3.4: Agua e Ingeniería

Muchos de los grandes logros de ingeniería que comienzan desde los primeros tiempos hasta el presente se han asociado con proporcionar un suministro de agua confiable y con la eliminación de aguas residuales. Los acueductos romanos que abastecían de agua potable a Roma y otras ciudades entre el 300 a.C. y el 300 d.C., son un ejemplo de ello. El sistema de alcantarillado en Londres desarrollado a finales del siglo XIX es otro ejemplo. Debido a estos logros de ingeniería, la mayoría de las personas en el mundo desarrollado tienen acceso a agua potable segura.

En esta sección, se investiga la relación entre ingeniería y agua. Primero describimos el concepto de estándares de calidad del agua y cómo el agua potable debe cumplir con estos estándares. Luego describimos las técnicas que los ingenieros han desarrollado para proporcionar agua potable y tratar las aguas residuales para que no contaminen indebidamente el medio ambiente.

Normas de calidad del agua

La mayoría de nosotros sabemos que se trata el agua que recibimos de nuestros municipios locales. El tratamiento del agua tiene que seguir los estándares de calidad del agua. En Estados Unidos, el desarrollo de estándares de calidad del agua comenzó a principios del siglo XX. Con el tiempo, estos estándares de calidad del agua han evolucionado y se han vuelto más rigurosos. Leyes y regulaciones como la Ley de Agua Limpia rigen los estándares de calidad del agua en los Estados Unidos. La Agencia de Protección Ambiental (EPA) de Estados Unidos tiene la misión de proteger la salud humana y el medio ambiente. La EPA ha creado estándares de calidad del agua que definen los objetivos para una masa de agua y especifican sus usos. Establecen criterios para proteger esos usos del agua. También establecen requisitos para proteger el agua de los contaminantes.

En general, un estándar de calidad del agua consta de cuatro elementos básicos (EPA):

1. Usos designados del cuerpo de agua (por ejemplo, recreación, suministro de agua, vida acuática, agricultura).
2. Criterios de calidad del agua para proteger usos designados (concentraciones numéricas de contaminantes y requisitos narrativos).
3. Una política antidegradación para mantener y proteger los usos existentes y las aguas de alta calidad.
4. Políticas generales que abordan cuestiones de implementación (por ejemplo, flujos bajos, varianzas, zonas de mezcla).

Se requiere que los gobiernos estatales identifiquen los usos adecuados para los cuerpos de agua. Estos usos se identifican tomando en consideración el valor del cuerpo de agua para diversos usos. Los usos de un cuerpo de agua pueden incluir cualquiera de los siguientes: suministro público de agua, protección de peces, mariscos y vida silvestre, recreación, agricultura, industria y navegación. Al realizar estas designaciones, las autoridades correspondientes deberán examinar si el cuerpo de agua es adecuado para el uso previsto. Esta determinación se realiza con base en las características físicas, químicas y biológicas del cuerpo de agua, su entorno geográfico y sus cualidades escénicas, y consideraciones económicas.

Agua Potable

La ciudad de Nueva York vigila su agua potable para garantizar que sea segura. Este letrero marca la ubicación de una estación donde se muestrea el agua potable.

La calidad del agua potable difiere de un lugar a otro. La calidad depende de la condición de la fuente de agua y del tratamiento. Se requiere que cada proveedor de agua de la comunidad local proporcione un informe anual, a veces conocido como “informe de confianza del consumidor” al público. Este reporte suele proporcionar información sobre la calidad del agua potable local, su fuente y los contaminantes que se encuentran en el agua (Figura anterior).

Los científicos reportan los contaminantes en el agua como contaminantes en partes por millón (ppm), partes por mil millones (ppb) y partes por billón. Cuando las mediciones de contaminantes del agua se reportan de esta manera, puede preguntarse: ¿Cómo pueden causar problemas de salud cantidades de contaminantes que parecen tan pequeñas? La investigación científica ha demostrado que, por ejemplo, concentraciones de plomo tan pequeñas como 15 ppb pueden ser perjudiciales para bebés y niños. El olor a productos derivados del petróleo en el agua puede ser detectado por los humanos incluso cuando la cantidad de petróleo en el agua es tan baja como 10 ppb.

