ANALISIS DE AGUA

Análisis del agua

• El agua.

• -- Abundancia.

• -- Acuíferos.

• -- Agua del mar.

• Características físico-químicas de las aguas.

• Parámetros de control.

• -- Parámetros físicos.

• -- Parámetros químicos.

• Control de calidad.

• -- Muestreo.

– -- Conservación de muestras.

– -- Selección de los parámetros de control.

– -- Elección de métodos analíticos.

– -- Valoración de resultados.

• El agua

• El agua es un líquido anómalo porque

• es una mezcla de 18 compuestos posibles derivados de los tres isótopos que presenta cada uno de los átomos que componen su molécula, H2O.

• su calor específico es elevado.

• tiene mayor densidad en estado líquido que en estado sólido.

• desde el punto de vista químico debería ser un gas a temperatura ambiente.

• Además, tiene

– elevada conductividad térmica

– fuerte poder ionizante

– elevada constante dieléctrica (aislante)

– gran poder disolvente

• la propiedad de producir la disociación electrolítica y la hidrólisis.

• Es la única sustancia que se encuentra sobre la Tierra en los tres estados.

• Es el componente mayoritario de los seres vivos en los que juega un papel fundamental.

Las propiedades anteriores, unidas a su abundancia y distribución, hacen del agua el compuesto más importante de la superficie terrestre.

Otros datos de interés del agua

• Es un compuesto esencial para la vida. Se utiliza en la alimentación de los seres vivos, en la agricultura, en la industria, etc.

• Es el medio en el que se producen la mayoría de las reacciones físicas, químicas y bioquímicas que son fundamentales para la vida.

• El volumen de agua presente en los seres humanos depende de la edad y del tipo de tejido. El contenido promedio está en torno al 65%.

• El principal factor de riesgo para numerosas intoxicaciones e infecciones es el intercambio fisiológico del agua, siempre que ésta se encuentre alterada en sus parámetros físicos, químicos o biológicos mediante contaminación.

Dependiendo del uso que se vaya a hacer, es de máximo interés controlar analíticamente la calidad del agua.

• Abundancia

El volumen total de agua del planeta equivale a 1400 millones de km3.

El 90% no es utilizable por los seres vivos por estar combinada en la litosfera.

El 10% restante se distribuye así:

• 97.6% en los océanos

• 1.9% en los casquetes polares y glaciares

• 0.5% como agua dulce, la mayor parte (94% en los acuíferos). Por tanto, sólo el 0.03% son aguas superficiales libres en la corteza terrestre.

Cerca de 12000 km3 de agua, la mayor parte en forma de vapor, se encuentra en cualquier momento en la atmósfera.

Cada día se evaporan o transpiran 1120 km3 de agua dentro de la atmósfera.

Las aguas subterráneas representan el 0,47 % de los recursos totales. Los acuíferos aportan el 30% del caudal de los ríos, mientras que los embalses sólo regulan el 15% de los caudales.

• Acuíferos

Existen dos tipos de acuíferos subterráneos:

• acuíferos libres: cubiertos por terrenos permeables en los que existen fisuras y los niveles que contienen pueden variar en función de la capacidad de recarga, principalmente a través de la superficie. Son mejores reguladores de las variaciones en las precipitaciones.

• acuíferos cautivos: cubiertos por terrenos casi impermeables en los que el agua se encuentra cautiva o presurizada, en cantidades poco variables. Son considerados como minas de agua y su regeneración requiere cientos de años.

• El agua del mar

El agua de mar constituye el 97.6 % de los recursos de agua pero su uso está muy restringido para la actividad humana dada su elevada concentración en sales: 3.5%. Los porcentajes de los compuestos más abundantes son

• 2.7% de cloruro sódico

• 0.3% de cloruro magnésico

• 0.2% de sulfato magnésico

• 0.1% de sulfato cálcico

• 0.2% de otras sales.

ausencia de sales de potasio

• Características físico-químicas de las aguas

Las aguas naturales, al estar en contacto con diferentes agentes (aire, suelo, vegetación, subsuelo, etc.), incorporan parte de los mismos por disolución o arrastre.

