Introducción a la ingeniería ambiental [3ª ed.] 9786074819175, 6074819173

Table of contents :
COVER
CONTENIDO
PREFACIO
SOBRE LOS AUTORES
PRIMERA PARTE INGENIERÍA AMBIENTAL
CAPÍTULO 1 IDENTIFICACIÓN Y RESOLUCIÓN DE PROBLEMAS AMBIENTALES
1.1 ¿Qué es la ingeniería ambiental?
1.1.1 Orígenes de la ingeniería ambiental
1.1.2 La ingeniería ambiental en la actualidad
1.1.3 La ingeniería ambiental en el horizonte
1.2 Estudios de caso
1.2.1 El brote de hepatitis en Holy Cross College
1.2.2 Eliminación de los sedimentos de aguas residuales
1.2.3 El episodio de Donora
1.2.4 Cromo en Jersey City
1.2.5 El descubrimiento del tratamiento biológico de las aguas residuales
1.2.6 La barcaza de la basura
1.3 Sostenibilidad y diseño de cuna a cuna
1.3.1 Marco para la sostenibilidad
1.3.2 Diseño de cuna a cuna
Notas finales
SEGUNDA PARTE FUNDAMENTOS
CAPÍTULO 2 DECISIONES EN INGENIERÍA
2.1 Decisiones basadas en análisis técnicos
2.2 Decisiones basadas en el análisis de rentabilidad
2.3 Decisiones basadas en el análisis de costo/beneficio
2.4 Decisiones basadas en el análisis de riesgo
2.4.1 Procedimiento de análisis de riesgo ambiental
2.4.2 Gestión del riesgo ambiental
2.5 Decisiones basadas en la evaluación de opciones
2.6 Decisiones basadas en el análisis de impacto ambiental
2.6.1 Inventario
2.6.2 Valoración
2.6.3 Evaluación
2.7 Decisiones basadas en análisis éticos
2.7.1 El utilitarismo y las teorías deontológicas
2.7.2 Ética ambiental y valor instrumental
2.7.3 Ética ambiental y valor intrínseco
2.7.4 Ética ambiental y espiritualidad
2.7.5 Observaciones finales
2.8 Continuidad en las decisiones de la ingeniería
Problemas
Notas finales
CAPÍTULO 3 CÁLCULOS EN LA INGENIERÍA
3.1 Dimensiones y unidades en la ingeniería
3.1.1 Densidad
3.1.2 Concentración
3.1.3 Tasa de flujo
3.1.4 Tiempo de retención
3.2 Aproximaciones en los cálculos de la ingeniería
3.2.1 Procedimiento para los cálculos con aproximaciones
3.2.2 Uso de cifras significativas
3.3 Análisis de la información
Problemas
Notas finales
CAPÍTULO 4 BALANCES Y SEPARACIONES DE MATERIA
4.1 Balances de materia con un solo material
4.1.1 Separación de las corrientes de flujo de un solo material
4.1.2 Combinación de corrientes de flujo de un solo material
4.1.3 Procesos complejos con un solo material
4.2 Balances de materia con múltiples materiales
4.2.1 Mezclar corrientes de flujo de múltiples materiales
4.2.2 Separación de corrientes de flujo de múltiples materiales
4.2.3 Procesos complejos con múltiples materiales
4.3 Balances de materia con reactores
Problemas
Notas finales
CAPÍTULO 5 REACCIONES
5.1 Reacciones de orden cero
5.2 Reacciones de primer orden
5.3 Reacciones de segundo orden y de orden no entero
5.4 Vida media y tiempo doble
5.5 Reacciones consecutivas
Problemas
Notas finales
CAPÍTULO 6 REACTORES
6.1 Modelo de mezcla
6.1.1 Reactores mixtos por lotes
6.1.2 Reactores de flujo estacionario
6.1.3 Reactores de flujo completamente mezclado
6.1.4 Reactores de flujo completamente mezclado en serie
6.1.5 Modelos de mezcla con señales continuas
6.1.6 Reactores de flujo arbitrario
6.2 Modelos de reactores
6.2.1 Reactores mixtos por lotes
6.2.2 Reactores de flujo estacionario
6.2.3 Reactores de flujo completamente mezclado
6.2.4 Reactores de flujo completamente mezclado en serie
6.2.5 Comparación del desempeño del reactor
Problemas
CAPÍTULO 7 FLUJOS Y BALANCES DE ENERGÍA
7.1 Unidades de medición
7.2 Balances de energía y conversión
7.3 Fuentes y disponibilidad de energía
7.3.1 Equivalencia de la energía
7.3.2 Producción de energía eléctrica
Problemas
CAPÍTULO 8 ECOSISTEMAS
8.1 Flujos de energía y materia en los ecosistemas
8.2 Influencia humana en los ecosistemas
8.2.1 Efecto de los pesticidas en un ecosistema
8.2.2 Efecto de los nutrientes en un ecosistema lacustre
8.2.3 Efecto de los desechos orgánicos en un ecosistema de corriente
8.2.4 Efecto del diseño en un ecosistema
Problemas
Notas finales
TERCERA PARTE APLICACIONES
CAPÍTULO 9 CALIDAD DEL AGUA
