 U.C.? ¿Cuántos mililitros de la solución anterior tomaría para preparar estándares de color de 50ml que contengan: 0, 5, 10, 20, 30, 40, 50, 60 y 70 U.C.?
Resultados y Conclusiones: Presente de manera tabular los resultados obtenidos y exprese su conclusión: MUESTRA 1 2
COLOR (UC)
Límite Máximo Permisible
_____________________________________________________________________ _____________________________________________________________________ _____________________________________________________________________ 97
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Nombre de la práctica: DETERMINACIÓN DE LA TURBIEDAD Objetivo: conocer los métodos para su medición, basándose en las normas vigentes en la legislación mexicana. Muestreo: La turbiedad debe ser medida el mismo día en que la muestra haya sido tomada. Si es inevitable y requiere más tiempo, guarde las muestras en la obscuridad hasta
por
24
horas.
No
se
recomiendan
periodos más prolongados
de
almacenamiento, porque pueden suceder cambios irreversibles en la turbiedad. Todas las muestras deben ser agitadas vigorosamente antes de la determinación. Equipo: •
Nefelómetro o turbidímetro in situ marca WTW
Material: •
Vasos para turbidímetro de 10, 20 y 50 milímetros
•
Tapones para vasos de turbidímetro
•
Un vaso de precipitado
•
Un agitador
•
Una pipeta
Procedimiento: 1.
Vacíe en el vaso la muestra de agua hasta la marca (las medidas de los vasos son 10, 20 y 50 mm. Para turbiedades altas, intermedias y bajas sucesivamente).Tape el vaso. 98
IMPLEMENTACIÓN DEL ÁREA DE INGENIERÍA SANITARIA EN EL LABORATORIO DE INGENIERÍA CIVIL
2.
Introduzca el vaso dentro del aparato y coloque el tapón.
3.
Siga las instrucciones del manual de operación del turbidímetro que existe en la biblioteca del laboratorio. (Instrucciones breves de operación pagina 50 a 53)
4.
Repita esta determinación cuando menos tres veces.
5.
Promedie las tres lecturas y vaya a la gráfica correspondiente para obtener el valor de la turbiedad.
Problemas: 1.
Explique por qué en general la turbiedad no puede ser correlacionada con el peso de la materia suspendida en una muestra de agua.
Resultados y Conclusiones: Presente de manera tabular los resultados obtenidos y exprese sus conclusiones: MUESTRA 1 2
TURBIDEZ (NTU)
Límite Máximo Permisible
_____________________________________________________________________ _____________________________________________________________________ _____________________________________________________________________ _____________________________________________________________________ _____________________________________________________________________
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Nombre de la práctica: DETERMINACIÓN DEL POTENCIAL HIDROGENO
(pH) Objetivo: Obtener el PH de sustancias químicas mediante el Conductivímetro y conocer los límites establecidos y el método analítico de medición que contempla la normatividad vigente en la legislación mexicana. Muestreo: Se debe evitar que la muestra tenga contacto con el aire, posteriormente que fue tomada. Es recomendable llenar el frasco completamente para evitar que quede aire atrapado dentro de él. Equipo: •
Potenciómetro marca CONDUCTRONIC
Material: •
Vasos de precipitado
•
Soluciones amortiguadoras para varios pH´s.
•
Agua destilada.
Procedimiento: 1.
Conecte el aparato.
2.
Lave los electrodos con agua destilada.
3.
En un vaso de precipitado ponga la solución amortiguadora de pH conocido y mida la temperatura de la solución.
4.
Mueva el botón de la temperatura a la temperatura medida. 100
IMPLEMENTACIÓN DEL ÁREA DE INGENIERÍA SANITARIA EN EL LABORATORIO DE INGENIERÍA CIVIL
5.
Introduzca los electrodos en el líquido más o menos 3 cm.
6.
Mueva a la posición pH.
7.
Con el botón de calibrar, ajustar al pH de la solución amortiguadora.
8.
Con la muestra que se desea medir, repetir los pasos 3, 4, 5, y 6.
9.
Anote la lectura de pH y la temperatura de la muestra.
Problemas: •
¿Cuál es la concentración del ión hidrógeno en una solución cuyo pH es igual a 6.25?
•
¿Cuál es el pH de una solución que tiene una concentración del ión hidrógeno de 3x10–2?
Resultados y Conclusiones: Presenta los resultados obtenidos en manera tabular y exprese sus conclusiones: MUESTRA 1 2
TEMPERATURA (°C)
PH
3 Límite Máximo Permisible
_____________________________________________________________________ _____________________________________________________________________ _____________________________________________________________________ _____________________________________________________________________
101
IMPLEMENTACIÓN DEL ÁREA DE INGENIERÍA SANITARIA EN EL LABORATORIO DE INGENIERÍA CIVIL
Nombre de la práctica: DETERMINACIÓN DE LA ALCALINIDAD DE UNA
SUSTANCIA Objetivo: El alumno reconocerá las sustancias que le imparten alcalinidad al agua, así como el origen de las mismas, su impacto y aplicación en el
contexto
de
la
definición de la calidad de las aguas, según sea su tipo y uso al que se destinen y conocerá el método de medición establecido en la normatividad vigente. Muestreo: Las muestras se deben colectar en frascos de polietileno o pyrex y almacenar a bajas temperaturas, ya que en las aguas de desecho puede haber acción microbiana y ganar dióxido de carbono. También pueden perder o ganar CO2 cuando son expuestas al aire por lo que se recomienda llenar los frascos completamente y cerrarlos apretadamente. Equipo, Material y Sustancias Requeridas: •
Dos matraces Erlenmeyer de 125 o 250 ml.
•
Una pipeta volumétrica de 50 ml.
•
Una bureta de 25 o 50 ml.
•
Un vaso de precipitado.
•
Un embudo
•
Ácido sulfúrico 0.02 N
•
Indicador de Fenolftaleína
•
Indicador de anaranjado de metilo
102
IMPLEMENTACIÓN DEL ÁREA DE INGENIERÍA SANITARIA EN EL LABORATORIO DE INGENIERÍA CIVIL
Procedimiento: Alcalinidad a la fenolftaleína: 1.
Tome 50 ml. de muestra en un matraz Erlenmeyer.
2.
Agregue tres gotas de indicador de fenolftaleína. Si da una coloración rosa violeta si existe alcalinidad a la fenolftaleína.
3.
Titule con ácido sulfúrico hasta su decoloración.
4.
Tome la lectura de mililitros de ácido consumido.
5.
Calcule la alcalinidad a la fenolftaleína por medio de la siguiente fórmula:
Dónde: A = ml. de ácido estándar consumido. N = Normalidad del ácido estándar. Alcalinidad total: 1.
Tome 50 mil. de muestra en un matraz Erlenmeyer. Si se determinó la alcalinidad a la fenolftaleína, se puede continuar utilizando la misma muestra, acumulando la cantidad de ácido consumido.
2.
Agregar 4 gotas del indicador anaranjado de metilo, dando una coloración amarillenta.
3.
Titular con ácido sulfúrico, hasta un vire color naranja correspondiente a PH= 4.5.
4.
