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See discussions, stats, and author profiles for this publication at: https://www.researchgate.net/publication/370489969 CONTRIBUCIÓN AL ESTUDIO DE LA INGENIERÍA AMBIENTAL Book · May 2023 CITATIONS 0 READS 181 1 author: Carlos Menéndez Gutiérrez Universidad Tecnológica de la Habana, José Antonio Echeverría 48 PUBLICATIONS 110 CITATIONS SEE PROFILE All content following this page was uploaded by Carlos Menéndez Gutiérrez on 03 May 2023. The user has requested enhancement of the downloaded file. https://www.researchgate.net/publication/370489969_CONTRIBUCION_AL_ESTUDIO_DE_LA_INGENIERIA_AMBIENTAL?enrichId=rgreq-437fd76d911412baba9a2dfb538885e2-XXX&enrichSource=Y292ZXJQYWdlOzM3MDQ4OTk2OTtBUzoxMTQzMTI4MTE1NTI4NTQ3MEAxNjgzMTI1MjM3NTA3&el=1_x_2&_esc=publicationCoverPdf https://www.researchgate.net/publication/370489969_CONTRIBUCION_AL_ESTUDIO_DE_LA_INGENIERIA_AMBIENTAL?enrichId=rgreq-437fd76d911412baba9a2dfb538885e2-XXX&enrichSource=Y292ZXJQYWdlOzM3MDQ4OTk2OTtBUzoxMTQzMTI4MTE1NTI4NTQ3MEAxNjgzMTI1MjM3NTA3&el=1_x_3&_esc=publicationCoverPdf https://www.researchgate.net/?enrichId=rgreq-437fd76d911412baba9a2dfb538885e2-XXX&enrichSource=Y292ZXJQYWdlOzM3MDQ4OTk2OTtBUzoxMTQzMTI4MTE1NTI4NTQ3MEAxNjgzMTI1MjM3NTA3&el=1_x_1&_esc=publicationCoverPdf https://www.researchgate.net/profile/Carlos-Menendez-Gutierrez?enrichId=rgreq-437fd76d911412baba9a2dfb538885e2-XXX&enrichSource=Y292ZXJQYWdlOzM3MDQ4OTk2OTtBUzoxMTQzMTI4MTE1NTI4NTQ3MEAxNjgzMTI1MjM3NTA3&el=1_x_4&_esc=publicationCoverPdf https://www.researchgate.net/profile/Carlos-Menendez-Gutierrez?enrichId=rgreq-437fd76d911412baba9a2dfb538885e2-XXX&enrichSource=Y292ZXJQYWdlOzM3MDQ4OTk2OTtBUzoxMTQzMTI4MTE1NTI4NTQ3MEAxNjgzMTI1MjM3NTA3&el=1_x_5&_esc=publicationCoverPdf https://www.researchgate.net/institution/Universidad_Tecnologica_de_la_Habana_Jose_Antonio_Echeverria?enrichId=rgreq-437fd76d911412baba9a2dfb538885e2-XXX&enrichSource=Y292ZXJQYWdlOzM3MDQ4OTk2OTtBUzoxMTQzMTI4MTE1NTI4NTQ3MEAxNjgzMTI1MjM3NTA3&el=1_x_6&_esc=publicationCoverPdf https://www.researchgate.net/profile/Carlos-Menendez-Gutierrez?enrichId=rgreq-437fd76d911412baba9a2dfb538885e2-XXX&enrichSource=Y292ZXJQYWdlOzM3MDQ4OTk2OTtBUzoxMTQzMTI4MTE1NTI4NTQ3MEAxNjgzMTI1MjM3NTA3&el=1_x_7&_esc=publicationCoverPdf https://www.researchgate.net/profile/Carlos-Menendez-Gutierrez?enrichId=rgreq-437fd76d911412baba9a2dfb538885e2-XXX&enrichSource=Y292ZXJQYWdlOzM3MDQ4OTk2OTtBUzoxMTQzMTI4MTE1NTI4NTQ3MEAxNjgzMTI1MjM3NTA3&el=1_x_10&_esc=publicationCoverPdf UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DE LA HABANA JOSÉ ANTONIO ECHEVERRÍA CENTRO DE ESTUDIO DE INGENIERÍA DE PROCESOS Dr.C. Carlos L. Menéndez Gutiérrez CONTRIBUCIÓN AL ESTUDIO DE LA INGENIERÍA AMBIENTAL 1 ÍNDICE Contenido Página INTRODUCCIÓN 2 EL MEDIOAMBIENTE 2 ECOSISTEMA 6 LA FUENTE PRIMARIA DE ENERGÍA 7 CICLOS BIOGEOQUÍMICOS 12 Ciclo del nitrógeno Ciclo del agua Ciclo del carbono Ciclo del fósforo LA ATMÓSFERA Y PROCESOS ASOCIADOS 17 Efecto invernadero. Calentamiento global Inversión térmica en la atmósfera terrestre El ozono en la atmósfera Lluvia ácida CONTAMINACIÓN E INDICADORES 29 Estrategias de prevención de la contaminación El agua y su disponibilidad RESIDUOS Y EMISIONES 34 Indicadores de la contaminación de las aguas residuales de naturaleza orgánica Demanda bioquímica de oxígeno (DBO) y Demanda química de oxígeno (DQO El nitrógeno en las aguas El fósforo (P) en las aguas Carga y concentración. Población equivalente Residuos sólidos urbanos Incidencia negativa sobre el medioambiente de los RSU. Aguas residuales municipales Recolección y tratamiento de aguas residuales Emisiones de gases LA INGENIERÍA AMBIENTAL 47 BIBLIOGRAFÍA 48 “Monografías Cujae 2023” Febrero 2023 2 INTRODUCCIÓN Cuando se habla del tema medioambiental se manifiestan enfoques y valoraciones que difieren en función del interlocutor. Términos tales como peligro, riesgo, contaminación y sostenibilidad, entre otros, requieren ser conceptualizados en dependencia del contexto en el que son aplicados, porque las percepciones y los significados pueden ser diferentes cuando estas expresiones son empleadas por políticos, científicos, filósofos, ambientalistas y población en general. El tema no es nuevo. Lo que le confiere novedad al problema del medioambiente es la dimensión que ha adquirido en los últimos 50 años como consecuencia del carácter globalizador de muchos de sus efectos y la irreversibilidad de algunos de ellos, que generalmente se expresan en términos como daño, peligro, contaminación o degradación . Hasta época muy reciente los efectos negativos que sobre el entorno tenía la actividad humana poseían consecuencias locales en cuanto a su extensión. Estos efectos cada día han ido adquiriendo mayor dimensión, como los daños ocasionados a la capa de ozono estratosférico que protege al planeta, el calentamiento progresivo y la pérdida de la biodiversidad entre otros. Esta monografía que se pone a disposición de los lectores tiene el objetivo de ofrecer una breve introducción al estudio de la Ingeniería Ambiental, brindando una visión imprescindible de aspectos básicos generales de los ciclos en los que se mueven en la naturaleza los principales recursos naturales de los que se dispone,. También se aborda el tema de la atmósfera desde el punto de vista de los procesos asociados a la misma. Por último se tratan temas relacionados con la contaminación de origen antropogénico y formas más comunes de afrontarla de manera tal que se minimice su impacto negativo sobre el medio. EL MEDIOAMBIENTE Saber cómo proteger el medioambiente presupone conocer: qué es el medioambiente de qué debe ser protegido cómo actúan los elementos agresores 3 Las respuestas a estas preguntas pueden no ser sencillas y no obtenerse sino después de un período de maduración de algunos de los conceptos implicados como es el propio de medioambiente, ecosistema, y biosfera, entre otros. No se intentará resolver el problema de cómo abordar la protección del medio, sino que, tal como fue expresado anteriormente, se presentarán determinadas consideraciones que sirvan de introducción a temas asociados a la ingeniería ambiental. La primera Conferencia Mundial sobre medioambiente tuvo lugar en Estocolmo, Suecia, en 1972. Entre los principales resultados de la Conferencia de Estocolmo cabe destacar, por su positivo impacto posterior, la creación del Programa de las Naciones Unidas para el Medioambiente (PNUMA). La Conferencia de Estocolmo definió el medioambiente como “el conjunto de componentes físicos, químicos, biológicos y sociales capaces de causar efectos directos o indirectos, en un plazo corto o largo, sobre los seres vivos y las actividades humanas”. Una lectura crítica de la definición anterior se destaca que la misma sitúa separadamente los diferentes componentes del medioambiente declarados, ubicando la actividad humana como ente ajeno y pasivo. Si bien el concepto de medioambiente está en evolución y no está completamente definido ni se ha precisado con exactitud todo lo que concierne, una definición que lo presenta como elemento activo, vivo y en desarrollo, puede considerarlo como “el conjunto de factores físicos, químicos, biológicos, económicos y sociales que en determinada interacción confieren seguridad, bienestar y salud a los seres vivos”. El medioambiente es siempre, desde el punto de vista ecológico, el sistema entorno de un sujeto ambiental y del que forma parte el propio sujeto. De esta última afirmación se derivan dos conclusiones importantes: Primera: Sin vida no hay sujeto ambiental. Por tanto no tendría sentido el medioambiente ni carga ni la protección ambiental. Sin vida sólo hay estados físicos y cambios de materia inanimada y energía. En relacióncon la carga y protección, ningún estado o acontecimiento cósmico tendría valor para los mundos sin vida. Segunda: La circunscripción del medioambiente a la frontera que se le defina, depende de aquello que se designe como sujeto ambiental; un único ser vivo, una comunidad limitada regionalmente, un grupo de especies, la humanidad toda. .El concepto de medioambiente está íntimamente relacionado con el de desarrollo sostenible, que se encuentra en constante evolución, manifestándose diferentes matices del concepto entre economistas y ambientalistas. El concepto de desarrollo sostenible acompaña hoy discursos políticos y es hasta explotado y vulgarizado .por https://www.unep.org/es https://www.unep.org/es 4 firmas comerciales y áreas de expansión turística, de manera tal que puede llegar a perder su verdadera dimensión y significado. Un progreso en la evolución del concepto de desarrollo sostenible lo constituyó el resultado de la Comisión Brundtland que elaboró en 1987, para someterlo a debate posterior, el documento recogido bajo el nombre de “Nuestro Futuro Común” o “Informe Brundtland”. Este documento logró una importante socialización del concepto a escala mundial, examinando diversas problemáticas relacionadas con el medioambiente y el desarrollo. Veinte años después de “Nuestro Futuro Común”, la Cumbre de la Tierra sobre Medioambiente y Desarrollo de Río de Janeiro de 1992, constituyó un hito importante que cuestionó la efectividad del modelo de desarrollo basado principalmente en el crecimiento económico. Transcurridos otros veinte años, la Conferencia de Río+20 dejó en evidencia que los avances en términos globales todavía habían sido poco significativos para revertir los procesos que ya se vislumbraban como insostenibles. Por ello quedó ratificada la