Indicadores comunes en el análisis de calidad del agua

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1. Indicadores de química orgánica: El oxígeno disuelto (abreviado como DO) se refiere al oxígeno en estado molecular (O2) que está disuelto en el agua, abreviado como DO. El contenido de oxígeno disuelto en el agua está relacionado con factores como la presión atmosférica, la temperatura del agua y su contenido en sales. La disminución de la presión atmosférica, el aumento de la temperatura del agua y el incremento de la salinidad pueden causar una disminución en el contenido de oxígeno disuelto. En los ríos que están limpios, el contenido de oxígeno disuelto puede acercarse al valor de saturación correspondiente a su temperatura. Cuando hay una gran proliferación de algas, el oxígeno disuelto puede volverse supersaturado. Cuando las aguas se contaminan con sustancias orgánicas o inorgánicas reductoras, el contenido de oxígeno disuelto disminuye, e incluso puede llegar a cero. En tales condiciones, las bacterias anaerobias se multiplican activamente, lo que provoca el empeoramiento de la calidad del agua. Cuando el oxígeno disuelto en el agua es inferior a 3–4 mg/L, muchos peces tienen dificultades para respirar y mueren por asfixia. El oxígeno disuelto es uno de los indicadores importantes que reflejan el estado de contaminación del agua. La demanda química de oxígeno (Chemical Oxygen Demand, abreviado como COD) se refiere a la cantidad de oxidante que se necesita para oxidar las sustancias reductoras presentes en el agua, utilizando como oxidantes el dicromato de potasio (K2Cr2O7) o el permanganato de potasio (KMnO4). El resultado se expresa en términos de cantidad de oxígeno, en mg/L. Las sustancias reductoras en el agua incluyen compuestos orgánicos y sustancias inorgánicas como sulfatos, sulfuros y sales de hierro(II). El consumo de oxígeno químico refleja el grado de contaminación del agua por sustancias reductoras. Dado que la contaminación de las masas de agua por sustancias orgánicas es un fenómeno muy común, este indicador también se utiliza como uno de los índices que reflejan el contenido relativo de sustancias orgánicas. Se emplea como parámetro de control en diversas normativas relacionadas con la calidad del agua. Nota: En las normas nacionales relativas a la calidad del agua superficial, emitidas en 1988, se establece que el valor de COD obtenido mediante el método del cromato de potasio ácido se denomina contenido químico de oxígeno demandado (abreviado como CODCr). Por su parte, el valor de COD obtenido mediante el método del permanganato de potasio se denomina índice de permanganatos (abreviado como CODMn). El índice de permanganato, o consumo de oxígeno (CODMn), es un indicador utilizado para medir el nivel de contaminación por sustancias orgánicas e inorgánicas oxidables en las aguas. Se define como: bajo ciertas condiciones, la oxidación de ciertos compuestos orgánicos y sustancias inorgánicas reductoras presentes en una muestra de agua, mediante el uso de permanganato de potasio. La cantidad de oxígeno equivalente se calcula a partir de la cantidad de permanganato de potasio consumido. Refleja la cantidad de sustancias inorgánicas y orgánicas en suspensión o disueltas en el agua que pueden ser oxidadas por el permanganato de potasio. El índice de permanganato también se ha utilizado en los análisis previos de calidad del agua; en este método, se emplea el permanganato de potasio, y a él también se le conoce como demanda química de oxígeno. Sin embargo, dado que este método permite que los compuestos orgánicos presentes en el agua se oxiden solo parcialmente, bajo ciertas condiciones, no representa la cantidad de oxígeno necesaria en teoría, ni sirve como indicador del contenido total de compuestos orgánicos en el agua. Por lo tanto, utilizar el índice de permanganato como indicador de la calidad del agua es más adecuado, ya que así se distingue del valor de demanda química de oxígeno obtenido con el método del dicromato de potasio. El CODcr suele ser de 2 a 5 veces mayor que el CODMn. Los datos que obtenemos en la práctica se encuentran, por lo general, dentro de este rango. La demanda bioquímica de oxígeno (BOD, por sus siglas en inglés) se refiere a la cantidad de oxígeno disuelto que son consumidos por los microorganismos aeróbicos durante el proceso de oxidación bioquímica de los compuestos orgánicos presentes en el agua, siempre y cuando haya oxígeno disuelto disponible. También incluye la cantidad de oxígeno consumido en la oxidación de sustancias inorgánicas reductoras como los sulfuros y el hierro ferroso, pero esta parte suele representar solo un porcentaje muy pequeño. La descomposición aeróbica de los compuestos orgánicos, bajo la acción de los microorganismos, se divide en general en dos etapas. 