Es muy importante señalar que no existe tal cosa como el agua naturalmente pura. Toda el agua en la naturaleza contiene algún tipo de impurezas. Dado que el agua es un buen solvente, ya que fluye a través de varias capas de suelo y sobre rocas, disuelve los minerales. Estos minerales en el agua pueden obtener el sabor (bueno o malo). No obstante, si estos minerales están por encima de cierto nivel, podrían ser dañinos.

¿Alguna vez has pensado de dónde viene tu agua potable? Muchos de nosotros damos por sentado el agua potable que obtenemos cuando encendemos el grifo de nuestra cocina. El agua en muchas áreas urbanas proviene de fuentes superficiales como lagos, ríos y embalses. Estas fuentes pueden estar cerca de las zonas urbanas o muy lejanas. Los proveedores de agua procuran y tratan el agua que proporcionan. Es importante considerar toda la cuenca hidrográfica que provee el agua. Una cuenca hidrográfica es la tierra de la que la precipitación (generalmente lluvia o nieve) desemboca en el río, lago o embalse.

En muchas zonas urbanas y rurales, el agua también proviene del agua subterránea que se bombea desde un pozo. Los pozos proporcionan agua de los acuíferos, que son depósitos naturales de agua debajo de la superficie terrestre. Los acuíferos pueden encontrarse debajo de partes de varios estados o solo pueden tener unos pocos kilómetros de ancho. Así, la calidad del agua se ve afectada no sólo por la fuente de agua como un río o pozo que podemos ver, sino también por actividades que ocurren a muchos kilómetros de distancia.

Antes de que el agua sea entregada a nuestros hogares, se trata el agua. El tratamiento del agua potable que es más común es la desinfección. Los proveedores de agua agregan cloro u otro desinfectante para matar bacterias y gérmenes en el agua. Este tratamiento común del agua potable es considerado como uno de los avances científicos más importantes del siglo XX.

Actividad

Métodos comunes de tratamiento de agua: Antes de examinar una planta de tratamiento de agua, enumere y describa algunas formas comunes de tratar el agua o purificar el agua para beber que puede hacer en casa o durante emergencias.

Materiales necesarios: Computación accesible a Internet, libros de texto de ciencias.

Frases sugeridas para buscar en Internet: Purificación de agua en casa, Purificación de agua durante emergencias, Métodos comunes de purificación de agua.

Direcciones: Trabajando solo o en grupo, haga una lluvia de ideas sobre una lista de formas en las que el agua potable puede ser mala. De tu lista, identifica los problemas que podrían necesitar ser tratados. Haga una lluvia de ideas sobre una segunda lista de formas de obtener buena agua potable en su hogar. ¿Alguno de estos resuelve los problemas identificados en tu primera lista?

Usando Internet, investiga noticias relacionadas con el suministro de agua y problemas de agua en tu comunidad local. ¿Cómo se comparan los resultados de tu investigación con tu primera lista de problemas potenciales con el agua? ¿Hay problemas que no anticipó?

Investigar información sobre técnicas de purificación de agua que pueden ser utilizadas en el hogar. Discuta en pequeños grupos lo que aprendiste de tu investigación. Prepare una tabla con una breve descripción de los problemas comunes del agua y los métodos de tratamiento/purificación apropiados para cada problema; incluya una lista de materiales que necesitaría para cada método de tratamiento e ilustre cada método haciendo su propio dibujo.

Sugerencias: Filtración, Hervido, Destilación, Ablandadores de agua, Ósmosis inversa

Extensiones: ¿Cuál será el costo de implementar estas técnicas de purificación de agua en el hogar si necesitara agua potable para una familia de cuatro? ¿Cómo harías para determinar la cantidad de agua que vas a necesitar? ¿Cuál es el método más efectivo en términos de eliminar impurezas por la cantidad de agua que necesita para una familia para cuatro personas con fines de bebida/alimentación?