necesidad de seguir trabajando por reforzar los compromisos contraídos en Río 92 por el desarrollo sostenible, según aparece reflejado en el documento “El Futuro que Queremos”. Con anterioridad, la Comisión Mundial sobre el Medioambiente y Desarrollo (CMMAD 1991), brindó una definición de desarrollo sostenible aceptada de manera bastante generalizada, y que establece que el desarrollo sostenible es aquel que “satisface las necesidades del presente sin comprometer la capacidad de las generaciones futuras para satisfacer sus propias necesidades”. Actualmente hay otras múltiples interpretaciones del concepto de desarrollo sostenible. Algunas, con criterios sesgados, le atribuyen tres dimensiones: la ambiental, la económica y la social. La evolución en el tiempo de este concepto ha inducido la necesidad de considerar nuevos componentes o dimensiones que sin dudas enriquecen tanto el concepto como el propio análisis de la visión de la sostenibilidad del desarrollo. Así pueden ser considerados, entre otros, los componentes institucional, político, cultural, ético, jurídico y productivo, dándole al concepto de desarrollo sostenible un enfoque más integral y multidimensional, que se encuentra en constante evolución desde la primera vez que fue formulado. En fecha más reciente, 2015, quedó aprobado por la Asamblea General de las Naciones Unidas la Agenda 2030 donde se declaran 17 Objetivos de Desarrollo 5 Sostenible (ODS) cuyo cumplimiento se medirá hasta el 2030 , aunque no se brinda una definición del concepto. Por otra parte, el concepto de medioambiente está íntimamente relacionado con otros, tales como ecosistema, recursos naturales, hábitat y ecología. Todo medioambiente está inscrito en un ecosistema y por tanto sujeto a las leyes del mismo ECOSISTEMA Un ecosistema es una comunidad de seres vivos en un espacio vital. Es un complejo dinámico de comunidades vegetales, animales, microorganismos y materia no viva, en interacción mutua como unidad funcional. El ecosistema caracteriza las relaciones interactivas en las cuales se encuentran los seres vivos de una región geográfica y su entorno. Todo ser vivo tiene un entorno, en el cuál la biosfera le ofrece determinadas condiciones de vida. Estas están constituidas en primer lugar por la naturaleza inanimada, y en segundo término, por los seres vivos vecinos y su comportamiento como naturaleza animada. En época relativamente reciente, la aparición y el propio desarrollo de la especie humana, propició la capacidad de ir más allá del marco del ecosistema natural. Esta nueva especie tiende a modificar el entorno conforme a sus propios fines, dando lugar a un componente adicional en el medioambiente, el medioambiente artificial de la civilización. Los recursos para el medioambiente artificial, son tomados del espacio vital natural, y los resultados están principalmente dirigidos a valores humanos mientras que el medioambiente natural generalmente solo recibe efectos secundarios negativos. La civilización comprende todo aquello que el género humano crea o establece para la satisfacción de sus necesidades de subsistencia, y otras creadas, incluyendo las asociadas a sus relaciones sociales. Los efectos ambientales más graves de la civilización proceden del ámbito que se resume bajo el concepto de producción técnica. Hoy día el medioambiente artificial es un componente inevitable de todo medioambiente, y puesto que se ha extendido tanto, apenas quedan regiones en las cuáles el entorno de otros seres vivos no esté afectado por los componentes de la civilización humana. Otro aspecto importante a destacar es que la problemática ambiental presenta dos componentes: el ecológico y el social. 6 Componente ecológico de la problemática ambiental El componente ecológico es cuantitativo. El medioambiente natural posee límites hasta los que admite carga en una determinada medida sin que el ecosistema deje de ser lo que es, sin que pierda su equilibrio. Esta carga surge: por acontecimientos astrofísicos y geofísicos que ocurren desde hace 2 mil millones de años por daños que se provocan los seres vivos mutuamente por el medioambiente artificial Cabe destacar la diferencia entre la carga básica de la civilización y la carga básica de las técnicas productivas. La primera de ellas es consecuencia del empleo de un recurso o producto. Por otro lado, la carga básica de las técnicas productivas es causada por la condición indispensable para la utilización de un producto, que es su elaboración. La elaboración de un producto técnico origina cargas contaminantes ambientales. Dado que el ser humano necesita para su existencia de la biosfera y un ecosistema estable, debe velar por que este sistema no pierda el equilibrio por los efectos de la civilización. En esto radica el aspecto ecológico de la problemática ambiental. Componente social de la problemática ambiental El componente social del problema ambiental surge como consecuencia del conflicto que se crea entre las pretensiones del hombre y las condiciones del ambiente. Aun cuando el ser humano posee una verdadera conciencia de lo que tiene derecho o no de ocasionar como descarga ambiental, no siempre está en absoluta libertad de decisión. Muchas metas y propósitos pueden resultar irreconciliables dentro del extenso y diverso conjunto de pretensiones: una intensa urbanización y un aire puro; empleo de detergentes y aguas limpias; un alto nivel de industrialización y pocos desechos. Se requiere por tanto un consenso social sobre lo que debe pedirse al hombre como sacrificio para no sacrificar en demasía al resto de la sociedad. LA FUENTE PRIMARIA DE ENERGÍA La fuente inicial de energía del Planeta es el Sol. Las plantas verdes toman la energía solar durante la fotosíntesis y la almacenan como energía química para su 7 uso posterior por la propia planta o por cualquier otro organismo que la consuma. Figura 1.Figura 1. Fuente primaria de energía. Movimiento de energía y nutrientes Los organismos vivos pueden ser clasificados en productores, consumidores y descomponedores o desintegradores a partir de su contribución al equilibrio del ecosistema al que pertenecen. Estos últimos, que son fundamentalmente bacterias y hongos, obtienen su energía de productos de desechos y organismos vivos del ecosistema, y al hacerlo realizan el valioso servicio de transformar moléculas orgánicas complejas en simples formas inorgánicas que son re-usadas por los productores. Los productores como las plantas verdes, pueden producir compuestos orgánicos a partir de sustancias inorgánicas sencillas mediante la fotosíntesis. Son por lo tanto, organismos autótrofos. Los organismos consumidores son heterótrofos. Se identifica más de un nivel de organismo heterótrofo: Un primer nivel, segundo nivel, y otros, dependiendo del lugar que ocupa en la cadena alimentaria. Los consumidores primarios son herbívoros al alimentarse de plantas para obtener energía- Los secundarios, carnívoros se alimentan de los primarios, y así sucesivamente. Podría haber algunos consumidores terciarios, también carnívoros, que consumen y se alimentan de los consumidores secundarios. Esta secuencia de relaciones de alimentación es denominada cadena de alimentación y cada nivel recibe el nombre de nivel trófico. Durante el paso de un 8 nivel trófico a otro hay pérdidas de energía en forma de calor, por lo que la cadena de alimentación rara vez posee más de 4 ó 5 niveles. En la figura 1, en la que se muestra el movimiento de energía y nutrientes (N, P, S, etc.) a través del ecosistema, hay dos aspectos que deben ser enfatizados: Los nutrientes se mueven a través del ecosistema de forma cíclica. Muchos de los más importantes nutrientes se mueven en un ciclo biogeoquímico. El flujo de energía a través del ecosistema no es cíclico. La energía tiene que ser suministrada en forma continua para mantener el sistema en operación. Algunas de las muchas maneras en las que el hombre puede afectar los procesos balanceados de los ecosistemas se esquematizan en la figura 2. Figura 2. Influencia de la acción del hombre sobre el movimiento de energía y nutrientes a través del ecosistema En relación a la figura 2 se destaca: La contaminación del aire daña las plantas y reduce la cantidad de luz solar que llega a ellas. La combustión de combustibles fósiles aumenta el CO2 atmosférico e incrementa la fotosíntesis. La entrada de desechos en el ecosistema acuático incrementa la actividad de los descomponedores y sobrecarga el ecosistema. El tratamiento de residuales en plantas convencionales y la descarga de los efluentes en el ecosistema acuático incrementan el pozo de nutrientes y puede dar origen a un crecimiento excesivo de productores. CARNÍVOROS CAZA DEPREDADORA AGUAS RESIDUALES PRODUCTORES HERVÍBOROS SOL HERBICIDAS COSECHAS PESTICIDAS POZO DE NUTRIENTES S DESCOMPONEDORES EROSIÓN ESCURRIMIENTO DE NUTRIENTES RESIDUAL TRATADO 9 El empleo de pesticidas y herbicidas también puede alterar el ciclo de nutrientes en un ecosistema. Cada especie o población actúa bajo condiciones ambientales determinadas por el hábitat y la interacción y presencia de otras especies como, por ejemplo, la abundancia o escasez de recursos, la forma de alimentarse, competir, cazar, protegerse de los depredadores, adaptación, etc. determinando así un nicho ecológico específico. La cadena alimentaria y la estabilidad de las poblaciones Para una comprensión adecuada de los problemas de la ecología es necesario abordar el tema relativo a la cadena alimentaria, aspecto que podría parecer sencillo, pero