9.1 Indicadores de la calidad del agua
9.1.1 Oxígeno disuelto
9.1.2 Demanda de oxígeno
9.1.3 Sólidos
9.1.4 Nitrógeno
9.1.5 Mediciones bacteriológicas
9.2 Evaluación de la calidad del agua
9.3 Normas de calidad del agua
9.3.1 Normas de agua potable
9.3.2 Normas de aguas residuales
9.3.3 Normas de calidad de agua superficial
Problemas
Notas finales
CAPÍTULO 10 SUMINISTRO Y TRATAMIENTO DE AGUA
10.1 El ciclo hidrológico y la disponibilidad de agua
10.1.1 Suministros en mantos freáticos
10.1.2 Suministros de agua superficial
10.2 Tratamiento de agua
10.2.1 Ablandamiento
10.2.2 Coagulación y floculación
10.2.3 Sedimentación
10.2.4 Filtración
10.2.5 Desinfección
10.2.6 Otros procesos de tratamiento
10.3 Distribución de agua
Problemas
Notas finales
CAPÍTULO 11 TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES
11.1 Aguas residuales
11.1.1 Transportación
11.1.2 Componentes
11.2 Tratamientos preliminar y primario
11.2.1 Tratamiento preliminar
11.2.2 Tratamiento primario
11.3 Tratamiento secundario
11.3.1 Reactores de lecho fijo
11.3.2 Reactores de crecimiento suspendido
11.3.3 Diseño de sistemas de lodos activados con base en la dinámica de procesos biológicos
11.3.4 Transferencia de gases
11.3.5 Separación de sólidos
11.3.6 Efluente
11.4 Tratamiento terciario
11.4.1 Eliminación de nutrientes
11.4.2 Sólidos adicionales y eliminación orgánica
11.4.3 Humedales
11.5 Tratamiento y eliminación de sedimentos
11.5.1 Estabilización del sedimento
11.5.2 Deshidratación de sedimento
11.5.3 Eliminación final
11.6 Selección de estrategias de tratamiento
Problemas
Notas finales
CAPÍTULO 12 CALIDAD DE AIRE
12.1 Meteorología y movimiento del aire
12.2 Contaminantes principales del aire
12.2.1 Particulados
12.2.2 Medición de los particulados
12.2.3 Contaminantes gaseosos
12.2.4 Medición de los gases
12.2.5 Medición del humo
12.2.6 Visibilidad
12.3 Fuentes y efectos de la contaminación del aire
12.3.1 Óxidos de azufre y de nitrógeno y lluvia ácida
12.3.2 Esmog fotoquímico
12.3.3 Agotamiento del ozono
12.3.4 Calentamiento global (cambio climático)
12.3.5 Otras fuentes de contaminantes del aire
12.3.6 Aire en interiores
12.4 Estándares de la calidad del aire
12.4.1 Legislación sobre la calidad del aire en Estados Unidos
12.4.2 Estándares de emisiones y calidad del aire ambiente
Problemas
Notas finales
CAPÍTULO 13 CONTROL DE LA CALIDAD DEL AIRE
13.1 Tratamiento de emisiones
13.1.1 Control de partículas
13.1.2 Control de contaminantes gaseosos
13.1.3 Control de óxidos de azufre
13.2 Dispersión de los contaminantes del aire
13.3 Control de fuentes en movimiento
Problemas
Notas finales
CAPÍTULO 14 RESIDUOS SÓLIDOS
14.1 Recolección de basura
14.2 Generación de residuos
14.3 Reutilización y reciclaje de los materiales de la basura
14.3.1 Procesamiento de los residuos
14.3.2 Mercados para los residuos
14.4 Combustión de basura
14.5 Disposición final de residuos: rellenos sanitarios
14.6 Residuos: reducción en la fuente
14.6.1 ¿Por qué?
14.6.2 Análisis del ciclo de vida
14.7 Gestión integrada de los residuos sólidos
Problemas
Notas finales
CAPÍTULO 15 MANEJO DE RESIDUOS PELIGROSOS
15.1 Definición de residuo peligroso
15.2 Manejo de residuos peligrosos
15.2.1 Limpieza de sitios abandonados
15.2.2 Tratamiento de residuos peligrosos
15.2.3 Eliminación de residuos peligrosos
15.3 Manejo de residuos radiactivos
15.3.1 Radiación ionizante
15.3.2 Riesgos asociados con la radiación ionizante
15.3.3 Tratamiento y eliminación de residuos radiactivos
15.4 Manejo de materiales sostenibles
15.4.1 Química ecológica
15.4.2 Prevención de la contaminación
15.5 El manejo de los residuos peligrosos y las generaciones futuras
Problemas
Notas finales
CAPÍTULO 16 CONTAMINACIÓN POR RUIDO
16.1 Sonido
16.2 Medición del sonido
16.3 Efecto del ruido en la salud humana
16.4 Reducción del ruido
16.5 Control del ruido
16.5.1 Proteger al receptor
16.5.2 Reducir el ruido en la fuente
16.5.3 Control de la ruta del ruido
Problemas
Notas finales
ÍNDICE ANALÍTICO

