Un muestreador de roseta se utiliza para recolectar muestras de agua en aguas profundas, como los Grandes Lagos o los océanos, para analizar la calidad del agua.
La calidad del agua se refiere a las características químicas , físicas y biológicas del agua en función de los estándares de su uso. [1] [2] Se utiliza con mayor frecuencia como referencia a un conjunto de estándares con respecto a los cuales se puede evaluar el cumplimiento, generalmente logrado a través del tratamiento del agua. Los estándares más comunes utilizados para monitorear y evaluar la calidad del agua transmiten la salud de los ecosistemas , la seguridad del contacto humano, el grado de contaminación del agua y el estado del agua potable . La calidad del agua tiene un impacto significativo en el suministro de agua y a menudo determina las opciones de suministro. [3]
Impactos en la salud pública
Con el tiempo, se ha reconocido cada vez más la importancia de la calidad del agua potable y su impacto en la salud pública . Esto ha llevado a una mayor protección y gestión de la calidad del agua. [4]
Los parámetros de calidad del agua están determinados por el uso previsto. El trabajo en el área de calidad del agua tiende a centrarse en el agua tratada para potabilidad, uso industrial/doméstico o restauración (de un medio ambiente/ecosistema, generalmente para la salud de la vida humana/acuática). [5]
Consumo humano
Contaminación regional y nacional del agua potable según tipo de sustancia química y tamaño de la población en riesgo de exposición
En las zonas urbanizadas de todo el mundo, la tecnología de purificación del agua se utiliza en los sistemas de agua municipales para eliminar los contaminantes de la fuente de agua (agua superficial o subterránea ) antes de que se distribuya a hogares, empresas, escuelas y otros destinatarios. El agua extraída directamente de un arroyo, lago o acuífero y que no tiene tratamiento será de calidad incierta en términos de potabilidad. [3]
La carga del agua potable contaminada afecta desproporcionadamente a las poblaciones subrepresentadas y vulnerables. [11] Las comunidades que carecen de estos servicios de agua potable limpia corren el riesgo de contraer enfermedades transmitidas por el agua y relacionadas con la contaminación, como el cólera, la diarrea , la disentería, la hepatitis A, la fiebre tifoidea y la poliomielitis. [12] Estas comunidades suelen estar en zonas de bajos ingresos, donde las aguas residuales humanas se vierten en un canal de drenaje cercano o en un desagüe superficial sin tratamiento suficiente, o se utilizan en el riego agrícola.
Uso industrial y doméstico
Los iones disueltos pueden afectar la idoneidad del agua para una variedad de propósitos industriales y domésticos. El más conocido de ellos es probablemente la presencia de calcio (Ca 2+ ) y magnesio (Mg 2+ ) que interfieren con la acción limpiadora del jabón y pueden formar depósitos duros de sulfato y blandos de carbonato en calentadores de agua o calderas . [13] El agua dura se puede ablandar para eliminar estos iones. El proceso de ablandamiento a menudo sustituye los cationes de sodio . [14] Para ciertas poblaciones, el agua dura puede ser preferible al agua blanda porque los problemas de salud se han asociado con las deficiencias de calcio y con el exceso de sodio. [15] La necesidad de calcio y magnesio adicionales en el agua depende de la población en cuestión porque las personas generalmente satisfacen sus cantidades recomendadas a través de los alimentos. [3] : 99, 115, 377
Calidad ambiental del agua
La calidad ambiental del agua , también llamada calidad del agua ambiental, se relaciona con cuerpos de agua como lagos , ríos y océanos . [16] Los estándares de calidad del agua para aguas superficiales varían significativamente debido a diferentes condiciones ambientales, ecosistemas y usos humanos previstos. Las sustancias tóxicas y las altas poblaciones de ciertos microorganismos pueden presentar un peligro para la salud [17] para fines no potables, como riego, natación, pesca, rafting, navegación y usos industriales. Estas condiciones también pueden afectar la vida silvestre, que utiliza el agua para beber o como hábitat. Según la EPA, las leyes de calidad del agua generalmente especifican la protección de la pesca y el uso recreativo y requieren, como mínimo, la retención de los estándares de calidad actuales. [18] En algunos lugares, las condiciones deseadas de calidad del agua incluyen altas concentraciones de oxígeno disuelto , bajas concentraciones de clorofila-a y alta claridad del agua . [19]