Tomar la lectura de mililitros de ácido consumido. 103
IMPLEMENTACIÓN DEL ÁREA DE INGENIERÍA SANITARIA EN EL LABORATORIO DE INGENIERÍA CIVIL
5.
Calcular la alcalinidad total por medio de la misma fórmula anterior.
Problemas: •
El análisis de una serie de muestras dio los siguientes valores de pH: 5.5, 3.0, 12.4, 8.5, 7.6 y 9.0. Con estos valores de pH que conclusiones puede obtener acerca
de la presencia significativa de iones de carbonato y
bicarbonato. Resultados y Conclusiones: Represente los resultados obtenidos en manera tabular y exprese sus conclusiones: MUESTRA
Volumen en mls de muestra
Acido Consumido
Normalidad
Alcalinidad
1 2 3 4 5
_____________________________________________________________________ _____________________________________________________________________ _____________________________________________________________________ _____________________________________________________________________
104
IMPLEMENTACIÓN DEL ÁREA DE INGENIERÍA SANITARIA EN EL LABORATORIO DE INGENIERÍA CIVIL
Nombre de la práctica: DETERMINACIÓN DE LA DUREZA DE UN
LÍQUIDO Objetivo: El alumno reconocerá las sustancias que le imparten dureza al agua, así como su origen, impacto y remoción, en el contexto de la definición de la calidad del agua, según sea su tipo y uso al que se le destine. Conocerá los límites y métodos de análisis establecidos en la normatividad vigente. Equipo, material y sustancias requeridas: •
Dos matraces Erlenmeyer
•
Una pipeta volumétrica de 25 ml
•
Un vaso de precipitado.
•
Una pipeta de 1 ml
•
Una bureta
•
Un embudo
•
Solución Amortiguadora de NH4 OH para pH 10.
•
Solución de Hidróxido de Sodio, para pH de 12 a 13.
•
Solución valorada de Versenato de sodio (EDTA) de una concentración tal que 1 ml = 1mg de Ca o Mg en CaCO3
•
Indicador en polvo negro T de Ericromo.
•
Indicador en polvo de Purpurato de Amonio (murexida).
•
Agua destilada
105
IMPLEMENTACIÓN DEL ÁREA DE INGENIERÍA SANITARIA EN EL LABORATORIO DE INGENIERÍA CIVIL
Procedimiento: Dureza total: 1.
Tome 25 ml de muestra y 25 ml de agua destilada en un matraz Erlenmeyer.
2.
Agregue un mililitro de la solución amortiguadora
3.
Agregue una cucharilla del indicador negro T de Ericromo, dando una coloración rojo vino que indica la presencia de iones de calcio y magnesio.
4.
Titule con la solución valorada EDTA hasta su vire a color azul que se comprueba añadiendo una gota más de EDTA que no produzca cambio en la coloración.
5.
Lea la cantidad de EDTA consumido.
6.
Calcule la dureza total por medio de la siguiente fórmula:
Dónde: A = ml de EDTA consumidos. B = mg de Ca o Mg en CaCO3 equivalentes a 1 ml de EDTA. Dureza de calcio: 1. Tome 25 ml de muestra y 25 ml de agua destilada en un matraz Erlenmeyer. Agregue un ml de hidróxido de sodio y agitar. 2. Agregue
una
cucharilla
del
indicador
(Murexida), dando una coloración rosada.
106
Purpurato
de
Amonio
IMPLEMENTACIÓN DEL ÁREA DE INGENIERÍA SANITARIA EN EL LABORATORIO DE INGENIERÍA CIVIL
3. Titule con la solución de Versenato de Sodio (EDTA) hasta su vire a color púrpura que se comprueba preparando un testigo con 2 ml de la solución de hidróxido de sodio, indicador murexida y suficiente cantidad de EDTA. 4. Lea la cantidad de EDTA consumido. 5. Calcule la dureza cálcica por medio de la fórmula anterior. Problemas: •
Una muestra de agua tienen una dureza de 400 mg/1 CaCO3 a un pH de 7.8 ¿Cuál es su dureza carbonatada y cuál su dureza de no carbonatos?
Resultados y Conclusiones: Presente los resultados obtenidos en forma tabular y exprese sus conclusiones MUESTRA
EDTA (mls)
Ca en CaCO3
Mg en CaCO3 DUREZA
1 2 3 4 5
_____________________________________________________________________ _____________________________________________________________________ _____________________________________________________________________ _____________________________________________________________________ _____________________________________________________________________
107
IMPLEMENTACIÓN DEL ÁREA DE INGENIERÍA SANITARIA EN EL LABORATORIO DE INGENIERÍA CIVIL
Nombre de la práctica: PRUEBA DE JARRAS Objetivo: El alumno aplicará los principios de coagulación y floculación al desarrollar una prueba de jarras y determinará la dosis óptima de coagulantes para la clarificación y/o ablandamiento del agua y los relacionará con el diseño y control de una planta potabilizadora. Equipo, material y sustancias requeridas •
Aparato de jarras (agitadores e iluminador de flóculo)
•
Probetas
•
Vasos de precipitado de 1000 ml
•
Equipo requerido para las pruebas de pH, color, turbiedad, alcalinidad y dureza.
Procedimiento: 1.
Determine a la muestra de agua bien homogenizada el color, la turbiedad, el pH, la alcalinidad y la dureza.
2.
Vacíe porciones de un litro en 6 vasos de precipitado y colóquelos en el aparato de Jarras.
3.
Añada la solución del coagulante a los 5 primeros vasos de precipitado con diferentes concentraciones (Ejemplos: 5, 10, 20, 40, 60 y 80 mg/1 de Al2(SO4)3). Si no es suficiente la alcalinidad agréguese por cada mg/1 de alumbre 0.35 mg/1 de cada hidratada. Deje el sexto vaso como control.
4.
Agitar por un minuto a 100 rpm después de la adición del coagulante. 108
IMPLEMENTACIÓN DEL ÁREA DE INGENIERÍA SANITARIA EN EL LABORATORIO DE INGENIERÍA CIVIL
5.
Flocule las muestras a una velocidad de 30 rev / min durante 15 ó 20 min. exactos.
6.
Tome nota del tiempo que tardan en formarse los primeros flóculos visibles para cada vaso.
7.
Después de la floculación saque los agitadores y deje sedimentar por 30 min.
8.
Mida el color, la turbiedad, el pH, la alcalinidad y la dureza de cada vaso cuidando de no resuspender las partículas del sedimento de la muestra.
9.
Determine la dosis óptima del coagulante.
Problemas: •
¿Para qué sirve este ensaye en el ámbito del tratamiento de aguas?