Citation preview

Vesilind Morgan Heine

Introducción a la

I N G E N I E R Í A A M B I E N TA L

Tercera Edición

Tercera Edición

Introducción a la

INGENIERÍA A M B I E N TA L P. AARNE VESILIND SUSAN M. MORGAN LAUREN G. HEINE

Visite nuestro sitio en http://latinoamerica.cengage.com

INTRODUCCIÓN A LA INGENIERÍA AMBIENTAL TERCERA EDICIÓN

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INTRODUCCIÓN A LA INGENIERÍA AMBIENTAL TERCERA EDICIÓN

P. AARNE VESILIND Bucknell University SUSAN M. MORGAN Southern Illinois University Edwardsville LAUREN G. HEINE Clean Production Action

Traductores Jorge Alberto Velázquez Arellano José Luis Núñez Herrejón Revisión técnica Ing. A. S. Ph.D. Fernando Sánchez Sánchez Presidente de la Comisión Permanente de Ingeniería Ambiental y Sanitaria Sociedad Colombiana de Ingenieros M. en C. José Salvador Pantoja Magaña Profesor Cátedra del Departamento de Biotecnología e Ingeniería Química Instituto Tecnológico y de Estudios Superiores de Monterrey Campus Estado de México (ITESM-CEM)

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INTRODUCCIÓN A LA INGENIERÍA AMBIENTAL, TERCERA EDICIÓN P. Aarne Vesilind, Susan M. Morgan y Lauren G. Heine Presidente de Cengage Learning Latinoamérica Fernando Valenzuela Migoya Director editorial, de producción y de plataformas digitales para Latinoamérica Ricardo H. Rodríguez Gerente de procesos para Latinoamérica Claudia Islas Licona Gerente de manufactura para Latinoamérica Raúl D. Zendejas Espejel Gerente editorial de contenidos en español Pilar Hernández Santamarina Gerente de proyectos especiales Luciana Rabuffetti Coordinador de Manufactura Rafael Pérez González Editoras Ivonne Arciniega Torres Gloria Luz Olguín Sarmiento Diseño de portada Andrew Adams Imagen de portada © Dudarev Mikhail/ Shutterstock.com Composición tipográfica Gerardo Larios García

