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Contaminación de suelos y aguas subterráneas

Contaminación de suelos y aguas subterráneas

Causas y fuentes de la contaminación de las aguas subterráneas

La contaminación que afecta a las aguas subterráneas normalmente se produce por infiltración a través del suelo, que hace que, generalmente, el estudio del análisis sea conjunto del sistema agua subterránea-suelo, así como las alternativas de remediación o descontaminación.

Básicamente, se han de analizar los siguientes aspectos:

  1. El foco de contaminación.
  2. El mecanismo de infiltración.
  3. El tipo de contaminante.

El foco puede ser puntual o difuso. Los contaminantes se pueden introducir en el agua subterránea por actividades naturales, como la lixiviación natural del suelo, y mezclarse con otras fuentes de agua subterránea. También pueden introducirse por actividades humanas, como eliminación de residuos, explotación minera o actividades agrícolas.

En general, la contaminación debida a actividades naturales es pequeña, sin embargo, las actividades humanas son la causa principal de contaminación del agua subterránea.

Mecanismos de contaminación

Los mecanismos pueden ser varios. Puede ser que se dé por acceso directo del contaminante al acuífero o capas profundas del suelo, mediante pozos, o bien por sumideros o un acceso difuso, a través de una infiltración del contaminante en el suelo.

El primer caso es más problemático inicialmente, puesto que afecta de forma mucho más rápida y completa a las aguas subterráneas, pero más fácil de solucionar, pues la solución puede consistir en impedir el acceso del contaminante a las aguas subterráneas en muchas ocasiones.

La infiltración, en cambio, puede implicar menor grado de contaminación de las aguas, debido a que el suelo puede atenuar el efecto, pero implica que el suelo quede afectado, prolongando la contaminación en el espacio y en el tiempo.

Las actividades humanas más frecuentes que causan la contaminación del agua subterránea son:

  1. Eliminación de residuos.
  2. Almacenamiento y transporte de materias comerciales.
  3. Actividades de explotación minera.
  4. Actividades agrícolas.

En nuestro caso, nos interesa el almacenamiento y el transporte de materiales comerciales. La contaminación del agua subterránea, debido al almacenaje y el transporte de materiales comerciales, resulta de escapes de tanques de almacenamiento y de derrames.

Los tanques de almacenamiento subterráneos y los tanques sobre tierra y las tuberías de transporte son las causas más frecuentes de la contaminación del agua subterránea. Se ha de destacar, sobre todo, los tanques y las tuberías de almacenamiento de gasolina, depósitos de gasóleo, así como los depósitos domésticos, que contribuyen de forma importante a la contaminación del agua subterránea.

En ocasiones, estos tanques y tuberías están sometidos a la corrosión ambiental y a faltas estructurales, lo que provoca escapes que introducen una variedad de contaminantes en el agua. Las fugas son particularmente frecuentes en tanques de acero no protegidos contra la corrosión. Incluso si la fuga es pequeña, puede plantear una amenaza significativa a la calidad del agua subterránea

La gasolina y derivados del petróleo tienen una serie de componentes, como benceno, tolueno y xileno, altamente solubles y móviles en aguas subterráneas, e incluso pueden ser peligrosos para los seres humanos vía consumo de agua. Como dato, un litro de gasolina es capaz de inhabilitar como potable un millón de litros de agua subterránea. Los vapores y los componentes inmiscibles atrapados en los espacios porosos de la zona no saturada continúan alimentando el agua subterránea con los contaminantes retenidos.

Otro mecanismo de contaminación de las aguas pueden ser los derrames y las descargas en tierra que pueden migrar hacia el suelo y contaminar. Estos derrames y descargas varían en función de los emplazamientos industriales, como escapes de tuberías y válvulas, a los accidentes de tanques y a camiones. Los compuestos descargados son arrastrados por las aguas de lluvia y transportados hacia el suelo, donde alcanzan el agua subterránea y empobrecen su calidad.