en la realidad de la naturaleza las cosas no son tan simples como pudiera parecer a primera vista. Una cadena alimentaria es la transferencia de energía alimenticia a través de una sucesión de organismos que producen y consumen, y que a su vez son consumidos por otros. Una simple cadena alimentaria de 4 niveles se muestra en la figura 3. Figura 3. Esquema de cadena alimentaria simple. Cada enlace o vínculo de una cadena alimentaria se interconecta con muchas otras y éstas a su vez con otras, de forma tal que se origina un conjunto complejo de relaciones de alimentación. Las cadenas alimentarias pueden entrelazarse y constituir las redes alimentarias. La estabilidad de una red alimentaria está relacionada con su complejidad. Las redes de alimentación complejas tienden a ser estables, esto es, el número de individuos de cada población tiende a permanecer aproximadamente constante. Por 10 el contrario, pequeñas alteraciones en redes de alimentación simples, pueden causar grandes fluctuaciones en el tamaño de las poblaciones cuyas especies pueden llevarse inclusive a la extinción. Considerando el caso sencillo de una cadena de alimentación constituida por 2 especies solamente se tiene que: Si la población de A comienza a disminuir, puede esperarse que B también disminuya. En la medida que esto último ocurre, hay menos depredación y A tiende a aumentar de nuevo. Como el alimento ahora es más abundante, B comienza a aumentar tal vez hasta el punto donde A de nuevo comienza a disminuir. Como se aprecia, se produce una variación en la poblaciones que puede ser cíclica. Considerando un caso relativamente más complejo que el anterior: Para este esquema, si la población de A decrece, C puede obtener su alimentación de B mientras que A se recupera, sin grandes daños al balance del ecosistema, o viceversa. Este concepto de relacionar la estabilidad de la población con la complejidad de la red alimentaria tiene una gran importancia para el hombre. Por ejemplo: El ecosistema agrícola puede ser extremadamente simple y por tanto, vulnerable. Si no es administrado cuidadosamente, una plantación puede ser destruida por una plaga. En la medida que el hombre depende de un cultivo más diversificado, estará menos sujeto a una afectación de este tipo. Un estudio más detenido de las distintas especies que intervienen en una cadena alimentaria revelará sin dudas que esa cadena trófica es realmente una hipótesis de trabajo y que, a lo sumo, expresa un tipo predominante de relación entre varias A B presa depredador A B C 11 especies de un mismo ecosistema. Lo cierto es que cada uno de los eslabones mantiene a su vez relaciones con otras especies pertenecientes a cadenas distintas. Más que una cadena es realmente toda una red. CICLOS BIOGEOQUÍMICOS El sistema terrestre y sus ciclos biogeoquímicos fueron relativamente estables desde el final de la última edad de hielo hasta el aumento significativo y continuo de la población y actividad humana después de la Revolución Industrial de los siglos XVIII y XIX. En la actualidad las actividades antropogénicas están alterando aceleradamente todos los ecosistemas principales y los ciclos biogeoquímicos que impulsan. Muchos elementos químicos y moléculas son críticos para la vida en el Planeta, pero el ciclo biogeoquímico del carbono, el agua y el nitrógeno son los más críticos para el bienestar humano y el mundo natural. Aunque la relación de elementos químicos que necesita cada organismo para mantener la vida puede ser extensa, los 6 elementos más importantes, por constituir el 97 % del protoplasma celular de todo ser vivo, son N, C, H, O, P, S. Es posible seguir el movimiento cíclico de estos elementos a través de la biosfera, y al hacerlo, mucho puede aprenderse acerca de las interdependencias que existen entre ellos. En los ciclos usualmente están involucrados sistemas químicos, biológicos y geológicos, por lo que estos ciclosreciben el nombre de biogeoquímicos. Aunque todos los ciclos participan en los fenómenos que ocurren en la naturaleza, no hay dudas que los más importantes para la vida son el del carbono, nitrógeno y el agua. Ciclo del nitrógeno El nitrógeno desempeña una función sumamente importante en los problemas ambientales. Como nutriente es esencial, debido a que constituye un componente fundamental de la materia orgánica y muy particularmente de la proteína. El nitrógeno constituye el 79 % del aire puro en una forma que no puede ser utilizado por las plantas. Parte del nitrógeno que se introduce en las plantas es fijado de la atmósfera por bacterias fijadoras de nitrógeno que existen en las raíces de algunas leguminosas. Estas bacterias fijan el nitrógeno atmosférico mediante su oxidación a nitrato, que es a su vez, asimilado por las plantas. Este es un ejemplo típico de mutualismo, en el que las bacterias y plantas viven juntas de su ventaja mutua, ya 12 que las bacterias reciben energía de la planta en forma de carbohidratos y la planta recibe una fuente de nitrógeno. Figura 4. Figura 4. Ilustración del ciclo del nitrógeno Como en muchas plantas la fuente de nitrógeno no es la atmósfera, tienen que tomarlo del suelo. Sin embargo, las cosechas constantes pueden agotar el suelo a menos que se les incorpore nutrientes, que para el nitrógeno, se hace en forma de nitrato por algún medio que bien pudiera ser la rotación de los cultivos. Las bacterias fijadoras de nitrógeno asociadas a las legumbres proveen un medio natural de mantener la fertilidad del suelo sin el uso de fertilizantes sintéticos, sin embargo, al crecer la población humana, el hombre se hace cada vez más dependiente de la fertilización mediante nitrato que a su vez puede ser, paradógicamente, una fuente de contaminación del agua. Afortunadamente hoy se acude a medios de fertilización más naturales que enriquecen el suelo sin impactarlo negativamente. El nitrato y el nitrógeno amoniacal pueden ser tomados por las plantas y utilizados en la síntesis de proteína. Los productos de descomposición y excreta de los miembros de la cadena alimentaria dan lugar a la formación de nitrógeno amoniacal debido a la acción de bacterias y hongos. El nitrógeno vuelve a la atmósfera por la acción de las bacterias desnitrificantes. Aunque no se aprecia en el esquema del ciclo, el hombre fija el nitrógeno atmosférico mediante la aplicación de fertilizantes sintéticos. En la actualidad a nivel mundial hay mayor fijación de nitrógeno por esta última vía que la que ocurre por la vía natural, y las consecuencias que sobre la biosfera tiene esta acción no son totalmente conocidas. 13 Cabe por tanto destacar que la práctica agrícola que prevalece más comúnmente no sólo tiende al desbalance del ecosistema basado en la tierra donde los cultivos crecen y remueven los nutrientes durante la cosecha, sino además del ecosistema acuático, donde los residuos de alimentos normalmente lo alteran, inclusive quizás después de pasar por una estación de tratamiento de residuales. El ecosistema acuático se sobrecarga con nutrientes del suelo pudiendo dar lugar a un crecimiento indeseable de algas. Ciclo del agua La masa total de agua en el Planeta es constante. Hoy existe la misma cantidad de agua que la existente en sus orígenes, y se mantiene así como consecuencia de un conjunto de procesos que ocurren de manera secuencial y simultánea. La secuencia de estos procesos se reconoce como ciclo del agua. Lo que cambia a lo largo de las distintas etapas del ciclo del agua en diferentes momentos es la forma en la que se encuentra. Figura 5. Se asume que cuando se formó la Tierra, hace aproximadamente cuatro mil quinientos millones de años, ya tenía en su interior vapor de agua. El magma, cargado de gases con vapor de agua, puede haber emergido a la superficie como consecuencia de las constantes erupciones volcánicas. Luego la Tierra se enfrió, el vapor de agua se condensó y cayó nuevamente al suelo en forma de lluvia. Los océanos, los ríos, las nubes y las precipitaciones están en constante cambio: el agua de la superficie se evapora, la contenida en las nubes precipita, la lluvia percola por la tierra, etc. Figura 5. Esquema del ciclo del agua en la naturaleza. 