© D.R. 2013 por Cengage Learning Editores, S.A. de C.V., una Compañía de Cengage Learning, Inc. Corporativo Santa Fe Av. Santa Fe núm. 505, piso 12 Col. Cruz Manca, Santa Fe C.P. 05349, México, D.F. Cengage Learning® es una marca registrada usada bajo permiso. DERECHOS RESERVADOS. Ninguna parte de este trabajo amparado por la Ley Federal del Derecho de Autor, podrá ser reproducida, transmitida, almacenada o utilizada en cualquier forma o por cualquier medio, ya sea gráfico, electrónico o mecánico, incluyendo, pero sin limitarse a lo siguiente: fotocopiado, reproducción, escaneo, digitalización, grabación en audio, distribución en Internet, distribución en redes de información o almacenamiento y recopilación en sistemas de información a excepción de lo permitido en el Capítulo III, Artículo 27 de la Ley Federal del Derecho de Autor, sin el consentimiento por escrito de la Editorial. Traducido del libro Introduction to Environmental Engineering, Third Edition. P. Aarne Vesilind, Susan M. Morgan y Lauren G. Heine Publicado en inglés por Cengage Learning © 2010, 2004 ISBN 13: 978-0-495-29583-9 Datos para catalogación bibliográfica: P. Aarne Vesilind, Susan M. Morgan y Lauren G. Heine INTRODUCCIÓN A LA INGENIERÍA AMBIENTAL, TERCERA EDICIÓN ISBN 13: 9786074819175 Visite nuestro sitio en: http://latinoamerica.cengage.com

Impreso en México 1 2 3 4 5 6 7 16 15 14 13 12

Este libro está dedicado, con gratitud, al finado Edward E. Lewis, editor, cascarrabias y amigo. P. Aarne Vesilind Y a Steven J. Hanna, Ph.D., P.E, quien me introdujo a la profesión de la ingeniería y respondió todas aquellas preguntas los primeros años en el trabajo. Susan M. Morgan Y a Abbie, Orion, Aragorn y Scout y todos los amigos de todas las especies que comporten el amor que impulsa nuestras vidas. Lauren G. Heine

vii

Contenido

CONTENIDO

PREFACIO xv Sobre los autores

P

R

I

M

E

R

xix

A

P A

R

T

E

INGENIERÍA AMBIENTAL

1

CAPÍTULO 1 Identificación y resolución de problemas ambientales 1.1

¿Qué es la ingeniería ambiental? 4 1.1.1 Orígenes de la ingeniería ambiental 4 1.1.2 La ingeniería ambiental en la actualidad 4 1.1.3 La ingeniería ambiental en el horizonte 5

1.2

Estudios de caso 7 1.2.1 El brote de hepatitis en Holy Cross College 7 1.2.2 Eliminación de los sedimentos de aguas residuales 1.2.3 El episodio de Donora 12 1.2.4 Cromo en Jersey City 15 1.2.5 El descubrimiento del tratamiento biológico de las aguas residuales 18 1.2.6 La barcaza de la basura 21

1.3

Sostenibilidad y diseño de cuna a cuna 1.3.1 Marco para la sostenibilidad 1.3.2 Diseño de cuna a cuna 24

3

9

23 23

vii

viii

Contenido

S

E

G

U

N

D

A

P A

R

T

E

FUNDAMENTOS CAPÍTULO 2 Decisiones en ingeniería

29 31

2.1

Decisiones basadas en análisis técnicos

32

2.2

Decisiones basadas en el análisis de rentabilidad

2.3

Decisiones basadas en el análisis de costo/beneficio

2.4

Decisiones basadas en el análisis de riesgo 43 2.4.1 Procedimiento de análisis de riesgo ambiental 2.4.2 Gestión del riesgo ambiental 49

33 40 46

2.5

Decisiones basadas en la evaluación de opciones

2.6

Decisiones basadas en el análisis de impacto ambiental 2.6.1 Inventario 55 2.6.2 Valoración 55 2.6.3 Evaluación 62