Esto hace que las aguas dulces presenten un elevado número de sustancias en su composición química natural.

Entre los compuestos más comunes que se pueden encontrar en las aguas dulces están:

• como constituyentes mayoritarios: los carbonatos, bicarbonatos, sulfatos, cloruros y nitratos.

• como constituyentes minoritarios: los fosfatos y silicatos, metales como elementos traza y gases disueltos como oxígeno, nitrógeno y dióxido de carbono.

El agua de lluvia presenta

• los cationes: Na+, K+, Ca2+, Mg2+

• los aniones: HCO3−, Cl−, Br−, I−, SO42−, NO3−, PO43−

• y dióxido de carbono, oxígeno, ozono, nitrógeno, argón, etc.

• Alteración de la composición química

La composición química natural de las aguas puede verse alterada por actividades humanas: agrícolas, ganaderas e industriales, etc., incorporando sustancias de diferente naturaleza a través de vertidos de aguas residuales o debido al paso de las aguas por terrenos tratados con productos agroquímicos o contaminados.

Estas incorporaciones ocasionan la degradación de la calidad del agua provocando diferentes efectos negativos como

• la modificación de los ecosistemas acuáticos

• la destrucción de los recursos hidráulicos

• riesgos para la salud

• incremento del coste del tratamiento del agua para su uso

• daño en instalaciones (incrustaciones, corrosiones, etc.)

• destrucción de zonas de recreo.

Las aguas contaminadas presentan diversos compuestos en función de su procedencia: pesticidas, tensoactivos, fenoles, aceites y grasas, metales pesados, etc.

La composición específica de un agua determinada influye en propiedades físicas tales como densidad, tensión de vapor, viscosidad, conductividad, etc.

• Parámetros de control

Las aguas naturales presentan unas características que han sido compatibles con la vida vegetal y animal a lo largo de los siglos. La progresiva contaminación ha cambiado sustancialmente sus propiedades.

Las filtraciones, los vertidos y la contaminación atmosférica han dado lugar a que, a veces, el agua natural no sea agua potable. Esto ha originado la necesidad de utilizar parámetros de control.

Estos parámetros dependen de la procedencia del agua y de su uso (consumo humano, uso industrial, vertidos, etc.) y se pueden agrupar de la siguiente manera: físicos, químicos, biológicos y gases disueltos.

• Físicos

• Color

• Olor

• Turbidez

• Sólidos en suspensión

• Temperatura

• Densidad

• Sólidos

• Conductividad

• Radioactividad

• Químicos

• pH

• Materia Orgánica (Carbono orgánico total ,COT)

• DBO

• DQO

• Nutrientes

• Nitrógeno y compuestos derivados (amoníaco, nitratos, nitritos, etc.)

• Fósforo y compuestos derivados (fosfatos)

• Aceites y grasas

• Hidrocarburos

• Detergentes

• Cloro y cloruros

• Fluoruros

• Sulfatos y sulfuros

• Fenoles

• Cianuros

• Haloformos

• Metales

• Pesticidas

• Biológicos

• Coliformes totales y fecales

• Estreptococos fecales

• Salmonellas

• Enterovirus

• Gases disueltos

• Oxígeno

• Nitrógeno

• Dióxido de carbono

• Metano

• Ácido sulfhídrico

• Parámetros físicos (I)

• Color

Es el resultado de la presencia de materiales de origen vegetal tales como ácidos húmicos, turba, plancton, y de ciertos metales como hierro, manganeso, cobre y cromo, disueltos o en suspensión.

Constituye un aspecto importante en términos de consideraciones estéticas.

Los efectos del color en la vida acuática se centran en la disminución de la transparencia, que provoca un efecto barrera a la luz solar, traducido en la reducción de los procesos fotosintéticos.