Fundamentos de Tratamiento de Agua

Los municipios deben realizar dos tipos de tratamiento de agua: el tratamiento del agua antes de que sea utilizada para beber y otros fines, y el tratamiento de aguas residuales como las aguas residuales para que sea seguro regresar al medio ambiente. Por lo general, el agua potable se trata en función de la calidad del agua de origen. El agua subterránea, por ejemplo, suele requerir menos tratamiento que las aguas superficiales de un río o un lago. Así, la calidad del agua que ingresa a su planta de tratamiento de agua comunitaria determina cómo se tratará el agua antes de su distribución.

Las aguas residuales incluyen las aguas residuales así como el agua utilizada en procesos industriales y agrícolas. Fluye de hogares y barrios a través de tuberías de aguas residuales a una planta de tratamiento de aguas residuales. Aquí, las aguas residuales son tratadas para eliminar sólidos y contaminantes. Las aguas residuales tratadas pueden reutilizarse para riego y paisajismo. Las aguas residuales tratadas también son devueltas a arroyos, ríos y océanos, que también pueden ser fuente de contaminación.

Las plantas de tratamiento para agua potable y para aguas residuales cuentan con equipos y procesos para eliminar o destruir materiales y organismos nocivos. Una planta de tratamiento utiliza tanques y piezas mecánicas como válvulas y bombas para mover el agua a través de los diferentes procesos. Estos procesos son diseñados y administrados por ingenieros de agua. Otras especialidades de ingeniería, incluyendo ingeniería mecánica y de construcción, juegan un papel en la construcción y mantenimiento de plantas de tratamiento de agua.

Tratamiento de Agua Potable

Ilustración de un proceso típico de tratamiento de agua potable.

El agua de ríos, lagos y arroyos o agua subterránea se bombea y transporta a una instalación de tratamiento de agua potable. Después el agua se procesa a través de diversas unidades para preparar el agua para su distribución a los hogares. El tratamiento del agua implica los pasos mostrados en la Figura anterior y descritos a continuación.

Coagulación. Primero, la suciedad y otras partículas deben eliminarse del agua. Los floculantes son químicos como el alumbre (sulfato de aluminio y potasio) que hacen que la suciedad y otras partículas se peguen entre sí; los floculantes se agregan al agua, lo que crea partículas más grandes llamadas flóculos.

Sedimentación. A medida que el agua se mueve a través de los tanques de sedimentación, las partículas de flóculos se asientan en el fondo del tanque. Luego, el agua clara fluye a una unidad de filtración.

Filtración. La filtración elimina pequeñas partículas del agua pasándola a través de capas de arena, grava y carbón vegetal. Luego, el agua pasa a la desinfección antes del almacenamiento.

Desinfección. El agua se desinfecta con cloro u otros químicos, llamados desinfectantes, para matar cualquier bacteria y otros organismos dañinos. La cantidad de desinfectantes añadidos al agua tiene que ser ajustada cuidadosamente, porque demasiado puede ser perjudicial para los humanos, pero muy poco no matará a los organismos nocivos.

Almacenamiento. Después de la desinfección, el agua se almacena en tanques de almacenamiento hasta que sea necesaria para su distribución a hogares, negocios y otros usuarios de agua.

Actividad

¿Cuáles son los mecanismos que mantienen la presión del agua durante los tiempos pico de uso del agua en las zonas urbanas? Se puede imaginar fácilmente que en la mayoría de las ciudades urbanas, el uso del agua alcanzará su punto máximo durante ciertas horas del día. ¿Te has preguntado cómo se mantiene el caudal de agua y la presión a la que sale el agua de los grifos de tu hogar durante las mañanas cuando la mayoría de la gente se prepara para irse a la escuela o al trabajo? Este es un momento en el que el uso del agua es alto ya que las personas se cepillan los dientes, se duchan y usan agua para la higiene personal

Materiales necesarios: Computación accesible a Internet, libros de texto de ciencias.