Existe cierto deseo entre el público de que los cuerpos de agua vuelvan a sus condiciones prístinas o preindustriales. [20] La mayoría de las leyes ambientales actuales se centran en la designación de usos particulares de un cuerpo de agua. En algunos países, estas designaciones permiten cierta contaminación del agua siempre que el tipo particular de contaminación no sea perjudicial para los usos designados. Dados los cambios en el paisaje (por ejemplo, desarrollo de la tierra , urbanización , tala rasa en áreas forestales) en las cuencas hidrográficas de muchos cuerpos de agua dulce, volver a las condiciones prístinas sería un desafío importante. En estos casos, los científicos ambientales se centran en lograr objetivos para mantener ecosistemas saludables y pueden concentrarse en la protección de las poblaciones de especies en peligro de extinción y la protección de la salud humana.
Muestreo y medición
Recolección de muestras
Una estación de muestreo automatizada instalada a lo largo del ramal este del río Milwaukee , New Fane, Wisconsin . La tapa del muestreador automático de 24 botellas (centro) está parcialmente levantada, mostrando las botellas de muestra en su interior. El muestreador automático recoge muestras a intervalos de tiempo o en proporción al flujo durante un período específico. El registrador de datos (gabinete blanco) registra la temperatura, la conductancia específica y los niveles de oxígeno disuelto.
La complejidad de la calidad del agua como tema se refleja en los muchos tipos de mediciones de indicadores de calidad del agua. Algunas mediciones de la calidad del agua se realizan con mayor precisión in situ, porque el agua existe en equilibrio con su entorno . Las mediciones que se realizan comúnmente in situ y en contacto directo con la fuente de agua en cuestión incluyen temperatura , pH , oxígeno disuelto , conductividad , potencial de reducción de oxígeno (ORP) , turbidez y profundidad del disco de Secchi .
Muchos eventos de contaminación están muy restringidos en el tiempo, generalmente asociados con eventos de lluvia. Por esta razón, las muestras "al azar" a menudo son inadecuadas para cuantificar completamente los niveles de contaminantes. [21] Los científicos que recopilan este tipo de datos a menudo emplean dispositivos de muestreo automático que bombean incrementos de agua en intervalos de tiempo o de descarga .
A menudo se realizan mediciones más complejas en un laboratorio, lo que requiere que se recoja una muestra de agua , se conserve, se transporte y se analice en otro lugar.
Asuntos
El proceso de muestreo de agua presenta dos problemas importantes:
El primer problema es el grado en que la muestra puede ser representativa de la fuente de agua de interés. Las fuentes de agua varían con el tiempo y la ubicación. La medición de interés puede variar estacionalmente o de día a noche o en respuesta a alguna actividad del hombre o poblaciones naturales de plantas y animales acuáticos . [22] La medición de interés puede variar con las distancias desde el límite del agua con la atmósfera suprayacente y el suelo subyacente o confinante . El muestreador debe determinar si un solo momento y ubicación satisface las necesidades de la investigación, o si el uso del agua de interés puede evaluarse satisfactoriamente mediante valores promedio de muestreo en el tiempo y la ubicación, o si los máximos y mínimos críticos requieren mediciones individuales en un rango de tiempos, ubicaciones o eventos. El procedimiento de recolección de muestras debe asegurar la ponderación correcta de los momentos y ubicaciones de muestreo individuales donde el promedio sea apropiado. [23] : 39–40 Cuando existan valores máximos o mínimos críticos, se deben aplicar métodos estadísticos a la variación observada para determinar un número adecuado de muestras para evaluar la probabilidad de exceder esos valores críticos. [24]