2.7

Decisiones basadas en análisis éticos 62 2.7.1 El utilitarismo y las teorías deontológicas 63 2.7.2 Ética ambiental y valor instrumental 65 2.7.3 Ética ambiental y valor intrínseco 66 2.7.4 Ética ambiental y espiritualidad 70 2.7.5 Observaciones finales 71

2.8

Continuidad en las decisiones de la ingeniería

CAPÍTULO 3 Cálculos en la ingeniería

50 54

71

79

3.1

Dimensiones y unidades en la ingeniería 3.1.1 Densidad 80 3.1.2 Concentración 81 3.1.3 Tasa de flujo 83 3.1.4 Tiempo de retención 85

3.2

Aproximaciones en los cálculos de la ingeniería 86 3.2.1 Procedimiento para los cálculos con aproximaciones 3.2.2 Uso de cifras significativas 87

3.3

Análisis de la información

89

80

86

ix

Contenido

CAPÍTULO 4 Balances y separaciones de materia 4.1

102

Balances de materia con un solo material 103 4.1.1 Separación de las corrientes de flujo de un solo material 4.1.2 Combinación de corrientes de flujo de un solo material 4.1.3 Procesos complejos con un solo material 106

104 105

4.2

Balances de materia con múltiples materiales 114 4.2.1 Mezclar corrientes de flujo de múltiples materiales 114 4.2.2 Separación de corrientes de flujo de múltiples materiales 120 4.2.3 Procesos complejos con múltiples materiales 127

4.3

Balances de materia con reactores

CAPÍTULO 5 Reacciones

131

143

5.1

Reacciones de orden cero

145

5.2

Reacciones de primer orden

5.3

Reacciones de segundo orden y de orden no entero

5.4

Vida media y tiempo doble

5.5

Reacciones consecutivas

147 150

151 152

CAPÍTULO 6 Reactores 155 6.1

6.2

Modelo de mezcla 156 6.1.1 Reactores mixtos por lotes 156 6.1.2 Reactores de flujo estacionario 157 6.1.3 Reactores de flujo completamente mezclado 158 6.1.4 Reactores de flujo completamente mezclado en serie 6.1.5 Modelos de mezcla con señales continuas 166 6.1.6 Reactores de flujo arbitrario 166 Modelos de reactores 167 6.2.1 Reactores mixtos por lotes 167 6.2.2 Reactores de flujo estacionario 171 6.2.3 Reactores de flujo completamente mezclado 173 6.2.4 Reactores de flujo completamente mezclado en serie 6.2.5 Comparación del desempeño del reactor 176

161

175

x

Contenido

CAPÍTULO 7 Flujos y balances de energía

180

7.1

Unidades de medición

7.2

Balances de energía y conversión

7.3

Fuentes y disponibilidad de energía 187 7.3.1 Equivalencia de la energía 188 7.3.2 Producción de energía eléctrica 189

CAPÍTULO 8 Ecosistemas

181 182

198

8.1

Flujos de energía y materia en los ecosistemas

8.2

Influencia humana en los ecosistemas 207 8.2.1 Efecto de los pesticidas en un ecosistema 207 8.2.2 Efecto de los nutrientes en un ecosistema lacustre 208 8.2.3 Efecto de los desechos orgánicos en un ecosistema de corriente 211 8.2.4 Efecto del diseño en un ecosistema 219

T

R

E

C

E

R

A

P A

R

T

199

E

APLICACIONES CAPÍTULO 9 Calidad del agua

225 227

9.1

Indicadores de la calidad del agua 228 9.1.1 Oxígeno disuelto 228 9.1.2 Demanda de oxígeno 230 9.1.3 Sólidos 243 9.1.4 Nitrógeno 245 9.1.5 Mediciones bacteriológicas 247

9.2

Evaluación de la calidad del agua

9.3

Normas de calidad del agua 255 9.3.1 Normas de agua potable 255 9.3.2 Normas de aguas residuales 257 9.3.3 Normas de calidad de agua superficial