14 El ciclo del agua comienza con la evaporación desde la superficie de los océanos. A medida que se eleva, el aire humedecido se enfría y el vapor se condensa, de tal forma que las gotas de agua se unen y forman las nubes que dan origen a las lluvias. La precipitación constituye la principal fuente de agua para todos los usos humanos y ecosistemas en general. El agua que precipita es recogida por las plantas y el suelo, se evapora a la atmósfera mediante la evapotranspiración y corre hasta el mar a través de los ríos o hasta los lagos y humedales. Las raíces de las plantas absorben el agua, la que se desplaza hacia arriba a través de los tallos o troncos, transportando los elementos nutrientes que necesita la planta para su desarrollo. Al llegar a las hojas y las flores, pasa al aire en forma de vapor de agua. El agua de la evapotranspiración mantiene los bosques, las tierras de pastoreo y de cultivos no irrigadas, así como la que requieren los ecosistemas. La transpiración o evapotranspiración de las plantas también forma parte del ciclo del agua y contribuye a su purificación. El ser humano extrae un 8% del total anual de agua dulce renovable y se apropia del 26% de la evapotranspiración anual y del 54% de las aguas de escorrentía accesibles. El control que la humanidad ejerce sobre las aguas de escorrentía es ahora global y el hombre desempeña actualmente un papel importante en el ciclo hidrológico. Relativo a las escorrentías, debe destacarse que no siempre es considerada su importancia en el proceso de nuevos proyectos de urbanización, con las consecuentes inundaciones posteriores en períodos de lluvias. Ciclo del carbono El ciclo del carbono hace posible que la energía fluya a través de los diferentes procesos de la naturaleza viva. Este ciclo básico comienza cuando las plantas, mediante la fotosíntesis, utilizan el dióxido de carbono (CO2) presente en la atmósfera o disuelto en el agua. Parte de este carbono se incorpora en los tejidos vegetales en forma de hidratos de carbono, grasas y proteínas, mientras que el resto es devuelto a la atmósfera o al agua mediante la respiración. El carbono pasa a los herbívoros que consumen las plantas, los que reorganizan y degradan los compuestos de carbono. Gran parte del carbono es liberado en forma de CO2 mediante la respiración como producto secundario del metabolismo, otra parte se almacena en los tejidos animales y puede pasar a los carnívoros, que se alimentan de los herbívoros y que lo emplean en su actividad metabólica. En última instancia, 15 todos los compuestos del carbono se degradan por descomposición, y el carbono es liberado en forma de CO2, que es utilizado de nuevo por las plantas. El ciclo del carbono en la naturaleza consta de las siguientes etapas: fotosíntesis, respiración de todo tipo, y acción de los organismos autotróficos. Tal como puede observarse en el esquema del ciclo, todas estas actividades generan CO2. Este ciclo se considera global, pues parte del mismo se realiza en la atmósfera, como se ilustra en la. Figura 6. Figura 6. Esquema del ciclo del carbono en la naturaleza Ciclo del fósforo El fósforo es otro elemento esencial para la vida. En la medida que se emplea extensamente en los detergentes y en los fertilizantes sintéticos, puede ser causa de crecimiento excesivo de plantas en los cursos receptores de agua, por lo que constituye un nutriente importante en la discusiónde la contaminación del agua. 16 Figura 7. Esquema del ciclo del fósforo El ciclo del fósforo es más un proceso en una sola dirección que un verdadero ciclo. Las principales fuentes de fósforo son las rocas de fósforo, los depósitos de guano, y los restos fosilizados de los animales. En la figura 7 se aprecia que el fósforo se mueve del mineral por erosión de origen natural o antrópogénica hacia el agua, donde permanece dentro de un ciclo del que sale cuando va a formar parte del sedimento de los mares. Algún fósforo en forma de fosfato regresa a la tierra, por ejemplo, a través de los peces, pero este es insuficiente para cerrar verdaderamente un ciclo. En la actualidad las rocas de fosfato se consumen a una velocidad de 100 millones de toneladas por año. De acuerdo con esto, las reservas del planeta alcanzan para 100 años más. LA ATMÓSFERA Y ALGUNOS DE LOS PROCESOS ASOCIADOS La atmósfera es la capa gaseosa que cubre la Tierra y que se mantiene atrapada en ella por la fuerza de atracción gravitacional. En términos relativos al tamaño de la tierra, cuyo radio es de alrededor aproximadamente de 6 400 km, el espesor de la atmósfera es muy pequeño considerando que el 99% de su masa se concentra en los primeros 30 km sobre la superficie del Planeta. 17 La envoltura gaseosa de la Tierra, además de constituir un techo protector contra las radiaciones procedentes del Sol, es la base de la vida, ya sea por ser fuente de oxígeno para el reino animal y CO2 para el vegetal, ya como fuente de agua potable, o como fuerza de presión vital sobre los seres vivos. Se estima que la altura de la atmósfera se extiende hasta unos 9 400 km de distancia de la superficie terrestre, lo que constituye su límite exterior, aunque más de la mitad de su masa se concentra en los primeros 11 km de altura. En la atmósfera se distinguen diferentes capas o zonas según la distancia que la separa de la superficie. Figura 8. Figura 8. Capas de la atmósfera más cercanas a la superficie terrestre. La cantidad de energía solar que llega a las capas externas de la atmósfera (flux solar) es aproximadamente 2 900 cal cm-2 min-1. Debido a su interacción con la atmósfera terrestre no toda esa energía alcanza la superficie de la tierra. De hecho, sólo la mitad lo hace. Cerca del 30 % de la energía que entra es reflejada hacia el espacio y el 20 % restante es absorbida por la atmósfera tal como se ilustra en la figura 9. 18 Figura 9. Esquema del flujo de energía y la atmósfera De la figura 9 puede precisarse que: El 99 % de la energía solar que llega a las capas externas de la atmósfera está contenida en el espectro entre 200 y 4 000 nm (del ultravioleta, pasando por el visible, hasta el infrarrojo). La energía que es absorbida por la atmósfera y en la tierra es convertida en calor (infrarroja), y re-irradiada al espacio a mayor longitud de onda. Si la temperatura de la tierra ha de permanecer constante, la energía que llega debe ser igual a la re-irradiada al espacio. En el efecto “greenhouse” o efecto “invernadero”, se estudia cómo el aumento de la concentración de dióxido de carbono y otros gases en la atmósfera pueden destruir este balance absorbiendo esta radiación infrarroja que pudiera ser re-irradiada, y ocasionando un aumento de la temperatura de la tierra. Efecto invernadero. Calentamiento global Lo que hoy se denomina como “calentamiento global” también se conoce como “efecto invernadero artificial”. La vida en la Tierra se pudo desarrollar como 19 consecuencia del “efecto invernadero natural”, que constituye un escudo protector de los gases en la atmósfera. Sin el efecto natural de invernadero, producto del CO2, y otros gases la temperatura media de la tierra sería -18 oC en vez de 15 o como actualmente es. Figura 10. Figura 10. Ilustración del efecto invernadero. Diversas son las causas del efecto de invernadero al que adicionalmente se está viendo sometido el Planeta. El efecto de invernadero artificial es causado por el incremento de la concentración del dióxido de carbono, metano, y otros gases que se emiten en grandes volúmenes como consecuencia del modelo de desarrollo que prevalece. El metano proviene de diversas fuentes como la descomposición de las plantas y los residuos en vertederos sanitarios, entre otras. El incremento de la población mundial y de la producción industrial relacionados con la necesidad de la obtención de más y nuevos bienes, están asociados a la generación de los gases consecuencia de la quema de combustibles fósiles, observándose el incremento sostenido de la temperatura promedio del Planeta. Algunos estudiosos del tema afirman que de mantenerse el crecimiento actual de las emisiones de los gases con efecto invernadero, para mediados del siglo actual la temperatura de la Tierra se incrementará entre 2 y 5 grados Centígrados. Este incremento pudiera derretir los hielos de los polos y traer como consecuencia la 20 elevación del nivel de océanos y mares, provocando la desaparición de grandes extensiones de terrenos en costas bajas incluyendo la desaparición total de algunas islas y la desaparición de especies marinas. Se estima que las emisiones de CO2 son responsables del 55 % del efecto invernadero adicional, mientras que los compuestos (CFC) respondieron en su momento por un 24 % y el metano por el 14 %. A nivel mundial el 75 % de las emisiones excesivas de CO2 provienen del consumo de combustibles fósiles (C, petróleo, gas). El resto es el resultado de la destrucción de los bosques, quienes actúan corresponde actuar como “pulmón del planeta” por el oxígeno que generan y su capacidad de captación de CO2. En América Latina y el Caribe la deforestación anual es de aproximadamente entre 4 y 6 millones de hectáreas de bosques. En Cuba, a la llegada de los colonizadores, el 85 % del territorio estaba cubierto de bosques. En 1902, este % era de 50, y en al momento del triunfo de la revolución en 1958, de 12%. Esto ofrece una medida del tratamiento dado a los bosques, fundamentalmente durante el período entre 1902 y 1958. A partir de la política de reforestación implementada en el país, se alcanzó en 2019 un índice de boscosidad de 31.66 %. Inversión térmica en la atmósfera terrestre La inversión térmica es un fenómeno natural que ocurre en ocasiones por el enfriamiento nocturno del aire cercano al suelo en llanos o valles. Este fenómeno es conocido como inversión, porque la temperatura del aire en la troposfera, que es la capa de la atmósfera más cercana a la superficie, aumenta con la altura en lugar de disminuir, como normalmente debe ocurrir. Como consecuencia de esto, el aire más frío y de mayor densidad se mantiene en las capas más bajas atrapado por una capa de aire caliente sobre ella. Figura 11. 