• Olor

Es debido a cloro, fenoles, ácido sulfhídrico, etc.

La percepción del olor no constituye una medida, sino una apreciación y tiene, por tanto, un carácter subjetivo.

El olor raramente es indicativo de la presencia de sustancias peligrosas en el agua, pero sí puede indicar la existencia de una elevada actividad biológica. Por ello, en el caso de aguas potable, no debería apreciarse olor alguno, no sólo en el momento de tomar la muestra sino a posteriori (10 días en recipiente cerrado y a 20ºC).

• Parámetros físicos (II)

• Turbidez

Es una medida de la dispersión de la luz por el agua por la presencia de materiales suspendidos coloidales y/o particulados.

La materia suspendida puede indicar un cambio en la calidad del agua y/o la presencia de sustancias inorgánicas finamente divididas o de materiales orgánicos.

La turbidez es un factor ambiental importante ya que la actividad fotosintética depende en gran medida de la penetración de la luz.

La turbidez interfiere con los usos recreativos y el aspecto estético del agua.

La turbidez constituye un obstáculo para la eficacia de los tratamientos de desinfección.

La transparencia del agua es muy importante en las de aguas potables y en el caso de industrias que producen materiales destinados al consumo humano.

• Sólidos en suspensión

Comprenden a todas aquellas sustancias que están suspendidas en el seno del agua y no decantan de forma natural.

• Parámetros físicos (III)

• Temperatura

La temperatura de las aguas residuales es importante a causa de sus efectos sobre la solubilidad del oxígeno y, en consecuencia, sobre la velocidad en el metabolismo, difusión y reacciones químicas y bioquímicas.

El empleo de agua para refrigeración (por ejemplo en las centrales nucleares) conlleva un efecto de calentamiento sobre el medio receptor que se denomina contaminación térmica.

Temperaturas elevadas implican la aceleración de la putrefacción, con lo que aumenta la DBO y disminuye el oxígeno disuelto.

• Densidad

Las medidas de densidad son necesarias en aguas de alta salinidad para convertir medidas de volumen en peso.

Es práctica común medir volumétricamente la cantidad de muestra usada para un análisis y expresar los resultados como peso/volumen (por ejemplo, mg/L). Aunque ppm y mg/L sólo son medidas idénticas cuando la densidad de la muestra es 1, para muchas muestras se acepta el pequeño error que se introduce al considerar que 1 ppm es 1 mg/L.

• Parámetros físicos (IV)

• Sólidos

Se denominan así a todos aquellos elementos o compuestos presentes en el agua que no son agua ni gases. Atendiendo a esta definición se pueden clasificar en disueltos y en suspensión. En cada uno de ellos, a su vez, se pueden diferenciar los sólidos volátiles y los no volátiles.

La medida de sólidos totales disueltos (TDS) es un índice de la cantidad de sustancias disueltas en el agua que proporciona una indicación de la calidad química. Analíticamente se define como residuo filtrable total (en mg/L).

El término sólidos en suspensión describe a la materia orgánica e inorgánica particulada existente en el agua. Su presencia participa en el desarrollo de la turbidez y el color del agua, mientras que la de sólidos disueltos determina la salinidad del medio, y en consecuencia la conductividad del mismo.

• Conductividad

Es la medida de la capacidad del agua para transportar la corriente eléctrica y permite conocer la concentración de especies iónicas presentes en ella.

La contribución de cada especie iónica a la conductividad es diferente por lo que su medida da un valor que no está relacionado con el número total de iones en solución. Depende también de la temperatura.

Está relacionada con el residuo fijo por la expresión

conductividad (S/cm) x f = residuo fijo (mg/L)

El valor de f varía entre 0.55 y 0.9.