253

258

Contenido

CAPÍTULO 10 Suministro y tratamiento de agua

xi

264

10.1 El ciclo hidrológico y la disponibilidad de agua 266 10.1.1 Suministros en mantos freáticos 10.1.2 Suministros de agua superficial 273

265

10.2 Tratamiento de agua 276 10.2.1 Ablandamiento 277 10.2.2 Coagulación y floculación 296 10.2.3 Sedimentación 299 10.2.4 Filtración 307 10.2.5 Desinfección 309 10.2.6 Otros procesos de tratamiento 312 10.3 Distribución de agua

315

CAPÍTULO 11 Tratamiento de aguas residuales

322

11.1 Aguas residuales 323 11.1.1 Transportación 323 11.1.2 Componentes 323 11.2 Tratamientos preliminar y primario 326 11.2.1 Tratamiento preliminar 326 11.2.2 Tratamiento primario 328 11.3 Tratamiento secundario 331 11.3.1 Reactores de lecho fijo 331 11.3.2 Reactores de crecimiento suspendido 331 11.3.3 Diseño de sistemas de lodos activados con base en la dinámica de procesos biológicos 334 11.3.4 Transferencia de gases 346 11.3.5 Separación de sólidos 353 11.3.6 Efluente 354 11.4 Tratamiento terciario 356 11.4.1 Eliminación de nutrientes 356 11.4.2 Sólidos adicionales y eliminación orgánica 11.4.3 Humedales 360 11.5 Tratamiento y eliminación de sedimentos 362 11.5.1 Estabilización del sedimento 365 11.5.2 Deshidratación de sedimento 368 11.5.3 Eliminación final 373 11.6 Selección de estrategias de tratamiento

375

359

xii

Contenido

CAPÍTULO 12 Calidad de aire

384

12.1 Meteorología y movimiento del aire

385

12.2 Contaminantes principales del aire 390 12.2.1 Particulados 390 12.2.2 Medición de los particulados 392 12.2.3 Contaminantes gaseosos 394 12.2.4 Medición de los gases 394 12.2.5 Medición del humo 396 12.2.6 Visibilidad 397 12.3 Fuentes y efectos de la contaminación del aire 398 12.3.1 Óxidos de azufre y de nitrógeno y lluvia ácida 402 12.3.2 Esmog fotoquímico 403 12.3.3 Agotamiento del ozono 404 12.3.4 Calentamiento global (cambio climático) 406 12.3.5 Otras fuentes de contaminantes del aire 410 12.3.6 Aire en interiores 411 12.4 Estándares de la calidad del aire 414 12.4.1 Legislación sobre la calidad del aire en Estados Unidos 414 12.4.2 Estándares de emisiones y calidad del aire ambiente 415

CAPÍTULO 13 Control de la calidad del aire

421

13.1 Tratamiento de emisiones 422 13.1.1 Control de partículas 424 13.1.2 Control de contaminantes gaseosos 13.1.3 Control de óxidos de azufre 429 13.2 Dispersión de los contaminantes del aire 13.3 Control de fuentes en movimiento

CAPÍTULO 14 Residuos sólidos

427

431

436

444

14.1 Recolección de basura 14.2 Generación de residuos

445 450

14.3 Reutilización y reciclaje de los materiales de la basura 14.3.1 Procesamiento de los residuos 455 14.3.2 Mercados para los residuos 457

453

Contenido

14.4 Combustión de basura

xiii

459

14.5 Disposición final de residuos: rellenos sanitarios 14.6 Residuos: reducción en la fuente 14.6.1 ¿Por qué? 468 14.6.2 Análisis del ciclo de vida

464

468 469

14.7 Gestión integrada de los residuos sólidos

CAPÍTULO 15 Manejo de residuos peligrosos

480

15.1 Definición de residuo peligroso

481

15.2 Manejo de residuos peligrosos 486 15.2.1 Limpieza de sitios abandonados 15.2.2 Tratamiento de residuos peligrosos 15.2.3 Eliminación de residuos peligrosos