Frases sugeridas para buscar en Internet: Presión del agua, flujo de agua durante los tiempos pico de uso del agua

Direcciones: Investigue y revise información sobre cómo los sistemas de suministro de agua o los municipios locales o los sistemas de suministro de agua de su ciudad regulan el flujo y la presión del agua durante las horas pico. Discuta en pequeños grupos lo que aprendiste de tu investigación. Preparar un breve ensayo que describa los mecanismos o técnicas utilizados por los proveedores de agua para mantener el flujo y la presión del agua durante las horas pico. Ilustra esta técnica haciendo tu propio dibujo.

Sugerencia: ¿Has visto tanques de torre de agua en ciudades que están en áreas planas? Investigue para qué sirven estos tanques de torre de agua. ¿Qué hacen las bombas de agua? Investigar las diversas formas en que una ciudad o sistema municipal de abastecimiento de agua utiliza bombas de agua.

Tratamiento de aguas residuales

Antes de que las aguas residuales puedan ser liberadas al ambiente, se tratan en una planta de tratamiento de aguas residuales. Una vista aérea de una planta de tratamiento de aguas residuales se muestra en la Figura a continuación. La siguiente imagen (Figura abajo) ilustra los pasos involucrados en el tratamiento de aguas residuales. Describimos los pasos con más detalle a continuación.

Una vista aérea de una planta de tratamiento de aguas residuales en Dresde, Alemania.

Pasos en un proceso típico de tratamiento de aguas residuales.

Bombeo. Las instalaciones de tratamiento de aguas residuales suelen ubicarse en terreno bajo para que la gravedad mueva las aguas residuales de los hogares a la planta de tratamiento. Por lo general, se necesitan bombas para levantar las aguas residuales a medida que ingresa a la instalación de tratamiento. La instalación de tratamiento utiliza la gravedad para mover las aguas residuales a través del proceso de tratamiento.

Pantalla de barra. Al ingresar a la planta de tratamiento, las aguas residuales pueden contener artículos grandes como botellas de plástico, latas, palos, rocas e incluso animales muertos. Estos artículos son retirados por la pantalla de barras y enviados a un relleno sanitario. Si no se retiran, dañarán los equipos de la planta de tratamiento.

Cámara de grano. Después del cribado, las aguas residuales ingresan a la cámara de arena en la que partículas más grandes (como arena o suciedad) se depositan fuera del agua. A menudo, el agua se airea (se burbujea aire a través de ella) para evitar que las partículas más pequeñas se sedimenten. La aireación hace que se liberen algunos de los gases que se disuelven en el agua (por ejemplo, sulfuro de hidrógeno que huele a huevos podridos).

Tanque de sedimentación. En el tanque de sedimentación (también conocido como el clarificador primario), los sólidos se asientan en el fondo a medida que el lodo y la espuma flota en la parte superior. El lodo es bombeado fuera del clarificador primario y enviado a la planta de procesamiento de sólidos. La espuma está compuesta por materiales más ligeros como grasa, aceite, jabón, etc. Los rastrillos de movimiento lento se utilizan para recolectar la espuma de la superficie de las aguas residuales.

Aireación secundaria y clarificador. Las aguas residuales se exponen al aire en un aireador, que proporciona oxígeno para microorganismos que ayudan a descomponer los contaminantes en el agua. Esto se puede hacer rociando las aguas residuales en el aire o burbujeando aire a través de las aguas residuales. El efluente aireado se pasa a un clarificador secundario, que es un tanque o estanque grande; en el clarificador, los microorganismos descomponen el material orgánico y absorben nutrientes como nitrógeno y fósforo. Los microorganismos y los sólidos restantes se depositan fuera del efluente como lodo activado. La mayor parte del lodo activado se bombea a la planta de procesamiento de sólidos, mientras que el lodo restante se bombea a las aguas residuales que ingresan al aireador. Esto introduce microorganismos adicionales en las aguas residuales para acelerar la descomposición de la materia orgánica.