TIEMPO DE FORMACIÓN DE FLÓCULOS EN MINUTOS
Resultados y Conclusiones:
1
2
3
4
VASO PRECIPITADO
109
5
6
IMPLEMENTACIÓN DEL ÁREA DE INGENIERÍA SANITARIA EN EL LABORATORIO DE INGENIERÍA CIVIL
PARÁMETRO A N T E S
M. #1
M. #2
M. #3
M. #4
M. #5
M. #6
Color Turbidez pH
Alcalinidad Dureza Nombre del Coagulante Concentración de coagulante Tiempo de formación de flóculos D Color E Turbidez S pH P U Alcalinidad E Dureza S Coagulante Optimo
_____________________________________________________________________ _____________________________________________________________________ _____________________________________________________________________ _____________________________________________________________________ _____________________________________________________________________ _____________________________________________________________________ _____________________________________________________________________
110
IMPLEMENTACIÓN DEL ÁREA DE INGENIERÍA SANITARIA EN EL LABORATORIO DE INGENIERÍA CIVIL
Nombre de la práctica: DETERMINACIÓN DE OXÍGENO DISUELTO Objetivo: El alumno comprenderá la importancia de la presencia del oxígeno disuelto en las aguas naturales, como indicador de la calidad del agua y su aplicación como parámetro de control de sistemas de tratamiento biológico de aguas residuales. Muestreo: Las muestras deben ser colectadas teniendo cuidado de que no permanezca en contacto con el aire o ser agitadas porque cualquiera de estas condiciones causa un cambio en el contenido del gas. Se recomienda usar frascos de Winkler en el muestreo y la determinación debe hacerse en el campo. Cuando se desea muestrear a profundidades se debe usar algún muestreador especial. Equipo, material y sustancias requeridas: •
Botellas de Winkler
•
Pipetas graduadas de 10 ml
•
Matraces Erlenmeyer de 250 ml
•
Una bureta de 50 ml
•
Un embudo
•
Solución de Sulfato Manganeso.
•
Reactivo álcali-yoduro-nitruro
•
Ácido sulfúrico concentrado
•
Solución de almidón
•
Solución valorada de tiosulfato de sodio 0.025 N
111
IMPLEMENTACIÓN DEL ÁREA DE INGENIERÍA SANITARIA EN EL LABORATORIO DE INGENIERÍA CIVIL
Procedimiento 1.
Agregue a la botella de DBO conteniendo la muestra 2 ml de sulfato manganoso con una pipeta graduada, cuidando que la punta penetre aproximadamente medio centímetro en el seno del agua.
2.
Agregue 2 ml del reactivo álcali-yoduro-nitruro; la acción se hace en la misma forma que el reactivo anterior, al hacer esta adición se forma un precipitado café si hay oxígeno en la muestra, en caso negativo el precipitado será blanco.
3.
Una vez formado el precipitado café tape la botella de DBO y agítela vigorosamente durante 30 segundos.
4.
Deje sedimentar el precipitado.
5.
Adicione 2 ml de ácido sulfúrico concentrado y agite hasta la total disolución del precipitado.
6.
Pase una alícuota de 100 ml a un matraz Erlenmeyer de 250 ml y titule con la solución valorada de tiosulfato de sodio hasta un color amarillo paja pálida.
7.
Agregue 2 ml de almidón y continúe la titulación hasta la primera desaparición del color azul.
8.
Calcule la cantidad de oxígeno disuelto por medio de la siguiente fórmula:
Dónde: N = Normalidad de tiosulfato de sodio (0.025).
112
IMPLEMENTACIÓN DEL ÁREA DE INGENIERÍA SANITARIA EN EL LABORATORIO DE INGENIERÍA CIVIL
Resultados y Conclusiones: Presente los resultados obtenidos en la siguiente tabla y exprese sus conjeturas:
MUESTRA
NORMALIDAD DE
ÓXIGENO DISUELTO EN
TIOSULFATO DE SODIO
MG
1 2 3 4
_____________________________________________________________________ _____________________________________________________________________ _____________________________________________________________________ _____________________________________________________________________
113
IMPLEMENTACIÓN DEL ÁREA DE INGENIERÍA SANITARIA EN EL LABORATORIO DE INGENIERÍA CIVIL
Nombre de la práctica: DETERMINACIÓN DE DEMANDA QUÍMICA DE
OXÍGENO Objetivo: El alumno conocerá el método del reflujo cerrado para la determinación de la demanda química de oxígeno, aplicando dicho conocimiento a los procesos de degradación de la calidad de las aguas y al diseño y operación de sistemas de tratamiento biológico de aguas residuales. Muestreo: Una vez que se ha tomado la muestra la determinación se debe hacer lo antes posible. Mientras que se hace la determinación, la muestra debe ser almacenada a una temperatura de 4°C o menos y hacerse antes de las 6 hrs. de recolectada la muestra. Equipo, Material, y Reactivos •
Fotómetro PHOTOLAB S6 marca WTW
•
Termoreactor CR 3200 marca WTW
•
Test de cubetas 114555 (Incluido en el equipo)
Procedimiento Método a reflujo cerrado/ método espectrofotométrico 1.
Precalentar a 148°C el termoreactor
2.
Colocar en los tubos de reacción 1,5 mL de la disolución de digestión A o B
114
IMPLEMENTACIÓN DEL ÁREA DE INGENIERÍA SANITARIA EN EL LABORATORIO DE INGENIERÍA CIVIL
3.
Tomar cuidadosamente 2,5 mL de muestra previamente homogeneizada dentro de los tubos de reacción. Cerrar inmediatamente para evitar que se escapen los vapores, asegurarse de que están herméticamente cerrados.
4.
Suavemente invertir los tubos varias veces destapando después de cada inversión para liberar la presión.
NOTA.- La disolución es fuertemente ácida y el tubo se calienta en este proceso, trabajar con guantes aislantes. 5.
Añadir cuidadosamente 3,5 mL de la disolución de digestión respectiva.
6.
Colocar 2,5 mL de agua en un tubo para la determinación del blanco de reactivos.
7.
Colocar todos los tubos en el termoreactor previamente calentado a 148ºC y reflujar por 2 h.
8.
Retirar los tubos del digestor y dejar que los tubos se enfríen a temperatura ambiente, permitiendo que cualquier precipitado se sedimente.
9.
Medir la absorbancia en el fotómetro, previamente calibrado o cuantificar por titulación.
10.
Para aguas que contengan una DQO baja (5 mg/L a 75 mg/L), utilizar la disolución de digestión B. Si el valor de la DQO determinado es más alto que 75 mg/L después de usar estos reactivos, reanalizar la muestra, utilizando la disolución A.
11.
Calcular la DQO en la muestra en miligramos por litro (mg/L) directamente de la curva de calibración, con la ecuación siguiente.
115
IMPLEMENTACIÓN DEL ÁREA DE INGENIERÍA SANITARIA EN EL LABORATORIO DE INGENIERÍA CIVIL
11.
Reportar los resultados en mg/L.
RECOMENDACIÓN: Véase las instrucciones de operación de los equipos correspondientes para mayor información. Consulte las directivas de análisis para los juegos de prueba disponibles del Photolab S6 (Demanda Química de Oxígeno – test de cubetas: 114555) en ANEXO F. Problemas: •
¿Qué es el DQO?
•
¿Para qué sirve determinar la cantidad de oxígeno que demanda un reactivo?