1) Etapa de oxidación de las sustancias carbonadas: en esta etapa, los compuestos orgánicos que contienen carbono se oxidan para convertirse en dióxido de carbono y agua. 2) Etapa de nitrificación: en esta etapa, los compuestos orgánicos que contienen nitrógeno se descomponen, bajo la acción de las bacterias nitrificantes, en nitratos y nitritos. Se produce de manera significativa aproximadamente después de 5 a 7 días. Por lo tanto, el método de cultivo de 5 días a 20°C que se utiliza actualmente para determinar el valor de BOD5 generalmente no incluye la fase de nitrificación. El BOD es un indicador integral que refleja el grado de contaminación de las aguas por sustancias orgánicas. También constituye un parámetro importante para estudiar la biodegradabilidad de las aguas residuales y la eficacia del tratamiento biológico. Además, se utiliza en el diseño de procesos de tratamiento biológico de aguas residuales y en los estudios relacionados con su dinámica. Fósforo total (abreviado como TP): El fósforo total es el principal indicador para controlar la eutrofización de los cuerpos de agua. Se refiere a la cantidad total de fósforo en todas sus formas que pueden ser oxidadas por sustancias fuertemente oxidantes presentes en el agua, convirtiéndose así en fosfatos. El fósforo es un elemento nutricional esencial para el crecimiento de las plantas, y también es indispensable para la vida. Si la concentración de fósforo en el agua supera la concentración crítica, esto estimulará el crecimiento de las plantas acuáticas, lo que provocará la aparición de “algas en exceso” y causará eutrofización del cuerpo de agua. El fósforo llega a los cuerpos de agua por varios medios, como las aguas residuales que contienen compuestos de fósforo, el escurrimiento superficial en las tierras agrícolas, y las granjas ganaderas, entre otros. En los últimos años, debido al uso de detergentes con fósforo y otras sustancias cotidianas que contienen fósforo, también ha aumentado la emisión de fósforo. El nitrógeno amónico (abreviado como NH3-N) se refiere al nitrógeno presente en el agua en forma de amoníaco libre NH3 (también conocido como amoníaco no iónico) y amonio iónico NH4+. En el caso del agua superficial, suele ser necesario determinar la amoníaco no iónico. La proporción entre ambos está determinada por el valor de pH del agua y su temperatura. Cuando el valor de pH es alto, la proporción de amoníaco libre es mayor; por el contrario, cuando el valor de pH es bajo, la proporción de sales de amonio es mayor. El nitrógeno amónico en el agua proviene principalmente de los productos de descomposición de los compuestos orgánicos nitrogenados presentes en las aguas residuales domésticas, de las aguas residuales industriales provenientes de procesos como la cocción del carbón o la síntesis de amoníaco, así como de las aguas de drenaje de los campos agrícolas. Cuando el contenido de nitrógeno amónico es elevado, tiene efectos tóxicos en los peces y también causa daños en el ser humano, en diferentes grados. Nitrógeno total (abreviado como TN): es la cantidad total de nitrógeno inorgánico y orgánico en forma de diferentes compuestos presentes en el agua. Incluye nitrógeno inorgánico como NO3-, NO2- y NH4+, así como nitrógeno orgánico como proteínas, aminoácidos y aminas orgánicas; se expresa en miligramos de nitrógeno por litro de agua. Se utiliza con frecuencia para indicar el grado de contaminación de los cuerpos de agua por nutrientes. El contenido total de nitrógeno en el agua es uno de los indicadores importantes para evaluar la calidad del agua. Su medición ayuda a evaluar el grado de contaminación del agua y su capacidad de autolimpieza. Cuando los niveles de nitrógeno y fósforo en las aguas superficiales son excesivos, los microorganismos se multiplican en gran cantidad y los plancton crece de forma exuberante, lo que provoca un estado de eutrofización. El Carbono Orgánico Total (Total Organic