El segundo problema ocurre cuando la muestra se retira de la fuente de agua y comienza a establecer un equilibrio químico con su nuevo entorno: el recipiente de muestra. Los recipientes de muestra deben estar hechos de materiales con una reactividad mínima con las sustancias que se van a medir; la limpieza previa de los recipientes de muestra es importante. La muestra de agua puede disolver parte del recipiente de muestra y cualquier residuo en ese recipiente, y los productos químicos disueltos en la muestra de agua pueden adsorberse en el recipiente de muestra y permanecer allí cuando se vierte el agua para su análisis. [23] : 4 Pueden tener lugar interacciones físicas y químicas similares con cualquier bomba , tubería o dispositivo intermedio utilizado para transferir la muestra de agua al recipiente de muestra. El agua recolectada de profundidades debajo de la superficie normalmente se mantendrá a la presión reducida de la atmósfera; por lo que el gas disuelto en el agua se acumulará en la parte superior del recipiente. El gas atmosférico sobre el agua también puede disolverse en la muestra de agua. Otros equilibrios de reacción química pueden cambiar si la muestra de agua cambia de temperatura. Las partículas sólidas finamente divididas que antes estaban suspendidas por la turbulencia del agua pueden depositarse en el fondo del recipiente de muestra, o puede formarse una fase sólida a partir del crecimiento biológico o la precipitación química . Los microorganismos presentes en la muestra de agua pueden alterar bioquímicamente las concentraciones de oxígeno , dióxido de carbono y compuestos orgánicos . Los cambios en las concentraciones de dióxido de carbono pueden alterar el pH y cambiar la solubilidad de las sustancias químicas de interés. Estos problemas son de especial preocupación durante la medición de sustancias químicas que se supone que son significativas en concentraciones muy bajas. [22]
Filtrado de una muestra de agua recolectada manualmente ( muestra aleatoria ) para su análisis
La conservación de muestras puede resolver parcialmente el segundo problema. Un procedimiento común es mantener las muestras frías para disminuir la velocidad de las reacciones químicas y el cambio de fase, y analizar la muestra lo antes posible; pero esto simplemente minimiza los cambios en lugar de prevenirlos. [23] : 43–45 Un procedimiento útil para determinar la influencia de los recipientes de muestra durante el retraso entre la recolección de la muestra y el análisis implica la preparación de dos muestras artificiales antes del evento de muestreo. Un recipiente de muestra se llena con agua que se sabe a partir de análisis anteriores que no contiene una cantidad detectable del químico de interés. Esta muestra, llamada "blanco", se abre para exponerla a la atmósfera cuando se recolecta la muestra de interés, luego se vuelve a sellar y se transporta al laboratorio con la muestra para su análisis para determinar si los procedimientos de recolección o retención de la muestra introdujeron alguna cantidad medible del químico de interés. La segunda muestra artificial se recolecta con la muestra de interés, pero luego se "enriquece" con una cantidad adicional medida del químico de interés en el momento de la recolección. La muestra en blanco ( control negativo ) y la muestra enriquecida ( control positivo ) se llevan con la muestra de interés y se analizan mediante los mismos métodos al mismo tiempo para determinar cualquier cambio que indique ganancias o pérdidas durante el tiempo transcurrido entre la recolección y el análisis. [25]
Pruebas en respuesta a desastres naturales y otras emergencias
Después de eventos como terremotos y tsunamis , hay una respuesta inmediata por parte de las agencias de ayuda a medida que se ponen en marcha operaciones de socorro para tratar de restaurar la infraestructura básica y proporcionar los elementos básicos fundamentales que son necesarios para la supervivencia y la recuperación posterior. [26] La amenaza de enfermedades aumenta enormemente debido a la gran cantidad de personas que viven cerca unas de otras, a menudo en condiciones precarias y sin saneamiento adecuado. [27]
Después de un desastre natural , en lo que respecta a las pruebas de calidad del agua, existen opiniones generalizadas sobre la mejor manera de proceder y se pueden emplear diversos métodos. Los parámetros básicos clave de calidad del agua que se deben abordar en una emergencia son los indicadores bacteriológicos de contaminación fecal, el cloro libre residual, el pH , la turbidez y, posiblemente, la conductividad / sólidos disueltos totales . Existen muchos métodos de descontaminación. [28] [29]