En cuanto a los tipos de contaminantes, es fundamental conocerlos para definir las posibilidades de remediación o de descontaminación. Podemos encontrar los siguientes:

  1. Partículas en suspensión, que suelen ser poco problemáticas, debido a que suelen ser filtradas por el suelo o por el subsuelo. Pero, en el caso de infiltraciones directas a acuíferos, pueden ser un problema.
  2. Compuestos solubles, tanto aniónicos como catiónicos, que pueden ser captados por los mecanismos naturales del suelo (por coloides que los adsorban). Unos pueden ser más problemáticos que otros; por ejemplo, los metales pesados. Generalmente, una de las soluciones más adecuadas es el del tratamiento de las aguas contaminadas.
  3. Otros contaminantes fisicoquímicos, en general, como acidez, alcalinidad, condiciones redox diferentes... La infiltración por el suelo suele mitigar el problema.
  4. LNAPLs, es decir, líquidos inmiscibles en el agua y de menor densidad. Suelen ser hidrocarburos derivados del petróleo que no tienden a infiltrarse en presencia del agua, ya que flotan sobre ella.
  5. DNAPLs, líquidos inmiscibles con el agua y de mayor densidad que esta, de naturaleza diversa. Son un problema serio por la persistencia y la capacidad de migración y filtración en el subsuelo, siendo los más representativos los disolventes clorados.

En el campo, en general, los LNAPLs tienen concentraciones inferiores a sus solubilidades en agua. Esto se debe, además de la transferencia de masas a escala local, a las siguientes razones:

  1. Contacto irregular entre el agua advectiva y el líquido inmiscible, con el flujo de agua alrededor de fases muy saturadas de LNAPLs con baja permeabilidad relativa.
  2. El líquido inmiscible está en zonas de más baja permeabilidad en las que la disolución solamente ocurre en su periferia, dando concentraciones en agua inferiores a las de su equilibrio de disolución.
  3. Dilución en zonas fuente discretas, sin contaminantes a su alrededor.
  4. Presencia de multicomponentes, que pueden ser múltiples en origen o transformarse.
  5. Tasa de dilución. Si la fracción molar de un componente en la mezcla de LNAPLs es pequeña, la velocidad puede limitarse por difusión hacia la fase acuosa del mismo, lejos de la interfase LNAPL-agua. Por otro lado, un componente muy hidrofóbico podría difundirse hacia la interfase. En aguas subterráneas, se disuelven los componentes más solubles y su concentración en la mezcla de LNAPLs disminuye, de forma que se limita su tasa de transferencia de masas. Igualmente, al decrecer la concentración de una mezcla y ser menos ideal, su coeficiente de actividad puede aumentar, como su solubilidad en equilibrio, contrarrestando la limitación de velocidad.

Otros factores que influyen pueden ser la localización concreta (proximidad de poblaciones, proximidad a cuencas hidrográficas…), así como la clase y las propiedades de los suelos afectados, que pueden influir de forma decisiva e importante en la evolución de la contaminación y condicionar la aplicación concreta de una técnica de descontaminación u otra.

A partir de aquí, lo primero que se ha de hacer para definir las posibles formas de remediación o descontaminación es concretar cómo será la distribución geométrica de los contaminantes.

Pueden ser de tres tipos básicamente:

  1. Distribución generalizada: la contaminación afecta más o menos por igual a todo un acuífero o todo un suelo. Suele ser consecuencia de una contaminación difusa o directa, y se corresponde generalmente a sales en disolución, con un potencial alto de difusión.
  2. Distribución puntual: afectando solamente a un área de extensión limitada; suele estar constituida por contaminantes químicos o un líquido inmiscible con agua, de escasa capacidad de infiltración, ya sea por sus características propias, por la naturaleza del terreno o por su escaso volumen.
  3. Plumas: suelen ser la derivación de una contaminación puntual, cuando persiste durante largos periodos de tiempo o está constituida por un volumen importante de contaminantes.