Resultados y Conclusiones: _____________________________________________________________________ _____________________________________________________________________ _____________________________________________________________________ _____________________________________________________________________
116
IMPLEMENTACIÓN DEL ÁREA DE INGENIERÍA SANITARIA EN EL LABORATORIO DE INGENIERÍA CIVIL
Nombre de la práctica: DETERMINACIÓN DE LA DEMANDA BIOQUÍMICA
DE OXÍGENO Objetivo: El alumno conocerá el método de Winkler para la determinación de la demanda bioquímica de oxígeno, aplicando dicho conocimiento a los procesos de degradación de la calidad de las aguas y al diseño y operación de sistemas de tratamiento biológico de aguas residuales. Muestreo: Una vez que se ha tomado la muestra la determinación se debe hacer lo antes posible. Mientras que se hace la determinación, la muestra debe ser almacenada a una temperatura de 4°C o menos y hacerse antes de las 6 hrs. de recolectada la muestra. Equipo, material y reactivos: •
Incubadora de baja temperatura
•
Botellas de Winkler
•
Pipetas graduadas de 10 ml.
•
Matraces Erlenmeyer
•
Bureta de 50 ml.
•
Vasos de precipitado
•
Sulfato de Magnesio,
•
Cloruro de Calcio,
•
Cloruro de Hierro
•
Solución amortiguadora de Fosfatos.
117
IMPLEMENTACIÓN DEL ÁREA DE INGENIERÍA SANITARIA EN EL LABORATORIO DE INGENIERÍA CIVIL
Procedimiento: Preparación del agua de dilución •
Sature de O2 el agua que usará para la dilución, agitándola en un frasco parcialmente lleno.
•
Ponga el volumen deseado de agua destilada en un frasco apropiado y añada un ml/litro de cada una de las soluciones siguientes: Sulfato de Magnesio, Cloruro de Calcio, Cloruro de Hierro y solución amortiguadora de fosfatos. Se añade la solución amortiguadora de fosfatos justamente antes de usar el agua de dilución.
Siembra •
El propósito de sembrar es introducir a la muestra una población bioquímica capaz de oxidar el material orgánico. Donde tales microorganismos se encuentran presentes como en el caso de las aguas negras domésticas o afluentes de las plantas de tratamiento que no tienen cloración y en las aguas superficiales el sembrado se hace innecesario y no debe ser usado.
•
Cuando la muestra contiene muy pocos microorganismos como resultado de la cloración, altas temperaturas o pH´s extremos, siembre con el sedimento de aguas domésticas que ha sido almacenada a 20°C por 24 a 36 horas.
Pretratamiento •
Muestras que contienen alcalinidad acidez cáustica, neutralícelas a un pH cerca de 7 con ácido sulfúrico o hidróxido de sodio 1N. 118
IMPLEMENTACIÓN DEL ÁREA DE INGENIERÍA SANITARIA EN EL LABORATORIO DE INGENIERÍA CIVIL
•
Muestras que contienen compuestos de cloro residual, si permanecen 1 o 2 horas en reposo, el cloro residual a menudo será disipado. En este caso, prepare las diluciones de DBO con agua propiamente sembrada. Destruya altos contenidos de cloro en muestras neutralizadas añadiendo Na2SO3 en cantidades apropiadas.
•
Muestras supersaturadas de oxígeno disuelto que contienen más de 9 mg/1 a 20o C pueden ser encontradas en los meses de invierno o en localidades donde crecen algas abundantemente. Para prever la pérdida de oxígeno durante la incubación reduzca el oxígeno disuelto a saturación trayendo la temperatura de 20oC en un frasco parcialmente lleno y agitando.
Dilución de la muestra •
Haga varias diluciones de la muestra para obtener las disminuciones de oxígeno disuelto requerido. Estime la dilución necesaria para producir un consumo de oxígeno de 2 ó 6 mg/l después de 5 días, de acuerdo a lo que establece la tabla siguiente.
Tabla 4: Relación entre el tipo de desecho, el % de dilución de la muestra y la DBO esperada
TIPO DE DESECHO
DBO5 EN mg/1
% DE DILUCIÓN
Industrial concentrado Aguas residuales domésticas Efluentes tratados Aguas superficiales contaminadas
500-5000 100-500 30-100 5-30
0.1 – 1.0 1.5 – 5.0 5.0 – 25.0 25.0 – 100. 0
119
IMPLEMENTACIÓN DEL ÁREA DE INGENIERÍA SANITARIA EN EL LABORATORIO DE INGENIERÍA CIVIL
•
Sifonee cuidadosamente el agua de dilución a un vaso de precipitado de 1000 ml. Llénese hasta la mitad procurando no hacer burbujas para evitar la entrada de aire.
•
Agregar cuidadosamente la cantidad de muestra para la dilución deseada y dilúyase al nivel apropiado con el agua de dilución.
•
Mezcle bien un agitador de tipo de émbolo, evitando la entrada de aire. Sifonee la solución deseada por lo menos en 2 frascos de DBO procurando que el líquido se derrame; tape herméticamente evitando la formación de burbujas de aire. Incube por lo menos un frasco y en el otro determine el oxígeno disuelto inicial.
•
Prepare diluciones sucesivas de concentración más baja de la misma manera.
Incubación •
Incúbese el testigo del agua de dilución si es sembrada y las muestras diluidas a 5 días a 20oC. selle hidráulicamente los frascos de DBO en la parte superior del cuello del frasco.
Cálculos: •
Sin disolución
Dónde: DIOD = Demanda inmediata de oxígeno disuelto OD = oxígeno disuelto después de 5 días
120
IMPLEMENTACIÓN DEL ÁREA DE INGENIERÍA SANITARIA EN EL LABORATORIO DE INGENIERÍA CIVIL
Con disolución:
Corrección por inóculo:
Dónde: B1 = OD del agua de dilución inoculada antes de la incubación. B2 = OD del agua de dilución inoculada después de la incubación.