Después de un desastre natural de gran magnitud, puede pasar un tiempo considerable antes de que la calidad del agua vuelva a los niveles previos al desastre. Por ejemplo, tras el tsunami del océano Índico de 2004, el Instituto Internacional de Gestión del Agua (IWMI), con sede en Colombo, vigiló los efectos del agua salada y concluyó que los pozos habían recuperado la calidad del agua potable que tenían antes del tsunami un año y medio después del suceso. [30] El IWMI elaboró protocolos para limpiar pozos contaminados con agua salada; posteriormente, estos fueron aprobados oficialmente por la Organización Mundial de la Salud como parte de su serie de directrices de emergencia. [31]
Los métodos más simples de análisis químico son aquellos que miden los elementos químicos sin tener en cuenta su forma. El análisis elemental de oxígeno , por ejemplo, indicaría una concentración de 890 g/L ( gramos por litro ) de muestra de agua porque el oxígeno (O) tiene el 89% de la masa de la molécula de agua (H2O ) . El método seleccionado para medir el oxígeno disuelto debe diferenciar entre el oxígeno diatómico y el oxígeno combinado con otros elementos. La simplicidad comparativa del análisis elemental ha producido una gran cantidad de datos de muestra y criterios de calidad del agua para elementos a veces identificados como metales pesados . El análisis de agua para metales pesados debe considerar partículas de suelo suspendidas en la muestra de agua. Estas partículas de suelo suspendidas pueden contener cantidades mensurables de metal. Aunque las partículas no se disuelven en el agua, pueden ser consumidas por las personas que beben el agua. Agregar ácido a una muestra de agua para evitar la pérdida de metales disueltos en el recipiente de muestra puede disolver más metales de las partículas de suelo suspendidas. Sin embargo, la filtración de partículas de suelo de la muestra de agua antes de la adición de ácido puede causar la pérdida de metales disueltos en el filtro. [32] Las complejidades de diferenciar moléculas orgánicas similares son aún más desafiantes.
Realizar estas mediciones complejas puede resultar costoso. Debido a que las mediciones directas de la calidad del agua pueden ser costosas, normalmente se llevan a cabo programas de monitoreo continuo y los resultados son publicados por agencias gubernamentales . Sin embargo, existen programas y recursos voluntarios locales disponibles para realizar algunas evaluaciones generales. [33] Las herramientas disponibles para el público en general incluyen kits de prueba in situ, comúnmente utilizados para peceras domésticas , y procedimientos de evaluación biológica.
Biosensores
Los biosensores tienen el potencial de ofrecer "alta sensibilidad, selectividad, confiabilidad, simplicidad, bajo costo y respuesta en tiempo real". [34] Por ejemplo, los bionanotecnólogos informaron sobre el desarrollo de ROSALIND 2.0 , que puede detectar niveles de diversos contaminantes del agua. [35] [36]
Monitoreo en tiempo real
Aunque la calidad del agua suele muestrearse y analizarse en laboratorios, desde finales del siglo XX ha aumentado el interés público por la calidad del agua potable suministrada por los sistemas municipales. Muchas empresas de agua han desarrollado sistemas para recopilar datos en tiempo real sobre la calidad del agua de origen. A principios del siglo XXI, se han desplegado diversos sensores y sistemas de monitoreo remoto para medir el pH del agua, la turbidez, el oxígeno disuelto y otros parámetros. [37] También se han desarrollado algunos sistemas de teledetección para monitorear la calidad del agua ambiental en cuerpos de agua fluviales, estuarinos y costeros. [38] [39]
Las personas interesadas en monitorear la calidad del agua que no pueden costear o no pueden gestionar un análisis a escala de laboratorio también pueden utilizar indicadores biológicos para obtener una lectura general de la calidad del agua. Un ejemplo es el programa de monitoreo voluntario del agua IOWATER de Iowa , que incluye una clave de indicadores EPT. [42]
Los moluscos bivalvos se utilizan ampliamente como bioindicadores para monitorear la salud de los ambientes acuáticos tanto en agua dulce como en ambientes marinos. Su estado o estructura poblacional, fisiología, comportamiento o el nivel de contaminación con elementos o compuestos pueden indicar el estado de contaminación del ecosistema. Son particularmente útiles ya que son sésiles, por lo que son representativos del entorno donde se muestrean o colocan. Un proyecto típico es el Programa de Vigilancia de Mussel de Estados Unidos [43] , pero hoy en día se utilizan en todo el mundo.