21 Figura 11. Ilustración del fenómeno de inversión térmica. La inversión de temperatura puede ser considerada con un estado de extrema estratificación. Los contaminantes que llegan al aire durante esta situación no se dispersan. Durante las primeras horas del día, cuando la circulación de vehículos es generalmente intensa, los niveles de contaminación aumentan al no tener la atmósfera capacidad para diluir dicha contaminación. Mientras, en horas del mediodía, al aumentar la turbulencia del aire, se incrementa su capacidad para conducir los contaminantes a relativas altas alturas. El mecanismo de la ruptura de las diferentes capas originadas como consecuencia de la inversión depende fundamentalmente de la radiación solar. La radiación solar incidente es absorbida por las moléculasde aire más frías. La energía absorbida se libera como calor y energía interna que se traduce en movimiento, iniciándose un fenómeno de turbulencia que llega a romper la capa de inversión. El ozono en la atmósfera El ozono (O3 ) se presenta en forma gaseosa en la atmósfera en las dos capas más bajas de la misma, la estratosfera y la troposfera, impidiendo que mucha de la 22 radiación ultravioleta (UV) que llega a las capas superiores de la atmósfera terrestre alcance la superficie de la tierra. En la estratosfera, a unos 20 km de altura sobre la superficie terrestre, se encuentra la capa de ozono estratosférico. El ozono que se extiende a lo largo de toda la estratosfera se conoce como “ozono bueno”, ya que forma la capa beneficiosa que absorbe la radiación UV proveniente del sol evitando que llegue a la superficie de la Tierra. La radiación que llega por la actividad del sol está minimizada porque, antes de alcanzar la superficie, pasa por la capa de ozono. Esto incide en que una parte de la misma sea devuelta al espacio. De no existir esta capa, los daños que ocasionaría el aumento de la incidencia de la radiación ultravioleta serían muy diversos. La fracción de ultravioleta del espectro tiene suficiente energía para romper enlaces químicos, por lo que los organismos vivos deben protegerse de los excesos de esta radiación. La exposición prolongada a la misma puede llegar a dañar la constitución de las proteínas y del ácido desoxirribonucleico (ADN) que actúa en la transmisión de la información genética. Esto puede ocasionar la muerte de la célula o la modificación del mensaje genético provocando cáncer en la piel. Las quemaduras solares ocasionan envejecimiento prematuro de la epidermis y lesiones oculares como las cataratas. Por su parte, el ozono troposférico, que es el que está directamente en contacto con los seres vivos, puede encontrarse ocasionalmente a concentraciones superiores a las naturales, actuando entonces como un contaminante atmosférico por sus efectos nocivos sobre el medio debido a su alto poder oxidante. Por eso se conoce como “ozono malo”, llegando a tener propiedades corrosivas sobre materiales y efectos nocivos sobre tejidos de los seres vivos a determinadas concentraciones, Figura 12. 23 Figura 12. Ilustración de las capas del ozono bueno y el ozono malo. Se estima que el hombre no puede exponerse a más de 0,12 partes por millón por día de ozono. Es alarmante que en países altamente industrializados, causantes de las emisiones de hidrocarburos y de óxido de nitrógeno, principales fuentes de producción de ozono urbano, las perspectivas para el futuro próximo pueden ser desafiantes. El ozono se produce de forma natural de diferentes maneras, pero una de las más evidentes es por el efecto de las descargas eléctricas sobre el agua de mar. La descarga disocia las moléculas de agua (H2O) liberando el oxígeno y los hidrógenos correspondientes, agrupando consecuentemente átomos de oxígeno y formando ozono. Figura 13. 24 Figura 13. Esquema que ilustra la formación de ozono a partir de la molécula de oxígeno descompuesta por efecto de la radiación ultravioleta. La velocidad a la que se forma el ozono depende enteramente de la radiación que incide en la estratosfera y por tanto es independiente de la voluntad del hombre. Otros gases en la atmósfera en diversas cantidades también contribuyen a la descomposición catalítica del ozono. Durante años se ha medido en diferentes lugares y por diversos métodos la cantidad total de ozono y su distribución en la atmósfera. Todas las mediciones coinciden en que esta capa protectora del Planeta continúa disminuyendo y continuará haciéndolo durante muchos años, aún después que cesen actuales fuentes de emisión de aquellos gases que producen este efecto adverso. Por otra parte el denominado hueco o agujero de ozono es una región de la estratósfera donde se ha venido apreciando desde hace algunos años una reducción de la cantidad de ozono y que permite la entrada de grandes cantidades de luz ultravioleta. Este agujero responde a fluctuaciones naturales del ozono en la atmósfera como consecuencia del campo electromagnético de la Tierra. Adicionalmente, y debido a la actividad humana, determinados tipos de gases que se emiten terminan ascendiendo hasta la estratosfera y degradando las moléculas de ozono. Es decir, algunos gases que produce la actividad humana destruyen las moléculas de ozono, lo que hace que la capa de ozono adelgace y, en consecuencia, que el agujero sea mayor. 25 Las sustancias que agotan la capa de ozono (SAO) son compuestos químicos que tienen el potencial de reaccionar con las moléculas de ozono de la estratosfera. Las SAO son básicamente hidrocarburos clorados, fluorados o bromados, algunos de ellos de uso prohibido y sustituidos actualmente por otros menos nocivos. Entre ellos: Clorofluorocarbonos (CFC), bromoclorometano, metilcloroformo y tetracloruro de carbono. Estos compuestos poseen gran poder de agotamiento del ozono y muy estables. Se emplearon desde su invención en los años 40 en refrigeradores, aerosoles, productos de limpieza, y extintores de incendios. Hidroclorofluorocarbonos (HCFC): Creados como sustitutos transitorios de los HCFCs tienen un potencial de agotamiento más bajo que sus antecesores y actualmente se continua investigando para su sustitución. También se emplean HCFCs en refrigeradores comerciales, vitrinas de supermercado y centrales de frío tanto en el sector comercial como industrial. Otro uso importante de estos compuestos en la fabricación de espumas de poliuretano, fenólicas, de poliestireno y poliolefínicas. Las espumas se emplean en una amplia variedad de productos y para aislamiento. Halones: Son compuestos de Cloro y Bromo que se emplearon para la extinción de incendios. Si bien para la mayoría de las aplicaciones pudieron sustituirse por extintores a espuma, polvo o CO2 en algunas aplicaciones se utilizan HCFCs sustitutos en su reemplazo. Bromuro de metilo: Esta sustancia fue ampliamente utilizada como plaguicida para la fumigación del suelo con el propósito de proteger las cosechas y prevenir pestes. Actualmente su uso permitido se reduce a las aplicaciones de cuarentena y pre-embarque de cargas de exportación en el caso de que el destino así lo exija. Óxído nitroso, que tiene su origen en la combustión de combustibles fósiles A continuación se ilustra el mecanismo de procesos autocatalíticos de destrucción del ozono como consecuencia de la presencia en la atmósfera terrestre de determinados gases de nitrógeno y cloro. : 26 Al tener las reacciones anteriores un carácter catalítico, la presencia de estos óxidos, aún en pequeñas cantidades, es capaz de producir disminuciones importantes en la concentración de ozono. De no existir otras SAOs en la atmósfera, las reacciones anteriores darían por resultado un sistema de equilibrio relativamente estable, en el que la cantidad y distribución del ozono cambiarían muy poco en el tiempo. Esto, por supuesto, no evitaría variaciones sustanciales en los niveles de ozono según la estación del año y la latitud como consecuencia de la intensidad de la radiación solar. Muchos compuestos que contienen nitrógeno, hidrógeno, cloro y flúor se sintetizan en cantidades industriales. Su existencia es de gran importancia para la capa de ozono cuando penetran en la atmósfera como moléculas relativamente estables. Entre estos compuestos pueden mencionarse los clorofluorocarbonados (CFC) y los bromofluorocarbonados (BFC). Estos gases mantienen su estructura química a grandes latitudes durante largos períodos. Molina y Rowland, referido por Galíndez Jiménez y Mogollón Mujica, elaboraron una teoríasobre la acción de los CFC sobre ozono en la que se postula que la elevada energía de los rayos U.V. rompen los enlaces de la molécula liberando radicales libres de Cl que son atraídos fuertemente hacia uno de los átomos de oxígeno de la molécula de ozono: El exceso de cloro en la parte superior de la atmósfera altera el equilibrio de la naturaleza y puede reducir gradualmente la cantidad total de ozono. CFCl3 + h → CFCl2 + Cl Cl + O3 → ClO + O2 + O ClO + O → Cl + O2 27 El ozono que se encuentra en la atmósfera inferior es un producto secundario de la contaminación del aire por productos de combustión de los energéticos fósiles. Irrita los ojos y enturbia la atmósfera, lo que no es consecuencia del uso de los vehículos ni de las chimeneas, sino de reacciones fotoquímicas de los compuestos de nitrógeno en presencia de la radiación ultravioleta del sol. Lluvia ácida La lluvia ácida se origina por emisiones ocurridas en la propia zona o región donde se manifiesta y aún en regiones que se encuentran a distancias considerables. Los componentes básicos de la lluvia ácida son los ácidos nítrico y sulfúrico. El ácido nítrico es el resultado del ciclo fotolítico del NO2. Por su parte el ácido sulfúrico es consecuencia de la oxidación del SO2 que se emite a la atmósfera como consecuencia de la combustión de combustibles que poseen azufre en su composición original, a SO3,. Para tener una idea de lo que puede representar este efecto baste conocer que la producción anual de gases de SOX y NOX producto de los procesos de combustión, se ha estimado conservadoramente en 68 y 99 millones de toneladas respectivamente. Una vez que se han originado los gases precursores, existen dos mecanismos a través de los cuáles son transportados hacia el suelo: la deposición seca y la deposición húmeda. La deposición seca de los gases precursores de la lluvia ácida ocurre por simple sedimentación junto con sustancias particuladas. En la deposición húmeda la lluvia disuelve los gases en la propia atmósfera y los traslada hacia el suelo. Una vez que los gases precursores alcanzan el suelo, acidifican los ríos, lagos, presas y el propio suelo, destruyendo cosechas y vegetación. Figura 14. 