Causas y fuentes de contaminación de los suelos

El suelo es un recurso natural no renovable en una escala de tiempo humana y, por lo tanto, debemos mantenerlo y conservarlo, lo que implica la necesidad de adaptarlo a diversos usos, como agricultura, bosque, suelo urbano, industria, etc., e intentar tender hacia un modelo sostenible de gestión de ese recurso natural de manera ordenada y controlada.

A diferencia de otros vectores, como el agua y el aire, con estándares de calidad bien definidos, el caso del suelo es diferente, ya que los criterios pueden variar según el uso al que se destinen, las prácticas de manejo o las prioridades socioeconómicas.

Una de las posibles definiciones de la calidad de un suelo es su capacidad para mantener su productividad biológica, su calidad ambiental, además de la salud de los animales, las plantas y el hombre, pero no deja de ser complicado estudiar propiedades muy diversas para establecer parámetros de calidad, desde propiedades físicas, químicas, biológicas y bioquímicas.

Algunos de los parámetros de calidad de un suelo pueden ser:

  1. Físicos: textura del suelo, densidad aparente e infiltración, capacidad de retención del agua, humedad y temperatura.
  2. Químicos: pH, conductividad eléctrica, carbono orgánico total (COT), fracciones de carbono hábiles, etc.
  3. Bioquímicos y biológicos: carbono de biomasa microbiana, respiración del suelo, actividades enzimáticas, Adenosín 5-trifosfato (ATP).

En general, se considera que un suelo está contaminado cuando ha superado su capacidad de amortiguación para una o varias sustancias. En este momento, pasa de actuar como un sistema protector a ser causa de problemas de contaminación para el agua, la atmósfera y los organismos. A su vez, se modifican sus equilibrios biogeoquímicos y aparecen cantidades anómalas de determinados componentes que causan cambios en sus propiedades físicas, químicas o biológicas.

Hechos muy comunes inciden negativamente en la calidad de los suelos, como la degradación derivados de la agricultura y otros factores ambientales. Pero no solamente estos procesos afectan a la calidad de los suelos, sino su contaminación por compuestos no deseables tiene implicaciones importantes en la calidad del suelo contaminado, por lo que estos procesos han de ser controlados y estudiados.

Así, por ejemplo, las transformaciones necesarias para producir la degradación biológica de un determinado compuesto pueden implicar cambios simples (oxidaciones, reducciones, pérdida de grupos funcionales de moléculas orgánicas) o más complejas, con cambios secuenciales hasta eliminar totalmente el contaminante, en un proceso denominado mineralización. Cuando dicha mineralización es aeróbica, se forma dióxido de carbono y agua y biomasa adicional. Si es anaeróbica, se obtiene biogás, como el metano o ácidos orgánicos y otros compuestos de degradación.

También se han de considerar los posibles efectos negativos sobre el suelo cuando se incorporan esos contaminantes, que serán más permanentes y perjudiciales si estos contaminantes son más persistentes, afectando a los microorganismos y a su actividad.

Además de estos procesos biológicos, otros procesos, como la adsorción o el transporte, determinan la persistencia de contaminantes orgánicos en los suelos y, en definitiva, contribuyen a una menor o mayor exposición de estos contaminantes hacia los seres vivos, por lo que cuanto más tiempo permanezca un contaminante en un suelo, más patentes se hacen sus efectos sobre la calidad y mayor probabilidad de ejercer efectos tóxicos sobre los organismos vivos y, por lo tanto, mayor será su riesgo.

Mecanismos y focos de contaminación

Dada la amplia variedad de contaminantes, se estudiará un caso concreto, el petróleo, con un amplio espectro de hidrocarburos.  El petróleo está constituido por hidrocarburos fundamentalmente, con moléculas cuyo tamaño varía desde 1 a 50 o más átomos de carbono tetravalentes y átomos de hidrógeno monovalentes, comprendiendo gran variedad de estructuras moleculares.