El método del Sistema de Puntuación de África Meridional (SASS, por sus siglas en inglés) es un sistema de monitoreo biológico de la calidad del agua basado en la presencia de macroinvertebrados bentónicos (EPT, por sus siglas en inglés). La herramienta de biomonitoreo acuático SASS se ha perfeccionado durante los últimos 30 años y ahora se encuentra en la quinta versión (SASS5), que se ha modificado específicamente de acuerdo con las normas internacionales, a saber, el protocolo ISO/IEC 17025. [44] El método SASS5 es utilizado por el Departamento de Asuntos Hídricos de Sudáfrica como método estándar para la Evaluación de la Salud de los Ríos, que alimenta el Programa Nacional de Salud de los Ríos y la Base de Datos Nacional de Ríos.
Impactos del cambio climático
El clima y las perturbaciones relacionadas con él pueden afectar la calidad del agua de diversas maneras, que dependen del clima y el contexto locales. [45] Las perturbaciones relacionadas con el clima incluyen la escasez de agua, las lluvias intensas y las temperaturas extremas. Pueden dañar la infraestructura hídrica a través de la erosión causada por las fuertes lluvias y las inundaciones, provocar la pérdida de fuentes de agua en las sequías y deteriorar la calidad del agua. [45]
El cambio climático puede reducir la calidad del agua de varias maneras: [46] : 582
Las lluvias intensas pueden reducir rápidamente la calidad del agua de los ríos y de las aguas subterráneas poco profundas. Pueden afectar la calidad del agua de los embalses, aunque estos efectos pueden ser lentos. [47] Las lluvias intensas también afectan a las aguas subterráneas de los acuíferos más profundos y no fracturados, pero estos impactos son menos pronunciados. Las lluvias pueden aumentar la contaminación fecal de las fuentes de agua. [45]
Las inundaciones después de fuertes lluvias pueden mezclar el agua de la inundación con las aguas residuales . Además, los contaminantes pueden llegar a los cuerpos de agua debido al aumento de la escorrentía superficial .
La calidad de las aguas subterráneas puede deteriorarse debido a las sequías. La contaminación de los ríos que alimentan las aguas subterráneas se diluye menos. A medida que los niveles de las aguas subterráneas descienden, los ríos pueden perder contacto directo con ellas. [48]
El aumento del agua de deshielo de los glaciares puede liberar contaminantes. [53] A medida que los glaciares se reducen o desaparecen, el efecto positivo del agua de deshielo estacional en la calidad del agua río abajo a través de la dilución está desapareciendo. [54]
Normas e informes
Al establecer estándares, las agencias toman decisiones políticas y técnicas/científicas basadas en cómo se usará el agua. [55] En el caso de los cuerpos de agua naturales , las agencias también hacen una estimación razonable de las condiciones prístinas. Los cuerpos de agua naturales variarán en respuesta a las condiciones ambientales de una región, por lo que la composición del agua está influenciada por las características geológicas circundantes, los sedimentos y los tipos de rocas, la topografía , la hidrología y el clima. [56] Los científicos ambientales y los geoquímicos acuosos trabajan para interpretar los parámetros y las condiciones ambientales que impactan la calidad del agua de una región, lo que a su vez ayuda a identificar las fuentes y los destinos de los contaminantes . Los abogados ambientales y los formuladores de políticas trabajan para definir la legislación con la intención de que el agua se mantenga en una calidad apropiada para su uso identificado.