• Parámetros físicos (V)

• Radiactividad

La contaminación radiactiva se origina por los radioelementos naturales (uranio, torio y actinio) y sus productos de descomposición, procedentes tanto de fuentes naturales, como por las actividades humanas: pruebas de armamento nuclear, operaciones relacionadas con la obtención de energía atómica, extracción de minerales, generación de energía, usos industriales o en medicina, etc.

La mayoría de los compuestos radioactivos tienen muy baja solubilidad en agua y son adsorbidos en las superficies de las partículas, por lo que los niveles de radiactividad en aguas naturales son normalmente bajos.

Las aguas superficiales presentan unas concentraciones más bajas que las aguas subterráneas.

• Parámetros químicos (I)

• pH

Se define como

pH = log 1/[H+] = −log [H+]

Su medida tiene amplia aplicación en el campo de las aguas naturales y residuales. Es una propiedad que afecta a muchas reacciones químicas y biológicas.

El valor del pH compatible con la vida piscícola está comprendido entre 5 y 9. Para la mayoría de las especies acuáticas, la zona de pH favorable se sitúa entre 6.0 y 7.2. Fuera de este rango no es posible la vida como consecuencia de la desnaturalización de las proteínas.

La alcalinidad es la suma total de los componentes en el agua que tienden a elevar el pH (bases fuertes y sales de bases fuertes y ácidos débiles).

La acidez es la suma de componentes que implican un descenso de pH (dióxido de carbono, ácidos minerales, ácidos poco disociados, sales de ácidos fuertes y bases débiles).

Ambas, controlan la capacidad de tamponamiento del agua (para neutralizar variaciones de pH provocadas por la adición de ácidos o bases).

El principal sistema regulador del pH en aguas naturales es el sistema carbonato (dióxido de carbono, ion bicarbonato y ácido carbónico).

• Parámetros químicos (II)

• Materia orgánica

La materia orgánica existente en el agua, tanto la disuelta como la particulada, se valora mediante el parámetro carbono orgánico total (TOC, total organic carbon).

Los compuestos orgánicos existentes en el medio acuático se pueden clasificar atendiendo a su biodegradabilidad (posibilidad de ser utilizados por microorganismos como fuente de alimentación) y para su medida se utilizan los parámetros DQO y DBO.

• Demanda química de oxígeno DQO

Es la cantidad de oxígeno consumido por los cuerpos reductores presentes en el agua sin la intervención de los organismos vivos. Efectúa la determinación del contenido total de materia orgánica oxidable, sea biodegradable o no.

• Demanda bioquímica de oxígeno DBO

Permite determinar la materia orgánica biodegradable. Es la cantidad de oxígeno necesaria para descomponer la materia orgánica por la acción bioquímica aerobia.

Esta transformación biológica precisa un tiempo superior a los 20 días, por lo que se ha aceptado, como norma, realizar una incubación durante 5 días, a 20ºC, en la oscuridad y fuera del contacto del aire, a un pH de 7-7.5 y en presencia de nutrientes y oligoelementos que permitan el crecimiento de los microorganismos. A este parámetro se le denomina DBO5.

• Parámetros químicos (III)

• Nutrientes

Los nutrientes promueven respuestas biológicas como el florecimiento del plancton y un excesivo desarrollo de ciertas algas que pueden impedir el empleo del agua con algunos fines.

Los más importantes son los compuestos de nitrógeno y fósforo, contaminantes comunes en residuos industriales y municipales y en las aguas de lavado de campos.

• Nitrógeno y derivados

Las formas inorgánicas del nitrógeno incluyen nitratos (NO3−) y nitritos (NO2−), amoníaco (NH3) y nitrógeno molecular (N2).

El amoníaco es un gas incoloro a presión y temperatura ambiente altamente soluble en agua. Cuando se disuelve en agua se forman iones amonio (NH4+), estableciéndose un equilibrio químico entre ambas formas.

La presencia de nitratos proviene de la disolución de rocas y minerales, de la descomposición de materias vegetales y animales y de efluentes industriales. También hay contaminación proveniente de su uso como abonos y fertilizante.