Resultados y Conclusiones: _____________________________________________________________________ _____________________________________________________________________ _____________________________________________________________________ _____________________________________________________________________
121
IMPLEMENTACIÓN DEL ÁREA DE INGENIERÍA SANITARIA EN EL LABORATORIO DE INGENIERÍA CIVIL
PROCEDIMIENTOS Y DESCRIPCIÓN DE ACTIVIDADES Las actividades siguientes corresponden a labores requeridas para realizar el proyecto de residencias: Protocolo de investigación acerca de la Ingeniería Sanitaria Planos de distribución e instalaciones de ingeniería sanitaria Elaboración de guía mecánica de equipamiento de laboratorio Instalación y operación de equipo de laboratorio Implementación de ensayes a asignaturas Aplicación del equipo de laboratorio de Ingeniería Sanitaria El protocolo de investigación consistía en indagar todo acerca de la ingeniería sanitaria, es decir, que es la ingeniería sanitaria, cómo se originó, porque es tan importante, cual es el enfoque que adopta en la actualidad. Además se investigó antecedentes de laboratorios de ingeniería sanitaria, específicamente de calidad de agua dónde determinan los parámetros fundamentales mediante métodos analíticos; basados en normativas, reglamentos y leyes, para saber si el agua es apta para el consumo humano. Las actividades denominadas “Planos de distribución e instalaciones de Ingeniería Sanitaria y Elaboración de Guía Mecánica de equipamiento de laboratorio” constaron en plasmar en un plano la ubicación de los equipos, y sus instalaciones correspondientes basándose en las especificaciones de un laboratorio promedio, los manuales propios de operación de los equipos, recomendaciones de
122
IMPLEMENTACIÓN DEL ÁREA DE INGENIERÍA SANITARIA EN EL LABORATORIO DE INGENIERÍA CIVIL
profesionistas o capacitadores expertos en el tema y el espacio que contábamos (Véase planos en anexos). La instalación y operación de los equipos de laboratorio fue una actividad íntimamente relacionada con las anteriores, por no decir que se realizaron casi al mismo tiempo. Consistía en instalar el mayor número de equipo posible en su ubicación final, el cuál, solo se consiguió montar el destilador semiautomático, el extractor de solventes, el aparato de jarras, y la incubadora de alta temperatura. Los mencionados equipos son aquellos que requieren una instalación especial (ya sea hidráulica o sanitaria). Los demás equipos solo requieren instalación eléctrica, el cual se cuenta con los enchufes necesarios, excepto para el cromatógrafo de líquidos y sus componentes. La implementación de ensayes a asignaturas fue una actividad compuesta por investigaciones en fuentes académicas, es decir, en Universidades dónde existe la carrera de Ingeniería Sanitaria. Especialmente de la Universidad Nacional Autónoma de México (UNAM) y la Universidad Autónoma de Chihuahua (UACH) fueron recabados los ensayes particulares a las correspondientes materias de su plan de estudios. A continuación se mencionan algunas prácticas que se pueden llegar a realizar en relación con las materias a la Ingeniería Sanitaria:
123
IMPLEMENTACIÓN DEL ÁREA DE INGENIERÍA SANITARIA EN EL LABORATORIO DE INGENIERÍA CIVIL
IMPACTO AMBIENTAL •Aplicación del principio de conservación de la masa a la predicción de impactos: reactores •Transferencia de gases: Ley de Henry •Impacto Ambiental del Ruido en el entorno urbano.* ABASTECIMIENTO DE AGUA POTABLE •Olor, Sabor, Color y Turbidez •Cobre, Cloro Libre, Hierro y Manganeso* •Exámenes Bacteriológicos* •Sólidos, Temperatura, Ph, Conductividad, Dureza, Alcalinidad, Nitrogeno*, y Cloruros •Coagulación y Floculación (Prueba de Jarras) ALCANTARILLADO Y TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES •Demanda Bioquímica de Oxigeno •Demanda Química de Oxigeno •Sólidos, Temperatura, Ph, Conductividad, Dureza, Alcalinidad, Nitrogeno *y Cloruros *No realizable por equipo inexistente
La gran mayoría de los ensayes no se pueden realizar satisfactoriamente a falta de la cristalería necesaria para su elaboración. Y por último la actividad de la Aplicación del equipo de laboratorio de Ingeniería Sanitaria que recibimos, constaba en determinar las disciplinas o campo de aplicación en que se puede emplear el equipo en cuestión y principalmente, el uso que se le dará al laboratorio. El uso del laboratorio será uno enfocado a la calidad del agua, específicamente un laboratorio de planta tratadora de agua potable y residual estándar con tendencia a fines de investigación. Cabe destacar que, además de enfocarse a la Ingeniería Sanitaria, algunos equipos pueden desempeñarse en otras disciplinas, tal como sucede con el extractor de solventes. Debido a su gran versatilidad, también podría realizar pruebas dedicadas a 124
IMPLEMENTACIÓN DEL ÁREA DE INGENIERÍA SANITARIA EN EL LABORATORIO DE INGENIERÍA CIVIL
la Ingeniería Alimenticia. Otro ejemplo es el cromatógrafo de líquidos que su aplicación se extiende a la Medicina Forense. Simultáneamente, se elaboraron tareas específicas de apoyo al laboratorio de Ingeniería Civil en colaboración y trabajo en equipo con alumnos residentes, alumnos del servicio social y alumnos de actividades complementarias. Dichas tareas son plasmados y divididos por semanas para su fácil entendimiento que comprenden del 18 de agosto al 17 de septiembre (primer reporte), del 22 de septiembre al 24 de octubre (segundo reporte), y del 27 octubre al 5 de diciembre (tercer reporte), pertenecientes al primer reporte de residencias. Las actividades relacionadas con este proyecto están indicadas en cursiva y subrayadas. Semana 1 (18 al 22 de Agosto) Como primera actividad, se recibió una capacitación acerca del equipo denominado “Cromatógrafo de Líquidos” perteneciente al área de Ingeniería Sanitaria por parte de la empresa Perkin- Elmer. (22 de agosto)
125
IMPLEMENTACIÓN DEL ÁREA DE INGENIERÍA SANITARIA EN EL LABORATORIO DE INGENIERÍA CIVIL
Semana 2 (25 al 29 de Agosto) Se investigó información preliminar acerca de laboratorios de ingeniería sanitaria (equipo comúnmente empleado en la rama ambiental y sanitaria) (25 al 27 de agosto) Levantamiento de muro (2 carreras de block 10 x 20 x 40 – cantidad: 23 bloques aprox.) para aumentar del pedestal. (28 de agosto)
Colocación de varillas de refuerzo 3/8” (28 de agosto)
126