Carbon, abreviado como TOC) es un indicador que representa la cantidad total de materia orgánica presente en las aguas, expresada en términos de contenido de carbono. Dado que la medición del TOC se realiza mediante el método de combustión, es posible oxidar completamente los compuestos orgánicos. Por lo tanto, el TOC refleja mejor la cantidad total de compuestos orgánicos que el BOD5 o el COD. La Demanda Total de Oxígeno (Total Oxygen Demand, abreviado como TOD) se refiere a la cantidad de oxígeno necesaria para que las sustancias orgánicas presentes en el agua se oxiden durante su combustión. El resultado se expresa en mg/L de O2. El TOD solo puede reflejar la cantidad de oxígeno necesaria para que casi toda la materia orgánica se convierta, tras su combustión, en CO2, H2O, NO, SO2… Esto está más cerca del valor teórico de demanda de oxígeno que el BOD y el COD. 2. Indicadores de química inorgánica: Dureza. Inicialmente, la dureza se refería al grado de formación de espuma por parte del jabón en el agua. Actualmente, en el ámbito químico, el contenido de iones Ca y Mg en el agua se convierte en una cantidad equivalente de CaCO3, para así calcular el valor de dureza, que se expresa en mg/L. La dureza se puede expresar de diversas maneras: dureza total, dureza por calcio, dureza por magnesio, dureza por carbonatos (dureza temporal) y dureza no por carbonatos (dureza permanente). El valor de pH indica el grado de acidez o alcalinidad del agua. Se expresa mediante el logaritmo negativo de la actividad de los iones de hidrógeno en la solución: pH = -lgαH+. El valor de pH representa una propiedad fundamental del agua; permite controlar el grado de disociación de los ácidos y bases débiles presentes en ella, reduce la toxicidad de compuestos como los cloruros, el amoníaco y el sulfuro de hidrógeno, y evita la liberación de metales pesados presentes en el sedimento. Influye en los cambios en la calidad del agua, en la proliferación o disminución de la vida microbiana, en su corrosividad y en la eficacia del tratamiento del agua; por lo tanto, es un parámetro importante para evaluar la calidad del agua. El valor de pH del agua natural suele estar entre 6 y 9; el agua potable se encuentra en el rango de 6,5 a 8,5. En el caso de ciertas aguas industriales, su valor de pH debe mantenerse entre 7,0 y 8,5, a fin de evitar que los equipos y tuberías metálicos se corroan. La conductividad eléctrica del agua está relacionada con la cantidad de ácidos inorgánicos, álcalis y sales que contiene. Este indicador se utiliza con frecuencia para estimar la concentración total de iones o el contenido de sal en el agua. Los diferentes tipos de agua tienen diferentes conductividades eléctricas. Potencial de oxidación-reducción: El potencial de oxidación-reducción es el resultado global de las reacciones de oxidación-reducción que ocurren entre los diversos agentes oxidantes y reductores presentes en el agua. Aunque este indicador no puede servir como medida de la concentración de sustancias oxidantes y reductoras, nos ayuda a comprender las características electroquímicas del agua y a analizar sus propiedades; se trata, por lo tanto, de un indicador integral. El potencial de oxidación-reducción del cuerpo de agua debe determinarse in situ. 3. Indicadores de propiedades físicas: Turbididad. La turbidez representa el grado de obstáculo que presentan los sólidos en suspensión en el agua para la transmisión de la luz. Cuando el agua contiene partículas en suspensión como lodo, arcilla, materia orgánica, sustancias inorgánicas, plancton y microorganismos, esto puede causar la dispersión o absorción de la luz, lo que aumenta la turbidez. El grado de turbidez del agua está relacionado no solo con la cantidad de partículas presentes en ella, sino también con el tamaño y la forma de esas partículas, así como con las propiedades de dispersión de la luz en su superficie. El nivel de turbidez, por lo general, no permite determinar directamente el grado de contaminación del agua; sin embargo, un aumento en la turbidez indica que la calidad del agua está empeorando. La transparencia se refiere al grado de claridad de una muestra de agua; el agua limpia es transparente. La transparencia es lo opuesto a la turbidez: cuanto más partículas en suspensión y partículas coloidales haya en el agua, menor será su transparencia. Los métodos para determinar la