28 Figura 14. Efectos de la lluvia ácida CONTAMINACIÓN E INDICADORES El significado del vocablo contaminación es sumamente relativo y amplio. Aquello que puede ser contaminante bajo determinadas circunstancias no lo es para otras. Quizás el ejemplo más socorrido sea el del agua de mar. El agua de las playas puede tener excelentes condiciones para un buen baño de mar, pero está contaminada a los efectos de su empleo para beber. La contaminación puede considerarse como la alteración no deseada del estado natural de cualquier medio, como resultado de la introducción de uno o varios agentes externos, originando desequilibrio, daño o malestar al medio físico, un ecosistema o a cualquier ser vivo. El contaminante o agente que ocasiona la contaminación puede ser una sustancia química, energía (como sonido, calor o luz. En ocasiones pueden ser compuestos naturales o extraños no identificados. La naturaleza posee en sí misma una elevada capacidad de asimilación de los efectos de agentes contaminantes. Por ello el medio puede experimentar una modificación de sus condiciones naturales por la acción de un determinado estímulo, y llegar a recuperar sus condiciones originales una vez que cesa el mismo, o cuando ese estímulo queda muy lejano en el tiempo. Ejemplo típico de esto es la 29 autodepuración que puede ocurrir aguas debajo del curso de un río que recibió anteriormente un impacto contaminante en cualquier momento aguas arriba. Sin embargo, la agresión producida por los contaminantes puede ser tal, que su impacto sobrepase los límites naturales de la recuperación, Cuando el daño es de tal magnitud que no es posible la autorecuperación de las condiciones anteriores, se hace necesario la aplicación de medidas correctivas inducidas, o la aplicación de procedimientos en instalaciones de tratamiento en los casos de contaminantes en líquidos y sólidos o captación o secuestro de los mismos en los gases. La devastación de los bosques, la caza furtiva, el uso excesivo de las aguas hasta el colapso de las fuentes, la sobre explotación de los mares, también pueden constituir o producir contaminación sobre el medioambiente. Se considera como un hecho que la población mundial llegó a 8 000 millones de habitantes el 15 de noviembre de 2022. Si además se estima que el Planeta posee 6.1015 toneladas de aire, eso significa de cada uno de los habitantes del mismo dispone hoy de aproximadamente 0,75.106 toneladas de aire para satisfacer sus necesidades de todo tipo. Parecería imposible que tal cantidad de aire pudiera llegar a contaminarse y constituir un peligro para la existencia de la humanidad. El volumen de agua, 1 360 km3, del cual solamente el 2,5 % es potable, también es ya un tema de preocupación al igual que muchos otros recursos naturales que hace apenas unos pocos años fueron considerados inagotables. Lo cierto es que el medioambiente recibe diariamente desechos y emisiones, como consecuencia de la actividad de la sociedad en su conjunto. Cada día, por habitante, se emite al medioambiente un estimado promedio de 14 kg de CO2 que contribuyen al efecto invernadero, y se genera 1 kg de sólidos de origen doméstico, 55 kg de desechos industriales y 50 g de residuos tóxicos. Como ya fue expresado, los recursos necesarios para satisfacer con las exigencias que demandan el desarrollo de las diferentes actividades productivas y de servicios, se extraen del medio natural donde cada vez tienden a ser más limitados. Entre estos recursos el agua, aunque es un recurso renovable, al mismo tiempo es también limitado. 30 Estrategias de prevención de la contaminación La satisfacción de las necesidades cada vez más crecientes de la sociedad actual, ha demandado la producción comercial anual de aproximadamente 100 000 de los más de 13 millones de productos químicos conocidos, introduciendo simultáneamente en el mercado unos 1 000 nuevos productos. Los recursos naturales para la producción de tal cantidad de bienes se extraen todos de un mismo lugar, la naturaleza, que se convierte al mismo tiempo en el pozo al que se introducen todos los residuos y emisiones que se generan como consecuencia del propio proceso productivo. A escala global, unos 2 millones de toneladas de desechos son arrojados diariamente en aguas receptoras, incluyendo residuos industriales y químicos, vertidos humanos y desechos agrícolas (fertilizantes, pesticidas y residuos de pesticidas). Muchos de estos desechos podrían ser aprovechados. La crianza de todo tipo de ganado y la industria son los principales emisores de gases hacia la atmósfera donde estos quedan concentrados propiciando la ocurrencia de los fenómenos que son consecuencia del efecto invernadero. El principal gas emitido por la ganadería es el CH4, que se produce por la descomposición del estiércol resultado de la cría de los animales. Entre los gases de efecto invernadero originados por los procesos industriales se destacan: Metano (CH4), dióxido de carbono (CO2), óxido nitroso (N20), Ozono (O3). También pueden señalarse los halocarbonos, cloro, bromo, y los óxidos de azufre que son propios de la mayoría de las industrias. Merece ser particularmente destacado que del total de emisiones gaseosas industriales, el 78% está relacionada con la obtención y manejo de la energía generada por el empleo de combustibles fósiles. Desde el punto de vista ambiental el siglo 21 está caracterizado por la urgencia del cambio de paradigma en eluso de los recursos y la gestión de residuos y emisiones. La gestión de los desechos ha evolucionado según se han presentado sus características, costos asociados, escasez de la materia prima y la globalización de sus impactos. Todo eso es consecuencia directa de la necesidad impostergable del empleo más racional de los recursos y de la minimización de los desechos y emisiones que se generan procedentes de la actividad socio productiva y de los servicios, priorizando la atención del problema de la contaminación, a través de una política preventiva, enfocada hacia el origen o fuente donde se genera, obteniendo además beneficios económicos de ello y no como es comúnmente conocido, “al final 31 del tubo”. La filosofía es pasar del tratamiento de los desechos y emisiones a la anticipación a su generación. En la toma de decisiones de políticas ambientales es de un interés significativo la identificación de aquellos procesos, concebidos en su más amplia acepción, que impactan al medioambiente afectando la calidad del aire, agua y suelo. Particular importancia en la gestión de un modelo de desarrollo sostenible revisten aquellos procesos de carácter industrial para que los mismos sean más eficientes desde el punto de vista económico y se minimicen los impactos negativos sobre el medioambiente. La minimización de desechos y emisiones a través de la práctica de la Producción más Limpia (PML constituye un enfoque integral para la reducción de la contaminación en el origen y la obtención de los beneficios económicos que se deriven de ello, en rechazo del sistema productivo de carácter lineal que prevalece en la actualidad y que ha demostrado ser inviable desde los puntos de vista material, medioambiental y económico. La estrategia de P+L está asociada al concepto de Economía Circular, que con sus orígenes en los años 70 del siglo pasado, ha cobrado actual relevancia. La propuesta de las “3R” (Reducir, Reutilizar y Reciclar) inicialmente presentada por la organización no gubernamental GreenPeace, fueron adicionadas otras “R” hasta llegar a las “10R” (Reordenar, Reformular, Reducir, Reutilizar, Refabricar, Reciclar, Revalorizar energéticamente, Rediseñar, Recompensar y Renovar), con el objetivo de propiciar que la gestión ambiental se vuelva totalmente sostenible. Las grandes empresas a nivel mundial apuestan cada vez más por modelos circulares de producción que abogan por las ‘R’ para minimizar los residuos y el impacto medioambiental. Esto es, fabrican productos 100 % circulares y emplean, privilegiadamente, materiales renovables y reciclados. Por cierto, el número de ‘Rs’ continúa incrementándose. Los pilares de esta forma de pensamiento y acción establecen que el compromiso con la sostenibilidad del proceso, servicio y consumo no inicia al final de cada etapa, sino durante el desarrollo de la misma e incluso antes de que tenga lugar. Es decir, no se trata de qué hacer con los desechos, sino de considerar todo el proceso de un producto o servicio, desde «la cuna a la tumba», con el propósito de cerrar el círculo de la vida del producto o servicio, el flujo de materiales y energía, aproximándose a la circularidad que presenta la naturaleza en sus diferentes ciclos. . 