IMPLEMENTACIÓN DEL ÁREA DE INGENIERÍA SANITARIA EN EL LABORATORIO DE INGENIERÍA CIVIL
Relleno compactado con caliche en el pedestal (3 capas de 14 centímetros en la primera etapa y 2 capas de 10 centímetros en la segunda etapa) (29 de Agosto)
Levantamiento de muro (una carrera de block de 15 x 20 x 40 – cantidad: 6 bloques) siendo la segunda etapa del pedestal (parte derecha- ubicación de la máquina Unitronic) (29 de Agosto)
127
IMPLEMENTACIÓN DEL ÁREA DE INGENIERÍA SANITARIA EN EL LABORATORIO DE INGENIERÍA CIVIL
Armado y Habilitado de acero (3 varillas longitudinales y 4 varillas transversales de 3/8”) (29 de Agosto)
Semana 3 (1 al 5 de septiembre) Vaciado de concreto del pedestal (0.36 m3) con relación 3:1 (Arena-grava: cemento) (1 de Septiembre)
128
IMPLEMENTACIÓN DEL ÁREA DE INGENIERÍA SANITARIA EN EL LABORATORIO DE INGENIERÍA CIVIL
Medición de laboratorio de Ingeniería Sanitaria para realizar croquis del mismo (1 de Septiembre) Indagación sobre los reglamentos de uso y de seguridad en laboratorios afines al área de sanidad, también manual de prácticas aplicadas al plan de estudios en otras universidades tales como la UNAM (2 de Septiembre) Retiro de cimbra y acabado del pedestal consistiendo en enjarre con mortero relación 2:1, limpieza del área de construcción del pedestal (3 de septiembre)
Colocación de pintura base (pintura amarilla a base de agua) y Colocación de pintura color gris claro a base de aceite en toda la superficie del pedestal (losa y muros) (4 y 5 de septiembre)
129
IMPLEMENTACIÓN DEL ÁREA DE INGENIERÍA SANITARIA EN EL LABORATORIO DE INGENIERÍA CIVIL
Levantamiento topográfico del laboratorio de Ingeniería civil y sus anexos con ayuda de un polígono auxiliar para el proyecto de la ampliación del mismo (5 de septiembre)
Semana 4 (8 al 12 de Septiembre) Colocación del equipo nuevo de laboratorio perteneciente al área de concreto llamado Prensa Electrónica para Ensaye de concreto (1 de 2) y el aparato universal de ensayes marca Matest (Unitronic) en el pedestal. (8 de septiembre)
130
IMPLEMENTACIÓN DEL ÁREA DE INGENIERÍA SANITARIA EN EL LABORATORIO DE INGENIERÍA CIVIL
Colocación del equipo nuevo de laboratorio perteneciente al área de concreto llamado Prensa Electrónica para Ensaye de concreto (2 de 2) con ayuda de un montacargas (9 de septiembre)
Retoque de pintura en la superficie del monolito y Limpieza del registro dañado debido a maniobra del montacargas (9 de septiembre)
Reconstrucción de tapa del registro con
concreto
reforzado
(10
de
septiembre)
131
IMPLEMENTACIÓN DEL ÁREA DE INGENIERÍA SANITARIA EN EL LABORATORIO DE INGENIERÍA CIVIL
Medición del desfase de edificios (laboratorios y aula “Maquetas”) (10 de septiembre)
Mantenimiento y/o Limpieza de drenaje sanitario del Laboratorio – lavabo de mecánica de suelos (10 de septiembre)
Instalación de cable internet para la prensa electrónica #2 (11 de septiembre)
132
IMPLEMENTACIÓN DEL ÁREA DE INGENIERÍA SANITARIA EN EL LABORATORIO DE INGENIERÍA CIVIL
Instalación de contacto 110 V situado en la esquina de la pared lado Norte de la oficina (11 de septiembre)
Medición del desfase con láser (11 de septiembre)
Semana 5 (15 al 19 de Septiembre) El día 15 de septiembre fue suspendida las labores académicas. Toma de fotografías de equipo de laboratorio de Ingeniería Sanitaria y definición de cada uno de los equipos (fotografías mostradas en anexos) (16 de septiembre) Asesoría a alumnos de Ingeniería civil (16 de septiembre)
133
IMPLEMENTACIÓN DEL ÁREA DE INGENIERÍA SANITARIA EN EL LABORATORIO DE INGENIERÍA CIVIL
Mantenimiento y/o Limpieza de drenaje sanitario del laboratorio – desazolve parcial de tubería de concreto de drenaje tramo lavabo a registro más cercano (1.2 m de distancia) (16 de septiembre)
Pintura de líneas de tránsito amarillo de seguridad en el área de concreto de 10 cm de grosor formando un recuadro de 4.2 metros por 2.2 metros (límites de seguridad del pedestal) (17 de septiembre)
134
IMPLEMENTACIÓN DEL ÁREA DE INGENIERÍA SANITARIA EN EL LABORATORIO DE INGENIERÍA CIVIL
Asesoría a alumnos de Ingeniería Civil (17 de septiembre) Mantenimiento y/o Limpieza de drenaje sanitario del laboratorio – desazolve total de tubería de concreto de drenaje tramo lavabo a registro más cercano (1.2 m de distancia) (18 de septiembre)
Limpieza del área de Hidráulica (18 de septiembre) Semana 6 (del 22 al 26 de septiembre) Instalación eléctrica en el pedestal de un tramo de un poco más de un metro con manguera flexible y dos cajas octagonales galvanizadas que consta de abrir hueco, enjarrar con mortero 2:1 y pintura gris de aceite para que los empleados de mantenimiento (Almacén Activo) pudieran realizar el trabajo de instalar la nueva red
135
IMPLEMENTACIÓN DEL ÁREA DE INGENIERÍA SANITARIA EN EL LABORATORIO DE INGENIERÍA CIVIL
eléctrica de 220V que se requiere para las prensas de resistencia a compresión. (22 de septiembre). Planos arquitectónicos del laboratorio de Ingeniería Sanitaria (22 de septiembre) Cambio de cableado de la bomba del canal de pendiente variable y adecuación de lámina transitable para uso rudo (23 al 24 de septiembre)
Planos arquitectónicos del laboratorio de Ingeniería Sanitaria (23 al 24 de septiembre) Prueba de equipo de concreto (prensa a compresión matest) que consta de cabeceo de cilindros de concreto con azufre. (25 de septiembre)
136
IMPLEMENTACIÓN DEL ÁREA DE INGENIERÍA SANITARIA EN EL LABORATORIO DE INGENIERÍA CIVIL
Semana 7 (del 29 de septiembre al 3 de octubre) Investigación de los manuales de operación de los equipos, Planos arquitectónicos del laboratorio de Ingeniería Sanitaria y propuesta de distribución de las instalaciones hidrosanitarias (29 de septiembre al 1 de octubre) Pintura de líneas de tránsito amarillo de seguridad en el área de concreto de 10 cm de grosor formando un recuadro de 8 metros por 2 metros aprox. (límites de seguridad de las mesas de trabajo) (2 de octubre)
Investigación de planos constructivos, arquitectónicos, y estructurales pertenecientes al laboratorio de ingeniería civil y aula de maquetas (3 de octubre) Semana 8 (del 6 al 10 de octubre) Realización de trabajos de demolición en el área de ingeniería sanitaria para la instalación hidrosanitaria. (Del 6 al 7 de octubre)
137
IMPLEMENTACIÓN DEL ÁREA DE INGENIERÍA SANITARIA EN EL LABORATORIO DE INGENIERÍA CIVIL
Supervisión de la construcción de la barra de concreto restante en el laboratorio de ingeniería sanitaria (7 de octubre)