Filtración. La filtración se puede utilizar para reducir aún más la materia orgánica en el agua. El agua se filtra a través de una sustancia, generalmente arena y rocas. Durante este proceso de filtración, se eliminan la mayoría de las bacterias, se reduce la turbidez y el color en las aguas residuales, se eliminan los olores, se reduce la cantidad de hierro en las aguas residuales y también se elimina cualquier otro sólido que pueda haber permanecido en el agua. Posteriormente, esta agua puede filtrarse nuevamente a través de un filtro de carbón como carbón vegetal para eliminar las partículas orgánicas.

Desinfección. Para matar las bacterias dañinas restantes y otros patógenos en las aguas residuales procesadas, se agrega cloro y otros productos químicos en un tanque de desinfección. El cloro puede ser dañino si se agrega en cantidades excesivas. (Es posible que hayas notado el olor a cloro o haber tenido los ojos irritados cuando estuviste expuesto al cloro en una piscina.) Por lo tanto, en algunos casos, el cloro debe ser neutralizado con otros químicos después de que haya matado a las bacterias para proteger a los organismos marinos.

Procesamiento de sólidos. Los sólidos incluyen el lodo y la espuma removidos en el tanque de sedimentación y los lodos activados retirados del clarificador secundario. Estos sólidos pueden procesarse adicionalmente en dispositivos llamados digestores, los cuales son tanques calentados y cerrados. Los desechos sólidos se mantienen en estos tanques durante 20 a 30 días para reducir el volumen del material, reducir los olores y también destruir cualquier organismo que tenga el potencial de causar enfermedades. Dependiendo de la fuente y composición de las aguas residuales, los sólidos digeridos se envían a un relleno sanitario o se utilizan como fertilizante para cultivos. El uso de los desechos sólidos procesados como fertilizantes generalmente se realiza solo después de pruebas cuidadosas para detectar cualquier posible contaminación peligrosa.

El agua tratada que es liberada por la planta se llama efluente. El efluente generalmente se libera en un río local o en el océano. En algunos lugares, esta agua puede ser utilizada para paisajismo (por ejemplo, para regar césped o campos de golf), pero no para beber.

Preguntas de revisión

Las siguientes preguntas te ayudarán a evaluar tu comprensión de esta sección. Puede haber una, dos, tres o incluso cuatro respuestas correctas a cada pregunta. Para demostrar su comprensión, debe encontrar todas las respuestas correctas.

1. La agencia gubernamental de Estados Unidos que es responsable de los estándares de calidad del agua es
   1. la Agencia de Protección Ambiental
   2. la administración nacional del aire y del espacio
   3. el presidente de Estados Unidos
   4. el servicio forestal
2. Los suministros de agua urbana provienen de
   1. bocas de incendio
   2. fuentes superficiales como lagos, ríos y embalses
   3. el océano
   4. agua subterránea
3. Dos tipos de tratamiento de agua son
   1. tratamiento de aguas residuales
   2. congelación y fusión
   3. agregar una rodaja de limón
   4. tratamiento de agua potable
4. El diseño y gestión de procesos en una planta de tratamiento de agua involucró estas especializaciones de ingeniería
   1. ingeniería de agua
   2. ingeniería social
   3. ingeniería mecánica
   4. ingeniería de construcción
5. El propósito de la desinfección es
   1. contaminar aún más el agua
   2. matar peces y otros animales marinos
   3. matar bacterias
   4. hacer que el agua sepa bien
6. El propósito del tratamiento de aguas residuales es
   1. hacer que el agua sea lo suficientemente limpia como para beber
   2. eliminar la materia sólida y orgánica del agua
   3. matar bacterias dañinas
   4. reducir la contaminación causada por las aguas residuales