transparencia son el método de las letras de imprenta, el método del disco de Saytzeff y el método en cruz, entre otros. Sólidos en suspensión (abreviados como SS): Los contaminantes sólidos presentes en el agua se encuentran principalmente en estado de suspensión, en estado coloidal o en estado disuelto. Los contaminantes sólidos en estado suspendido suelen denominarse sedimentos; se refieren a impurezas, materiales inorgánicos como el lodo, materia orgánica proveniente de organismos animales y vegetales, así como plancton. Sustancias sólidas en suspensión, que causan un empeoramiento en la apariencia del agua, un aumento en su turbidez y un cambio en su color. Los sedimentos se depositan en el fondo del río, obstruyendo sus cauces y perjudicando la reproducción de los organismos que viven en el fondo acuático. Esto afecta también a la producción pesquera. Cuando estos sedimentos se acumulan en los campos de cultivo regados, obstruyen los capilares del suelo, lo que afecta su permeabilidad y provoca su compactación, lo cual no es favorable para el crecimiento de los cultivos. 4. Indicadores de metales comunes: Cadmio (Cadmium) (Cd). El punto de fusión del cadmio es de 320,9 °C, mientras que su punto de ebullición es de 765 °C. Se trata de un metal muy maleable y blando, que se disuelve en ácidos diluidos. El cadmio es muy tóxico; puede acumularse en los tejidos del hígado, los riñones y otros órganos del cuerpo, lo que provoca daños en dichos tejidos. El daño a los riñones es el más evidente. Además, el cadmio puede causar osteoporosis y debilitamiento óseo, lo que a su vez genera dolor. La gran mayoría de las aguas dulces tienen un contenido de cadmio inferior a 1 μg/L. En la naturaleza, el cadmio se encuentra principalmente en forma de minerales como el sulfuro de cadmio; además, suele coexistir con minerales como el zinc, el plomo, el cobre y el manganeso. Por lo tanto, en estos procesos de refinación de metales se puede eliminar una gran cantidad de cadmio. Además, las aguas residuales provenientes de la industria de galvanoplastia, los colorantes, las baterías y la industria química también son fuentes importantes de contaminación por cadmio. El cromo (hexavalente) (Chromium) (Cr6+) es un metal sólido de color plateado brillante. Es resistente a la corrosión y al calor. Se trata de uno de los oligoelementos esenciales para el cuerpo humano. Las formas más comunes de los compuestos de cromo son las de valencia tres y seis. La toxicidad del cromo está relacionada con su estado de oxidación. El cromo metálico no es dañino, mientras que el cromo hexavalente es altamente tóxico; además, es un carcinógeno y se absorbe fácilmente por el cuerpo, donde se acumula. Se considera que la toxicidad del cromo hexavalente es 100 veces mayor que la del cromo trivalente. Los compuestos de cromo trivalente y cromo hexavalente pueden convertirse entre sí. Las principales fuentes de contaminación industrial por cromo provienen de las aguas residuales generadas en industrias como la procesamiento de minerales de cromo, el tratamiento de superficies metálicas, el curtido del cuero, la impresión y teñido, y los materiales fotográficos. El cromo es un indicador importante para el control de la contaminación del agua. El cobre (Copper) (símbolo químico: Cu) es un metal ductil y fácil de trabajar. Además, es un buen conductor del calor y de la electricidad. El cobre es un oligoelemento esencial para el cuerpo humano. La falta de cobre puede causar anemia, diarrea y otras enfermedades. Pero una ingesta excesiva de cobre también puede ser perjudicial. El cobre representa un gran peligro para los organismos acuáticos. Las ostras, en aguas contaminadas con iones de cobre, pueden acumular grandes cantidades de este metal en su organismo. Se han registrado casos de ostras verdes en la bahía de Yanagawa, en Japón, y en el río Erin, en Taiwán. La toxicidad del cobre para los organismos acuáticos está relacionada con su forma; la toxicidad de los iones de cobre libres es mucho mayor que la de los compuestos de cobre. Las principales fuentes de contaminación por cobre son las aguas residuales que se generan en sectores como la galvanoplastia, la fundición, el procesamiento de productos metálicos, la extracción minera, la industria petroquímica y la industria química. El hierro (símbolo químico: Fe) es uno de los oligoelementos presentes