Remoción parcial de impermeabilizante dañado en la losa de cubierta del aula “maquetas” (8 de octubre)
138
IMPLEMENTACIÓN DEL ÁREA DE INGENIERÍA SANITARIA EN EL LABORATORIO DE INGENIERÍA CIVIL
Supervisión de afine interior con yeso en losa de cubierta del laboratorio de ingeniería sanitaria (8 de octubre)
Asesoría a alumnos de arquitectura (8 de octubre) Auxilio en el mantenimiento por parte de la empresa ANTARES que consta de pintura, cambio de aceite, calibración, limpieza general y engrasado de partes mecánicas de los equipos Prensa Universal Mca. ELE con operación manual, Prensa Universal Mca. SOILTEST, Dispositivo de Flexión Mca. ELE, Marco Triaxial de herrería Mca. SOILTEST, Viscosímetro Saybolt Mca. ELACONSA, Horno, balanza con precisión en kg Mca OKEN (del 9 al 10 de octubre)
139
IMPLEMENTACIÓN DEL ÁREA DE INGENIERÍA SANITARIA EN EL LABORATORIO DE INGENIERÍA CIVIL
Toma de fotografías, limpieza general de laboratorio de ingeniería civil e ingeniería sanitaria por motivo del 40° aniversario de la carrera de Ingeniería Civil (sábado 11 de octubre)
Semana 9 “SEMANA ACADÉMICA DE INGENIERÍA CIVIL”(del 13 al 17 de octubre) Limpieza menor de laboratorio (13 de octubre) Exposición de equipo de laboratorio de Ingeniería civil e Ingeniería Sanitaria (14 de octubre)
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Continuación de Investigación de manuales de operación de equipo de laboratorio de ingeniería sanitaria (15 de octubre) Elaboración de la propuesta de ubicación del equipo de laboratorio de acuerdo a las especificaciones técnicas propias indicadas en los manuales de operación de cada uno de los equipos (16 de octubre) Semana 10 (del 20 al 24 de octubre) Elaboración de la propuesta de ubicación del equipo de laboratorio de acuerdo a las especificaciones técnicas propias indicadas en los manuales de operación de cada uno de los equipos (20 al 21 de octubre) Visita al laboratorio de la planta tratadora de aguas residuales de Nuevo Laredo planta sur-oriente (22 de octubre)
Atención a alumnos en práctica de laboratorio (23 de octubre) Remoción de capas deterioradas de impermeabilizantes en la techumbre de la nueva área de Ingeniería Sanitaria (24 de octubre). Limpieza de pileta para curado de cilindros (24 de octubre) 141
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Semana 11 (del 27 al 31 de octubre) Asesoría a alumnos de Ingeniería Civil (27 de octubre) Colocación de pintura impermeabilizante en losa de azotea de ingeniería sanitaria (28 de octubre) Instalación de computadora en el aparato multibombas
perteneciente
al
área
de
hidráulica (28 de octubre)
Limpieza
de
tuberías
de
drenaje
del
laboratorio de ingeniería civil con ayuda de una sonda (28 de octubre)
Servicio de topografía: levantamiento de puntos en la avenida
Reforma
esquina
con
Lago
de
Chapala
(Estacionamiento de Nissan) (31 de octubre)
Semana 12 (del 3 al 7 de noviembre) Atención a alumnos en prácticas de laboratorio (3 de noviembre) 142
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Planos arquitectónicos del laboratorio de Ingeniería Sanitaria (del 4 al 6 de noviembre) Colocación de iluminarias en el laboratorio de Ingeniería Sanitaria (7 de noviembre)
Semana 13 (del 10 al 14 de noviembre) Planos arquitectónicos del laboratorio de Ingeniería Sanitaria (del 10 al 11 de noviembre) Instalación de la tubería de drenaje del lavabo en el laboratorio de Ingeniería Sanitaria (12 de noviembre)
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Elaboración de manual de prácticas del Laboratorio de Ingeniería Sanitaria (13 de noviembre) Visita a la planta tratadora de aguas residuales de Nuevo Laredo planta sur-oriente (14 de noviembre)
Semana 14 (del 17 al 21 de noviembre) El lunes 17 de noviembre fue suspendida las labores académicas Elaboración de manual de prácticas del Laboratorio de Ingeniería Sanitaria (18 de noviembre) Asesoría a alumnos de Arquitectura (19 de noviembre) Limpieza General del laboratorio de Ingeniería Civil (20 de noviembre) Asesoría y Atención a alumnos de Ingeniería Civil en la realización de prueba de granulometría de suelos finos (21 de noviembre)
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Semana 15 (del 24 al 28 de noviembre) Trasplante de árboles pequeños ubicados en el área de excavación para instalación hidráulica del laboratorio de ingeniería sanitaria
Instalación hidráulica en la parte externa del laboratorio para lavabo y equipos del laboratorio de sanitaria y preparación para instalación futura de lavaojos y regadera de emergencia.
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Semana 16 (del 1 al 5 de diciembre) Visita a la planta potabilizadora centro de COMAPA (1 de diciembre)
Enjarre con mortero en la instalación de drenaje en el exterior e interior del laboratorio (2 de diciembre)
Elaboración de manual de prácticas del Laboratorio de Ingeniería Sanitaria y planos arquitectónicos del laboratorio de Ingeniería Sanitaria (3, 4 y 5 de diciembre) 146
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RESULTADOS De acuerdo con la metodología de investigación empleada, siendo los tipos investigación de campo, pura y aplicada más recurridas. Los resultados de dichas indagaciones enlistados a continuación, me llevaron a alcanzar y a cumplir casi satisfactoriamente con los objetivos planteados al inicio de mi estancia. o Se perpetró las averiguaciones acerca de la teoría alrededor de la Ingeniería Sanitaria, es decir, para que nos sirve como Ingenieros Civiles esta rama, expuesto en los fundamentos teóricos. o Se elaboró una propuesta de ubicación del equipo existente del Laboratorio de Ingeniería Sanitaria. (Véase planos de guía mecánica en anexos) o Se hicieron planos arquitectónicos correspondientes de las instalaciones requeridas (Anexos) o Se efectuó la preparación e instalación hidráulica para los equipos que lo requerían (Extractor de Solventes y Destilador). o Se establecieron los procedimientos básicos de algunas prácticas de laboratorio en las asignaturas relacionadas con la Ingeniería Sanitaria. o Se identificó la aplicación del laboratorio de Ingeniería Sanitaria (ya sea, laboral o de fines de investigación). o Se logró determinar los parámetros requeridos para el control de proceso en una planta de tratamiento de aguas residuales. o Se determinó el equipo y material necesario para la obtención de los parámetros.