32 El agua y su disponibilidad El consumo de agua y la generación de residuos y emisiones pueden ser considerados en tres grandes sectores: urbano industrial agrícola En el sector urbano prevalece la presencia de sólidos y determinados volúmenes de aguas residuales, en los industriales las aguas residuales y emisiones gaseosas y en sector agrícola prevalece el alto consumo de agua. Este último es el mayor consumidor del agua dulce que se capta, 65%, mientras que en la industria y el sector urbano se estiman consumos aproximados de 20% y 15% respectivamente del total de agua. Como se aprecia de lo expresado anteriormente, el sector industrial es también un alto consumidor de agua. En los últimos 30 años el volumen anual de agua utilizado por la industria ha experimentado un alto incremento. De los 752 km3 anuales requeridos en la década de los años 90, se predice que para el 2025 el consumo para satisfacer las necesidades que demandan los actuales y nuevos volúmenes de producción industrial alcanzará los 1 170 km3. En Cuba los recursos hídricos disponibles anuales per cápita en Cuba son limitados y están heterogéneamente distribuidos, siendo las provincias habaneras y las orientales, con excepción de Granma, las menos favorecidas. El índice de disponibilidad anual de agua para todos los usos ascienda a 1 220 m3 por .habitante según un estudio del Instituto Nacional de Recursos Hidráulicos (INRH). Este volumen equivale a 3 340 L. hab-1 d-1, mientras que la norma por persona para el consumo domiciliario es de 100 L. d-1. En el mismo sentido, los Índices de Consumo de Agua para las producciones, los servicios y el riego agrícola, aparecen normados por la Resolución No 17/2020 del Instituto Nacional de Recursos Hidráulicos en 7 Anexos: Anexo I “Índice de consumo de agua para producciones y servicios”, Anexo II “Normas de riego netas totales para los cultivos agrícolas”, Anexo III “Indicadores de productividad del agua por cultivos, provincias y técnicas de riego”, Anexo IV “Eficiencia de los sistemas de riego”, 33 Anexo V “Abasto a la ganadería”, Anexo VI “Normas para los acueductos no rehabilitados” y Anexo VII “Normas de riego netas totales para la caña de azúcar” los que forman parte integrante de la presente Resolución RESIDUOS Y EMISIONES Las emisiones gaseosas más significativas son de origen industrial que fundamentalmente tienen su origen en los procesos de combustión. Dependiendo de su procedencia, las aguas residuales presentan características muy diferentes una de otras, que incluyen hasta su carácter orgánico o inorgánico y su estado físico. Mientras que las aguas residuales domésticas y municipales presentan características similares unas a otras sin diferencias sensibles entre ella, con las aguas residuales industriales no ocurre de la misma manera. En los procesos industriales el agua tiene múltiples usos, tanto como agua de operación o como agua de proceso. El agua de proceso es aquella que generalmente entra a formar parte o tiene contacto directo con el bien que se desea producir. Estos son los casos típicos de la industria de medicamentos y de las bebidas en general y la del procesamiento de frutas y vegetales en la industria conservera entre otros. Entre otros requisitos específicos según el proceso de que se trate, esta agua debe ser potable. Se designa como al agua de operación a aquella que comúnmente es empleada en operaciones auxiliares, como la generación de vapor y la de enfriamiento. En correspondencia del uso que se le haya dado al agua, así serán las características del agua residual que se genera. Esta puede variar entre poseer contaminación puramente física, como ocurre por ejemplo en la contaminación térmica que presentan las aguas de refrigeración, hasta contaminación bioquímica de elevada complejidad como es el caso de las aguas que reciben efluentes de industrias farmacéuticas o químicas. Indicadores de la contaminación de las aguas residuales de naturaleza orgánica Entre los indicadores más comunes de la contaminación originada por aguas residuales, sobre todo aquellas que contienen materia orgánica en su composición, se destacan: Demanda bioquímica de oxígeno (DBO) 34 Demanda química de oxígeno (DQO) Contenido de sólidos en sus diversos tipos Nitrógeno orgánico, amoniacal y total Fósforo Todos estos, y otros más se expresan en unidades de concentración, generalmente en mgL-1. El flujo o gasto no es considerado parte de los parámetros indicadoresde la contaminación, sin embargo es una variable necesaria para disponer de la caracterización completa de una corriente de agua residual. Generalmente se expresa como: Ls-1 o m3d-1. Demanda bioquímica de oxígeno (DBO) y Demanda química de oxígeno (DQO La demanda bioquímica de oxígeno (DBO) y la demanda química de oxígeno (DQO) son posiblemente los dos indicadores de la contaminación más universalmente conocidos y trabajados para las aguas residuales que contienen materia orgánica. La DBO brinda una medida del contenido de materia orgánica biodegradable presente en un agua residual tanto de origen doméstico como industrial. Aunque esa demanda puede ser satisfecha por bacterias, hongos y otros microorganismos tanto aerobios como anaerobios, el procedimiento convencionalmente empleado para su determinación analítica contempla un medio aerobio. La DBO es, como concepto, el oxígeno requerido para la estabilización de los compuestos orgánicos bio-degradables presentes en una muestra. La determinación analítica de la demanda bioquímica de oxígeno de una muestra de agua residual puede resultar un proceso de incubación de alto consumo de tiempo, (por.ejemplo:. para aguas residuales municipales hasta 21 días). Por ello convencionalmente la prueba analítica solamente se hace durante los primeros 5 días de incubación a expensas de saber que ese no es el verdadero valor de la DBO, sino una fracción de su valor real. A ese valor real se le denomina DBO última. (DBOu). Los estudios cinéticos sobre la DBO han concluido que para propósitos prácticos esta puede ser considerada con un buen grado de aproximación como una reacción de primer orden. A partir de esta consideración y mediante transformaciones, puede obtenerse una expresión que relaciona los valores de la DBOu y la DBO a cualquier tiempo t. 35 y = Lo (1 − 10 −kt) donde y = DBO en cualquier tiempo t, mgL-1 L0 = DBOu mgL-1 k = constante de velocidad de oxidación, d-1 t = tiempo al que se desea conocer el valor (y) de la DBO, d Ante falta de otra información que permita mayor precisión en la relación, suele estimarse que el valor de la DBO5 es entre el 60 y 70% de la DBOu de una muestra de agua residual. Por otra parte, teniendo en cuenta que la determinación de la DBO de una muestra es un proceso bioquímico, la temperatura constituye un factor importante. También de manera convencional, el análisis es realizado a 20°C representándose entonces como DBO5,20°C. La Demanda química de oxígeno (DQO), a diferencia de la DBO proporciona información del contenido de todos los compuestos contenidos en una muestra, sean orgánicos biodegradables o no, y además de todos aquellos que puedan ser oxidados por el dicromato de potasio (Cr2O7K2), que es básicamente el reactivo químico que se emplea en su determinación. La DQO es una prueba que solo toma alrededor de tres horas, por lo que los resultados se pueden tener en mucho menor tiempo que lo que requiere una prueba de DBO. Lo relativamente rápida de su determinación es lo que hace a la DQO sea utilizada cada vez más frecuentemente como indicador del grado de contaminación de las aguas residuales en sustitución de la DBO. El nitrógeno en las aguas Cuando anteriormente se estudió el ciclo del nitrógeno en la naturaleza, se destacó su importancia, al constituir un componente fundamental de la materia orgánica y muy particularmente de la proteína. Por tanto, es de esperar su presencia como posible contaminante en los cursos de agua. En las aguas residuales municipales y en muchas industriales, el nitrógeno puede encontrarse en forma de nitrógeno orgánico (N-org), formando parte de las proteínas, y como nitrógeno amoniacal (N-NH3), muchas veces como consecuencia de la descomposición o degradación de las proteínas. 36 El nitrógeno contenido en la fracción biodegradable de la materia orgánica se transforma por, acción enzimática, a forma amoniacal. En forma simplificada, esa transformación puede representarse: Norg → NH4 + Por lo tanto, la presencia de nitrógeno amoniacal en un agua es indicador de contaminación reciente, que en ocasiones puede ser de origen fecal. Los nitritos y nitratos se forman a partir de la oxidación de nitrógeno amoniacal. Sus concentraciones en las aguas residuales crudas (sin tratamiento) son generalmente inferiores a 1 mg.L-1. Sin embargo pueden encontrarse en los efluentes de tratamientos biológicos aerobios de aguas residuales. Estas 2 formas oxidadas del nitrógeno son resultado de la acción de las bacterias autótrofas nitrosomonas y nitrobacter respectivamente, y el proceso de su formación se identifica como nitrificación. A continuación se representa, de manera simplificada y mediante las ecuaciones correspondientes, la secuencia de la nitrificación. NH4 + + 3 2 O2 nitrosomonas → 2H+ + H2O + NO2 − NO2 − + 1 2 O2 nitrobacter → NO3 − La suma del nitrógeno amoniacal y orgánico, es llamada nitrógeno total o Kjeldahl. Esta última denominación, es tomada de la técnica tradicional de su determinación. El fósforo (P) en las aguas El deterioro de la calidad del agua debido a la aparición de color o sabor desagradables no es el único problema que se genera como consecuencia de la presencia del fósforo en un cuerpo de agua. La presencia de compuestos de fósforo junto al nitrato en cursos receptores, induce el crecimiento de algas ocasionando el fenómeno de eutrofización afectando de forma notable la calidad de las aguas. El crecimiento excesivo de algas, primera etapa de la eutrofización, tiene como efecto primario el enturbiamiento del cuerpo de agua que impide que la luz penetre hasta el fondo del ecosistema. Como