En aguas residuales, su presencia es mínima debido al estado reductor de este medio. En depuradoras de aguas residuales la producción de NO3− debe tenerse en cuenta pues se convierte en factor limitante del crecimiento en sistemas hídricos en presencia de fósforo: eutrofización.

El nitrógeno Kjeldahl (NTK) mide la cantidad de nitrógeno amoniacal y de nitrógeno orgánico. Indica el contenido proteínico del agua.

• Fósforo y derivados

El fósforo elemental no se encuentra habitualmente en el medio natural, pero los ortofosfatos, pirofosfatos, metafosfatos, polifosfatos y fosfatos orgánicamente unidos sí se detectan en aguas naturales y residuales.

Se le considera un macronutriente esencial, siendo acumulado por una gran variedad de organismos vivos.

• Parámetros químicos (IV)

• Aceites y grasas

En este grupo se incluyen los aceites y las grasas que se encuentren en estado libre, ya sean de origen animal, vegetal o mineral (fundamentalmente, los derivados del petróleo).

La mayoría de estos productos son insolubles en el agua, pero pueden existir en forma emulsionada o saponificada.

• Hidrocarburos

Bajo esta denominación se encuentran agrupados una serie de compuestos cuya característica común es presentar en su estructura átomos de carbono y de hidrógeno.

Se pueden diferenciar dos grupos: los hidrocarburos derivados del petróleo y los hidrocarburos aromáticos policíclicos (PAHs). Estos últimos son cancerígenos.

• Detergentes

Son las sustancias que poseen unas importantes propiedades limpiadoras.

Son productos complejos constituidos por uno o varios agentes surfactantes y compuestos minerales asociados a materias orgánicas mejorantes, a enzimas y a secuestrantes.

Los más característicos son los surfactantes, productos químicos orgánicos que reducen la tensión superficial del agua.

• Parámetros químicos (V)

• Cloro y cloruros

El cloro elemental es un gas amarillo-verdoso altamente soluble en agua que dismuta hidrolizándose a ácido hipocloroso (HOCl) y ácido clorhídrico (HCl). A su vez, el ácido clorhídrico se disocia a iones hidrógeno y cloruro, mientras que el ácido hipocloroso, que es un ácido débil, se disocia parcialmente en iones hidrógeno e iones hipoclorito (OCl−). Las proporciones relativas de Cl2, HOCl y OCl− en equilibrio (cloro libre disponible) se encuentran controladas por el pH, la temperatura y la fuerza iónica.

El cloro en agua reacciona fácilmente con las sustancias nitrogenadas para producir compuestos clorados (cloro disponible combinado).

El cloro que permanece en agua después de un tratamiento se denomina cloro residual. El conjunto de cloro libre y cloro combinado se nombra como cloro residual total (TRC, total residual chlorine). La medida de TRC se considera suficiente para definir las toxicidad sobre los organismos acuáticos de agua dulce.

El ión cloruro se encuentra ampliamente distribuido en forma de cloruro sódico, potásico o cálcico. El gran inconveniente es el sabor desagradable que comunica al agua. Es también susceptible de ocasionar corrosión en las canalizaciones y en los depósitos.

• Fluoruros

La mayoría de los fluoruros asociados con cationes monovalentes son solubles en agua y los formados con cationes divalentes son insolubles normalmente.

• Parámetros químicos (VI)

• Sulfatos

El ión sulfato (SO42−), muy soluble en agua, es la forma oxidada estable del azufre. Los sulfatos de plomo, bario y estroncio son insolubles.

El sulfato disuelto puede:

a) ser reducido a sulfito y volatilizado a la atmósfera como H2S

b) precipitado como sales insolubles

c) incorporado a organismos vivos.

Los sulfatos, en condiciones anaeróbicas, son fuente de oxígeno para las bacterias, convirtiéndose en H2S.