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PARÁMETROS REQUERIDOS PARA EL CONTROL DE PROCESO EN UNA PLANTA DE TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES CON EQUIPO Y MATERIAL NECESARIO PARA SU DETERMINACIÓN: A. Solidos suspendidos totales y volátiles o Balanza analítica (con mesa especial para evitar vibraciones) o Bomba de vacío o Estufa convencional 103-105°C o Mufla o Desecador o Desecante “Dierita” (Sulfato de Calcio CaSO4 Anhidro) o Crisoles GOOCH o Pinzas para Crisol o Filtros Glass o Probetas Graduada de 25, 50 y 100 ml B. Demanda química de oxígeno o Termoreactor o Espectrofotómetro o fotómetro (longitud de onda 400-900 nm) o Reactivos para COD de alto rango CAT. 21259-15 HACH o Reactivos para COD de bajo rango CAT. 21258 HACH o Ftalatao de hidrógeno de potasio C. Demanda bioquímica de oxígeno o Incubadora de temperatura de 20°C o Frascos de Winkler 148
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o Equipo de aireación (que incluya compresor de aire, trampa para grasas y difusor) o Parrilla de agitación y barra magnética o Matraces volumétricos de 500 y 1000 ml o Matraces Erlenmeyer de 250 y 500 ml o Bureta con soporte de 50 ml o Pipetas serológicas graduadas de 1, 2, 5, 10 o Vasos de precipitados de 100, 250, 600, 1000 ml o Pizetas o Probetas 50, 100, 250, y 500 ml o Sulfato manganoso (MnSO4 4H2O) o Hidróxido de sodio en lentejas (NAOH) o Yoduro de sodio (NaI) o Hidróxido de potasio (KOH) o Yoduro de potasio (NaN3) o Almidón soluble o Tolueno o Tiosulfato de sodio pentahidratado (Na2HPO4.7H2O) o Cloruro de calcio (CaCl2) o Cloruro férrico (FeCL3. 6H2O) o Sulfito de sodio (Na2SO3) o Glucosa grado reactivo o Acido glutámico grado reactivo 149
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o Piridina D. Oxígeno disuelto o Medidor de oxígeno disuelto YSI modelo 55-25 FT HANDHELD SN02J0177 o Paquete de servicio de probetas para oxígeno disuelto YSI E. Observación microscópica o Microscopio o Portaobjetos o Cubreobjetos F. pH o Medidor de pH o Conductivímetro o Termómetro (en caso de no contar con el Conductivímetro) o Solución de buffers pH 4, 7 y 10 o Vaso de precipitado 100 ml G. Nitritos y nitratos o Reactivos nitraver 2 nitrato HACH o Reactivos nitraver 5 nitrato HACH H. Coliformes fecales o Autoclave o Incubadora 35°C o Incubadora baño maría 45°C o Refrigerador o Gradilla para tubo de ensaye de 18 y 150 mm 150
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o Tubos con tapón de rosca 18 y 150 mm o Tubos DURHAM o Canastillas para esterilizar tubos o Frascos boca ancha de 250 ml o Mechero Bunsen o Espátula o Balanza granataria o Asa bacteriológica o Frasco de dilución de 250 ml o Caldo lactosado o Caldo de Ec I. Grasas y Aceites o Campana de extracción de gases o Aparato de extracción de solventes SOXHELT o Placa de calentamiento o digestor de cabeza o Bomba de vacío o Embudo Buchner de 12 cm de diámetro o Dedal de papel para extracción o Balanza analítica o Estufa (103°C) o Ácido clorhídrico (HCL) o Tierra de diatomeas o Papel filtro, 11 cm de diámetro 151
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J. Nitrógeno amoniacal* o Estabilizador mineral CAT. 23766-26 HACH o Alcohol poli vinílico CAT. 23765-36 HACH o Reactivo de Nessler CAT: 21194-49 HACH K. Nitrógeno total* L. Fosfatos* M. Análisis de lodos (NOM-004-SEMARNAT-2002)* N. Análisis de efluentes (NOM-001-SEMARNAT-1996)* O. Análisis de influentes (NOM-002-SEMARNAT-1996)* Además del equipo anterior también se requiere como equipo complementario: Línea de gas Destilador de agua Bancos de laboratorio Batas de laboratorio Extinguidor Equipo de computo Muestreador Botes de plástico de boca ancha de 2.4 litros de capacidad *Parámetros para análisis externo de un laboratorio acreditado ante la EMA (Entidad Mexicana de Acreditación)
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CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES El laboratorio de Ingeniería Sanitaria es un área especializada prácticamente en la Química. Requiere que le demos una especial atención, en cuánto a su implementación, uso y funcionamiento se refiere. En las visitas a las plantas tratadoras de la localidad (Planta Potabilizadora Centro y Planta Tratadora de Aguas Residuales Sur-Oriente), me pude percatar que las tareas diarias están ‘sumergidos’ en normatividades y estándares para la determinación de los parámetros necesarios para la calidad del agua. Por lo que es muy importante enfocarnos en los reglamentos para que el alumno comprenda los métodos tal como se aplica en el campo laboral. Las prácticas que plasmé en mis residencias son aquellas que inicialmente podemos concretar con el equipo hasta donde logramos implementar. Para conocer más acerca del funcionamiento de los equipos, consulten los manuales de operación incluidos en los aparatos en cuestión. Algunos equipos no vienen con manuales tangibles pero bien se pueden encontrar en las páginas de internet de las empresas fabricadoras, tal como WTW, Velp Scientifica, por decir algunos. Aún falta mucho camino por recorrer en esta especialidad de la Ingeniería Civil. En mi punto de vista para poder manejar plenamente los equipos de laboratorio es necesario recibir cursos de capacitación más completos comparados con el que recibimos. Pero solamente será posible con el compromiso, disciplina y organización de todos los docentes y alumnos que estemos involucrados.
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REFERANCIAS BIBLIOGRÁFICAS o Tchobanoglous G. Ingeniería Sanitaria - Redes de alcantarillado y bombeo de aguas residuales. Editorial Labor, S.A. 1985. ISBN 84 335 6422 6 o Michael Ray Overcash and Dhiraj Ray. “Design of Land Treatment Systems for Industrial Wastes”. Míchigan: Ann Arborscience, 1979. o Cheremisinoff, N. P. and P. N. Cheremisinoff, Water Treatment and Waste Recovery: Advanced Technologies and Application, Prentice hall Publishers, New Jersey, 1993 o Instalaciones Sanitarias y de Gas Ingeniería Civil Facultad Regional Bahía Blanca UTN 2005. o Instalaciones Sanitarias en edificaciones, 2.ª edición, 1995 Enrique Jimeno Blasco. o Sistemas de Agua Fría, Desagüe e Instalaciones Sanitarias, F. Hall 1998 o MANUAL DE PROCEDIMIENTO DE LABORATORIO, Comisión Municipal de Agua Potable y Alcantarillado de Nuevo Laredo, Tamaulipas (COMAPA) – Q.F.B. Jorge A. Guzmán. Planta Tratadora de Aguas Residuales (PTAR), 2009 o MANUAL DE PRÁCTICAS DE LABORATORIO DE IMPACTO AMBIENTAL Y MANEJO DE AGUAS RESIDUALES, Facultad de Ingeniería de la UNAM o MANUAL DE PRÁCTICAS DE LABORATORIO DE SANITARIA, Facultad de Ingeniería de la UACH o Chang, Raymond – Química General, Séptima Edición, Mc Graw Hill, 2002
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ANEXOS ANEXO A. Nomenclatura de los compuestos, Química General de Raymond Chang. ANEXO B. Equipo Existente de Laboratorio de Ingeniería Sanitaria del Instituto Tecnológico de Nuevo Laredo ANEXO C. Fotografías de Actividades realizadas ANEXO D. Listado de las Normas Mexicanas con Vigencia, Normas NMX y CONAGUA. ANEXO E. Planos Arquitectónicos de las instalaciones y guía mecánica del equipamiento de laboratorio ANEXO F. Manuales de equipamiento
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EQUIPO EXISTENTE EN EL LABORATORIO DE INGENIERÍA SANITARIA HASTA LA FECHA (DICIEMBRE 2014): Refrigerador para Laboratorio marca ARCTIKO
Unidad de digestión tradicional Serie D6, Marca VELP SCIENTIFICA
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Balanzas analíticas de precisión electrónicas Marca CITIZON (cantidad: 2)
Centrífuga de laboratorio médica, escuelas y de investigación con velocidades hasta 4000 RPM modelo 2-6E marca SIGMA.
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Conductivímetro marca CONDUCTRONIC.
Medidor de turbidez in situ marca WTW modelo TURB 430 IR
Incubadora marca BINDER
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Extractor de Solventes SOXHLET marca VELP SCIENTIFICA
Mufla marca FELISA
Bomba de vacío marca VACUUBRAND modelo 1C
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Termo reactor modelo CR3200 marca WTW
Fotómetro “Photolab S6” marca WTW
Aparato para prueba de jarras marca PHIPPS&BIRD
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Destilador semi automático marca VELP SCIENTIFICA
Espectrofotómetro Lambda XLS marca PERKIN ELMER
Cromatógrafo de líquidos marca PERKIN ELMER
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