La composición química del petróleo y derivados es muy compleja, de diferentes orígenes, con mayor o menor porcentaje de hidrocarburos ligeros o pesados, desde hidrocarburos parafínicos, nafténicos, aromáticos y sus combinaciones, a los que hay que añadir un buen número de compuestos sulfurados, nitrogenados, oxigenados y organometálicos.

Cualquier contaminante orgánico que se deposita en el suelo sigue unas pautas de distribución en función de sus características físicas y químicas, además de las propiedades propias del suelo y de factores climatológicos. Los efectos que el contaminante puede causar en el suelo también dependen de dichas características, dando lugar al tamaño y distribución del frente de contaminación creado en una zona.

Los compuestos orgánicos, como gasolinas, gasóleos y aceites, tienden a formar una capa en forma de nata en el nivel freático y se mueven horizontalmente en la dirección del flujo del agua subterránea. En cambio, los compuestos orgánicos más densos migran hacia la base del acuífero, creando una columna a partir de la cual pueden moverse con la dirección del flujo de agua subterránea, contaminando así el acuífero en toda su profundidad.

Los componentes volátiles vertidos en el suelo se pueden evaporar a la atmósfera si la contaminación se produce en la superficie, pero si la pérdida es bajo el nivel del suelo, los más móviles pueden migrar a través del suelo hasta el nivel freático y de aguas subterráneas. Los componentes de mayor peso molecular suelen ser insolubles e inmiscibles, con lo cual su migración a través del suelo es lenta y pueden permanecer o quedar cerca de la superficie, dependiendo de la estructura del propio suelo. Si los componentes no miscibles con agua migran a través del suelo y alcanzan el nivel freático, formarán una capa en la superficie del agua y se extenderán por encima del agua de nivel freático.

Los efectos tóxicos de los hidrocarburos dependerán de la cantidad y composición propia del petróleo o su derivado, de la frecuencia y tiempo de exposición, del estado físico del derrame, de las características del sitio donde ha ocurrido el derrame y de variables ambientales −como temperatura, humedad, oxígeno, sensibilidad de la biota específica del suelo contaminado…−.

Probablemente, el componente más importante del suelo con respecto a la persistencia de sustancias tóxicas del contaminante es la arcilla. Cuanto menor el tamaño de las partículas que aportan una gran área superficial para la adsorción de contaminantes, mayor es la persistencia de dicho contaminante.

Las propiedades químicas más afectadas por un derrame de hidrocarburos son, por un lado, el aumento del carbono orgánico (el 75% de los hidrocarburos son carbono, el cual es oxidable); por otro lado, la disminución del pH, debido al carbono orgánico y a la formación de ácidos orgánicos. Además, hay un aumento del manganeso y del hierro intercambiable, y un aumento del fósforo disponible.

Además de las propiedades físicas y químicas, también se da una alteración de las propiedades biológicas. En primer lugar, cambia el hábitat para los microorganismos, con lo cual se distorsionan los ciclos de elementos naturales en el suelo.

Por otro lado, los hidrocarburos destruyen vegetación, debido a la toxicidad y a los procesos de biodegradación en el suelo, que pueden llegar a generar zonas anóxicas (ausencia de oxígeno) en las raíces. La carencia de oxígeno provoca la producción de sulfuro de hidrógeno, muy tóxico para la mayoría de raíces de plantas y de árboles grandes bien establecidos.

Mencionar, como otro ejemplo de contaminación, las filtraciones y fugas de gas natural, de conducciones subterráneas o antiguos vertederos de residuos, que causan efectos perjudiciales similares sobre la vegetación. En este caso, las condiciones anóxicas se producen por dos causas, por el desplazamiento físico por parte del gas del aire del suelo por la actividad de bacterias capaces de oxidar los alcanos gaseosos, como el metano.

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