Se pueden producir por oxidación bacteriana de los compuestos azufrados reducidos.

• Cianuros

Como cianuros se incluyen una serie de diversos compuestos orgánicos caracterizados por el grupo −C≡N. Los gérmenes aerobios responsables de la depuración y los peces son sensibles a un contenido de 0.1 mg/L de HCN.

• Parámetros químicos (VII)

• Fenoles

Los compuestos fenólicos afectan a las especies piscícolas de diversas formas: por toxicidad directa tanto a los peces como a los organismos que les sirven como alimento y por disminución de la cantidad de oxígeno disponible por la elevada demanda de oxígeno de estos compuestos.

• Haloformos

Son derivados orgánicos de los halógenos (F, C1, Br, I). Los más abundantes en el agua son los trihalometanos, el tetracloruro de carbono y el dicloroetano.

• Parámetros químicos (VIII)

• Metales

Compuestos constituidos por los diferentes elementos metálicos.

Sus características dependen, entre otros factores, del metal que esté incorporado.

Desde la perspectiva de los potenciales efectos perjudiciales que puedan generar los metales más importantes son mercurio y cadmio.

El mercurio puede formar numerosas especies, unas bastante solubles y otras muy insolubles. La concentración de mercurio en medios acuosos es relativamente pequeña pero de una elevada toxicidad potencial como consecuencia de los procesos de bioacumulación.

El cadmio se encuentra en las aguas como ion divalente, formando compuestos orgánicos e inorgánicos, principalmente cloruros y carbonatos.

Los carbonatos, sulfuros, e hidróxidos presentan una baja solubilidad en agua.

La solubilidad del ion cadmio disminuye con el incremento de pH (se favorece la formación del hidróxido).

El cadmio presenta una toxicidad elevada con efecto acumulativo.

• Parámetros químicos (IX)

• Pesticidas

Según sus usos, se clasifican en insecticidas, fungicidas, herbicidas, acaricidas, nematocidas, rodenticidas, etc.

También pueden clasificarse atendiendo a sus características químicas: se usan sustancias minerales como azufre, sulfato de cobre, arseniato de plomo y, sobre todo, compuestos orgánicos clorados como son los insecticidas (DDT, lindano, aldrín, dieldrín, etc.) y los herbicidas derivados de fenoxiácidos.

Hay también ésteres fosforados (insecticidas: paratión, malatión, etc) y compuestos orgánicos u organometálicos, cuyas moléculas llevan incorporadas grupos funcionales muy variados: derivados de la urea, de las triacinas, carbamatos y ditiocarbamatos, etc.

En el medio acuático, la toxicidad de los pesticidas varía en función de su naturaleza y según las especies y su estado de desarrollo (huevo, alevín, adulto).

Para los peces, los insecticidas clorados son 100 veces más tóxicos que los derivados organofosforados. Los herbicidas son mucho menos tóxicos que los insecticidas (2000 a 3000 veces menos).

Los pesticidas fosforados son mucho más tóxicos para el hombre y los mamíferos que los pesticidas clorados.

• Parámetros químicos (X)

• Oxígeno disuelto

Es necesario para la vida de los peces y otros organismos acuáticos. El oxígeno es moderadamente soluble en agua. Su solubilidad depende de la temperatura, salinidad, turbulencia del agua y presión atmosférica

La solubilidad disminuye cuando aumenta la temperatura y la salinidad y cuando disminuye la presión atmosférica.

La solubilidad del oxígeno atmosférico en aguas dulces, a saturación y al nivel del mar, oscila aproximadamente entre 15 mg/L a 0ºC y 8 mg/L a 25ºC.

• Control de calidad

El control de la calidad de las aguas incluye

• la problemática del muestreo (número de muestras, frecuencia, lugares de muestreo)

• la conservación de las muestras

• la selección de los parámetros de control

• la elección de los métodos analíticos

• el control de calidad de los análisis.

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