La Organización Internacional de Normalización (ISO) publicó [ ¿cuándo? ] la reglamentación de la calidad del agua en la sección ICS 13.060, [57] que abarca desde el muestreo de agua, el agua potable, el agua de clase industrial, el alcantarillado y el examen del agua para determinar sus propiedades químicas, físicas o biológicas. La ICS 91.140.60 cubre los estándares de los sistemas de suministro de agua. [58]
Especificaciones nacionales para agua potable y agua ambiente
unión Europea
La política del agua de la Unión Europea está codificada principalmente en tres directivas :
Directiva 91/271/CEE, de 21 de mayo de 1991, sobre el tratamiento de las aguas residuales urbanas, relativa al vertido de aguas residuales municipales y de algunas aguas residuales industriales ;
Las directrices de calidad del agua para Sudáfrica se agrupan según los tipos de usuarios potenciales (por ejemplo, domésticos, industriales) en las Directrices de calidad del agua de 1996. [59] La calidad del agua potable está sujeta a la Especificación de agua potable de la Norma Nacional Sudafricana (SANS) 241. [60]
Reino Unido
En Inglaterra y Gales, los niveles aceptables para el suministro de agua potable se enumeran en el "Reglamento de suministro de agua (calidad del agua) de 2000". [61]
Estados Unidos
En los Estados Unidos, las agencias estatales definen estándares de calidad del agua para varios cuerpos de agua, guiados por los usos deseados para el cuerpo de agua (por ejemplo, hábitat de peces, suministro de agua potable, uso recreativo). [62] La Ley de Agua Limpia (CWA) requiere que cada jurisdicción gobernante (estados, territorios y entidades tribales cubiertas) presente un conjunto de informes bienales sobre la calidad del agua en su área. Estos informes se conocen como informes 303(d) y 305(b), llamados así por sus respectivas disposiciones de la CWA, y se envían a la EPA y son aprobados por ella. [63] Estos informes son completados por la jurisdicción gobernante, generalmente una agencia ambiental estatal . La EPA recomienda que cada estado presente un único "Informe Integrado" que comprenda su lista de aguas deterioradas y el estado de todos los cuerpos de agua en el estado. [64] El Informe del Inventario Nacional de Calidad del Agua al Congreso es un informe general sobre la calidad del agua, que proporciona información general sobre la cantidad de millas de arroyos y ríos y su condición agregada. [65] La CWA exige que los estados adopten normas para cada uno de los posibles usos designados que asignan a sus aguas. Si la evidencia sugiere o documenta que un arroyo, río o lago no ha cumplido con los criterios de calidad del agua para uno o más de sus usos designados, se lo coloca en una lista de aguas deterioradas. Una vez que un estado ha incluido un cuerpo de agua en esta lista, debe desarrollar un plan de gestión que establezca Cargas Diarias Máximas Totales (TMDL) para el o los contaminantes que afectan el uso del agua. Estas TMDL establecen las reducciones necesarias para respaldar plenamente los usos designados. [66]
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Enlaces externos
Base de datos mundial sobre la calidad del agua dulce (GEMStat) – Programa de las Naciones Unidas para el Medio Ambiente
La política del agua en la Unión Europea
Centros para el Control y la Prevención de Enfermedades de EE. UU. (CDC): calidad y análisis del agua potable (Estados Unidos)
Agencia de Protección Ambiental de los Estados Unidos – Datos y herramientas sobre el agua de la USEPA
Servicio Geológico de Estados Unidos – Programa Nacional de Evaluación de la Calidad del Agua del USGS
Archivado el 24 de marzo de 2018 en Wayback Machine – Asociación profesional
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