consecuencia en el fondo se dificulta hasta hacerse imposible la fotosíntesis, productora de oxígeno libre, a la vez que aumenta https://es.wikipedia.org/wiki/Fotos%C3%ADntesis https://es.wikipedia.org/wiki/Fotos%C3%ADntesis_oxig%C3%A9nica 37 la actividad metabólica de los descomponedores consumidores de oxígeno. En la Figura 14 se muestra la eutrofización de una sección del Río Ariguanabo. Figura 14. Eutrofización en una sección del Río Ariguanabo. El fósforo se encuentra en las aguas residuales en forma orgánica e inorgánica. Entre las formas inorgánicas la más importante es el fósforo soluble (ortofosfatos), que resulta directamente utilizable por los microorganismos. Como ocurre con el nitrógeno, las distintas formas del fósforo son interconvertibles, dando así lugar al ciclo del fósforo. Los métodos analíticos determinan el fósforo como ortofosfato. Para medir el fósforo total, las diversas formas del fósforo deben ser químicamente transformadas en ortofosfato. Las aguas residuales de origen doméstico son relativamente ricas en fósforo. Contienen aproximadamente 10 mgL-1 de fósforo total. De él, un 70 % en forma disuelta. Antes del desarrollo de los detergentes sintéticos, el contenido de fósforo usualmente estaba en el intervalo de 2 a 5 mgL-1 y las formas orgánicas variaban de 0,5 a 1,0 mgL-1. Esta contribución humana se debe a la ruptura de las proteínas con la consiguiente eliminación del fósforo en la orina. En la actualidad muchos detergentes sintéticos contienen grandes cantidades de poli fosfatos, pudiendo contener hasta un 10% en su composición. La sustitución del jabón por estos productos ha incrementado notablemente el contenido de este elemento en las aguas residuales. https://es.wikipedia.org/wiki/Descomponedor 38 Carga y concentración Para el pleno conocimiento de las características de un agua residual no es suficiente disponer de la magnitud de los parámetros indicadores seleccionados en base a concentración. Si bien tener informaciónde las concentraciones puede ser útil en determinadas circunstancias, una mayor información se obtiene cuando se conocen los valores en términos de carga o flujo másico contaminante (kgd-1). El flujo másico o valor de la carga contaminante que se confiere al medio depende tanto del flujo volumétrico como de la concentración del parámetro seleccionado como indicador: . Carga o flujo másico de determinado indicador = flujo x concentración. De tal manera que dados 2 corrientes de aguas residuales cualesquiera Residual A: DBO5 = 500 mgL-1 Flujo = 200 m3d-1. Residual B: DBO5 = 250 mgL-1 Flujo = 600 m3d-1 una vez que se calcula la carga que aportan, Carga de la corriente A = 100 kgd-1 Carga de la corriente B = 150 kgd-1 se hace evidente que la corriente B representa mayor carga contaminante que la A no obstante tener una DBO menor. Población equivalente Hay ocasiones en las que es necesario comparar el nivel de contaminación de un agua residual industrial con el que corresponde a una población dada o el de una ciudad con respecto a otra. Esa comparación no puede hacerse solamente sobre la base de concentraciones ni de caudales de agua residual independientemente, sino empleando el concepto de población equivalente. Para ello se utiliza el estimado de carga aportada por una persona (equivalente poblacional) teniendo en cuenta algunos de los parámetros que se toman como indicadores de la contaminación: DBO, DQO y sólidos suspendidos, entre otros. El equivalente poblacional puede variar de un país a otro, e incluso entre regiones de un mismo país. En la tabla 1 se ofrecen valores tipo de equivalente poblacional de algunos de los indicadores más comunes. 39 Tabla 1. Equivalente poblacional tipo para varios indicadores de la contaminación. En la tabla 2 se ofrecen valores de población equivalente de algunos sectores productivos, según la Agencia de Medioambiente del CITMA, que deben ser tomados solamente a modo de referencia. º Tabla 2. Indicadores de población equivalente Actividad Unidad DBO5 g/unidades Población equivalente Panaderías empleado 76 1,8 Procesamiento de alimentos empleado 100 2,4 Producción de almidón 1 ton de almidón 25 200 a 50 400 600 a 1200 Verduras y frutas enlatadas 1 ton de producto 11 000 a 27 000 250 a 640 Confitería empleado 160 3,8 Jugos de frutas 1 ton de frutas 11 000 a 13 500 260 a 450 Leche 1000 l de leche 4 000 a 4 200 40 a 100 Mantequilla 1 ton de producto 54 000 a 107 500 1300 a 2560 Quesos 1 ton de queso 8 400 200 Leche condensada 1 ton de producto 4 200 100 Leche en polvo 1 ton de producto 38 a 55 0,9 a 1,3 Matadero de reses 1 ton de animal 8 400 200 Tenerías 1 ton de materia prima 3 400 a 5 500 80 a 130 Para interpretar la información que brinda la tabla 2, a modo de ejemplo baste decir que de acuerdo a la misma, por cada tonelada de queso producido por día, se Indicador g.hab-1.d-1 Valor recomendado DBO5 30 a 45 42 DQO 80 a 120 100 Sólidos suspendidos 90 a 150 120 N total 1,5 1 2,2 2 P total 0,5 a 1,0 0.8 40 generan 8 400 gramos de DBO cada día, lo que es equivalente a la DBO que corresponde a una población de 200 habitantes. Residuos sólidos urbanos La naturaleza y composición de los residuos urbanos, sean sólidos o líquidos pueden ser diferentes de una región a otra aún dentro del propio país, en dependencia del nivel de desarrollo económico de las mismas y de otros factores de carácter educativo, y cultural, en la más amplia acepción del término. La consideración de los residuos sólidos dentro de las categorías de urbanos, municipales o domésticos no siempre está bien precisado y comúnmente esas denominaciones son empleadas indistintamente. Si alguna diferenciación suele hacerse, es entre los municipales y urbanos por una parte, y los domésticos por otra. En lo adelante, no se establecerá distinción alguna entre los residuos municipales (RM) y los urbanos (RU), entendiendo como ellos aquellos que comprenden los desperdicios domiciliarios, sitios de servicios privados y públicos, demoliciones, construcciones y de establecimientos comerciales y de servicios. El incremento del volumen en la generación de residuos se agrava como consecuencia de la inadecuada planeación de su manejo, siendo muchas veces los sistemas de almacenamiento y recolección los que ocasionan e incrementan su impacto negativo, dando origen a problemas de contaminación y deterioro visible del ambiente. En la Figura 15 se muestran dos maneras diferentes en el manejo de los residuos sólidos urbanos. Para todos ellos también son válidos los preceptos asociados a la economía circular. En la tabla 3 se detallan diferentes tipos de residuos sólidos para ciudades de tamaño medio Figura 15. Dos maneras diferentes de manejo de RSU en La Habana 41 Para la gestión de los residuos sólidos urbanos también son válidos los preceptos asociados a la economía circular. En la tabla 3 se detallan diferentes tipos de residuos sólidos para ciudades de tamaño medio Tabla 3. Principales componentes de los RSU y características generales Los principales constituyentes de los RSU comparten tres propiedades físicas importantes, especialmente en el momento de proceder tanto con las acciones de gestión y potencial reaprovechamiento tratamiento como de tratamiento: humedad peso específico granulometría La humedad de los RSU varía en función de la naturaleza orgánica o inorgánica de los mismos. Estos últimos suelen poseer una humedad de entre el 25% y el 40%, mientras que en el caso de los orgánicos puede contener una humedad de hasta el 60 -80%. Esto es de esperar si se tiene en cuenta que en los alimentos hay más agua y por tanto una mayor humedad. El peso específico se emplea frecuentemente cuando se necesita conocer la masa y el volumen total de los residuos que se manejan. Por supuesto que esta es una propiedad que varía considerablemente si se trata de un material compactado o no. Domestica Viviendas unifamiliares , bloques de viviendas, y edificios multifamiliares Residuos de comida, papel, cartón, plásticos, textiles, cuero, residuos de jardín, madera, vidrio, aluminio y otros metales, cenizas, residuos especiales, residuos de jardín, residuos domésticos peligrosos Comercial Tiendas, mercados, restaurantes, oficinas, hoteles, imprentas, estaciones de servicios, talleres mecánicos, etc. Papel, cartón, plásticos, madera, residuos de comida, vidrio, metales, residuos especiales, residuos peligrosos, etc. Institucional Escuelas, hospitales, edificios gubernamentales Similares al comercial Servicios municipales Barrido de calles, jardinería, limpieza urbana Residuos especiales, residuos de calle, recortes de árboles y plantas, etc. 42 La reducción de volumen de los RSU tiene lugar en todas las fases de su manejo y se utiliza para mejorar las operaciones relacionadas con la manipulación, tratamiento y disposición final de los residuos sólidos. El peso específico unitario de cada material no indica que su mezcla tenga un valor total proporcional al de sus componentes. En los residuos domiciliarios, estos valores son habitualmente pequeños (200 – 300 kg.m-3) debido a los espacios inutilizados de los depósitos que se emplean para el almacenamiento temporal de los mismos: cajas sin plegar, residuos de formas irregulares, etc. Estos residuos son compresibles, pudiendo disminuir su volumen entre ½ y ¼ del valor original. Incidencia negativa sobre el medioambiente de los RSU. El desarrollo de la sociedad, la industrialización y la implantación de modelos económicos que basan el crecimiento
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