en las aguas naturales. Su contenido en el agua depende de las condiciones geológicas de la región, así como de otros componentes químicos presentes en esa agua. Los iones de hierro bivalentes y trivalentes son las formas básicas del hierro en el medio acuático. El hierro divalente se encuentra en cuerpos de agua donde hay escasez de oxígeno disuelto, o en las profundidades de lagos con fondo anaeróbico. Cuando el nivel de oxígeno disuelto aumenta o cuando se encuentran sustancias oxidantes, el hierro divalente se oxida rápidamente a iones de hierro trivalente. Estos iones se precipitan en el fondo del agua, ya sea en forma de óxido de hierro hidróxido o junto con otros aniones. De hecho, los óxidos de hierro trivalente son insolubles. Si hay hidrógeno sulfuroso en el sedimento, se forma sulfuro de hierro(II), lo que da como resultado la aparición de sustancias inorgánicas de color negro. El hierro es un elemento traza indispensable para las plantas y los animales. En algunas aguas, el hierro puede ser un factor que limita el crecimiento de las algas y otras plantas. En la sangre de los vertebrados y algunos invertebrados, el hierro desempeña un papel fundamental en la transportación de oxígeno. El hierro no tiene efectos toxicológicos en la salud humana; solo afecta el uso del agua. El hierro afecta notablemente el sabor del agua potable y puede manchar la ropa al lavarla. El zinc (Zn) es un metal ampliamente utilizado en la vida cotidiana. Su punto de fusión es de 419,5 °C, y es soluble en ácidos y álcalis concentrados. A menudo se combina con sulfuros de otros metales, en particular los sulfuros de plomo, cobre, cadmio y hierro. El zinc es un elemento esencial para el cuerpo humano, pero tiene un impacto considerable en los peces y otros organismos acuáticos. La concentración segura de zinc para los peces es de aproximadamente 0,1 mg/L. Además, el zinc tiene un efecto inhibidor en el proceso de autolimpieza de las masas de agua. Sus principales fuentes de contaminación son las aguas residuales provenientes de los sectores de galvanoplastia, metalurgia, pigmentos y química. El selenio (Selenium, Se) en las aguas se encuentra en forma de selenito o selenato. La concentración natural de selenio en las aguas es directamente proporcional a la cantidad de selenio presente en el suelo. El selenio es un elemento esencial para el cuerpo humano, pero su consumo excesivo también puede causar intoxicación. El selenio metálico tiene baja toxicidad, mientras que el selenio en estado divalente es muy tóxico. Por lo general, se absorbe a través del intestino y se acumula en el hígado y los riñones. Sus fuentes de contaminación son principalmente las aguas residuales provenientes de la minería, la fundición de metales y las fábricas que producen productos a base de selenio. Metales pesados: Químicamente, los metales se dividen en metales pesados y metales ligeros según su densidad. Por lo general, se consideran metales pesados aquellos cuya densidad es superior a 4,5 g/cm³. Por ejemplo: oro, plata, cobre, plomo, zinc, níquel, cobalto, cromo, mercurio, cadmio, etc., unas 45 especies en total. Algunos de los metales pesados presentes en las aguas son elementos esenciales y traza que son necesarios para la salud humana, mientras que otros son perjudiciales para ella, como el mercurio, el cadmio, el cromo, el plomo, el cobre, el zinc, el níquel, el bario, el vanadio y el arsénico. En las aguas superficiales contaminadas y en las aguas residuales industriales, la concentración de compuestos metálicos dañinos suele aumentar significativamente. Cuando los metales dañinos ingresan al cuerpo, hacen que algunas enzimas pierdan su actividad, lo que provoca síntomas de intoxicación de diversa gravedad. El grado de toxicidad depende del tipo de metal, de sus propiedades físico-químicas, de su concentración, así como del estado de oxidación y de la forma en que se encuentra. Por ejemplo, el mercurio, el cadmio, el cromo (en su forma hexavalente), el plomo y sus compuestos son metales dañinos que tienen efectos a largo plazo en la salud humana. Los compuestos orgánicos de metales como el mercurio, el plomo y el arsénico son mucho más tóxicos que sus compuestos inorgánicos correspondientes. Los metales solubles son más tóxicos que los metales en estado de partículas. El cromo hexavalente es más tóxico que el cromo trivalente, entre otros.