472

487 489 491

15.3 Manejo de residuos radiactivos 492 15.3.1 Radiación ionizante 492 15.3.2 Riesgos asociados con la radiación ionizante 494 15.3.3 Tratamiento y eliminación de residuos radiactivos 496 15.4 Manejo de materiales sostenibles 497 15.4.1 Química ecológica 499 15.4.2 Prevención de la contaminación

502

15.5 El manejo de los residuos peligrosos y las generaciones futuras

CAPÍTULO 16 Contaminación por ruido 16.1 Sonido

513

514

16.2 Medición del sonido

519

16.3 Efecto del ruido en la salud humana 16.4 Reducción del ruido

523

16.5 Control del ruido 526 16.5.1 Proteger al receptor 526 16.5.2 Reducir el ruido en la fuente 16.5.3 Control de la ruta del ruido Índice analítico

533

522

526 527

505

PREFACIO

La tercera edición de Introducción a la ingeniería ambiental conserva dos temas unificadores: balances de materia y ética ambiental. También agrega más información respecto a la sostenibilidad, un componente cada vez más importante de la práctica de la ingeniería y que se entrelaza de modo intrincado con los dos temas unificadores.

ORGANIZACIÓN La primera parte inicia con un breve vistazo a la historia y el futuro de la ingeniería ambiental, y luego proporciona ejemplos de los asuntos complejos que rodean la identificación y resolución de problemas ambientales. Presenta varias herramientas que los ingenieros utilizan para tomar decisiones, como la tecnología, el análisis costo/beneficio, el riesgo y la ética. La exposición sobre ética es breve, y sirve sólo como una introducción para algunos de los problemas cargados de valores que los ingenieros enfrentan y proporciona algunos antecedentes para las exposiciones a lo largo del texto, pero sugiere que en la ingeniería la toma de decisiones éticas es igual de importante que la de decisiones técnicas. La segunda parte comienza con una revisión e introducción a los conceptos básicos: dimensiones y unidades, densidad, concentración, velocidad de flujo, tiempo de retención y aproximaciones. Conduce directamente a la introducción de los balances de materia, un tema que se usa a lo largo del libro. La exposición de las reacciones es similar a lo que se habría cubierto en un curso introductorio de fisicoquímica o ingeniería bioquímica y después se presenta la teoría del reactor ideal, de modo muy parecido al material que se imparte en un curso de operaciones unitarias de ingeniería química pero en un nivel comprensible para los estudiantes de ingeniería de primer ingreso. Luego se aplica el enfoque del balance de masa al flujo de energía. Esta parte concluye con el reconocimiento de que algunas de las reacciones más fascinantes ocurren en los ecosistemas, y éstos se describen con base en el enfoque del balance de masa y la cinética de la reacción que se explicaron antes. En la tercera parte, los conceptos fundamentales que se estudiaron en la segunda se aplican a las áreas principales de la ingeniería ambiental. Comienza con la búsqueda de agua limpia. ¿Cuándo está bastante limpia el agua y cómo medimos las características de su calidad? A esta exposición le sigue una introducción al suministro y tratamiento del agua y luego al tratamiento de aguas residuales. Debido a que la meteorología determina el movimiento de los contaminantes del aire, este tema presenta una sección sobre contaminación del aire; se exponen los tipos y las fuentes de contaminantes de interés y concluye con la evolución de los xv

xvi

Prefacio estándares de calidad del aire, el tratamiento de las emisiones y la dispersión de contaminantes. En la gestión de residuos sólidos municipales y los residuos peligrosos se coloca el énfasis en la necesidad de prevenir su generación; después se estudia la contaminación debida al ruido.

REQUERIMIENTOS Y PRESENTACIÓN El material sobre ética se trata en un nivel básico, así que es comprensible para cualquier profesor o estudiante de ingeniería; no se requiere ninguna preparación formal. El material técnico se encuentra en un nivel que los ingenieros de reciente ingreso o los estudiantes de ciencias ambientales pueden asimilar con facilidad. Se supone que el estudiante ha asistido al menos a un curso de cálculo diferencial e integral, es útil en esta obra; un curso de química universitaria también es útil pero no obligatorio. No se usa la mecánica de fluidos en este libro y por tanto el material es aplicable a los cursos de primer año en ingeniería ambiental o para los estudiantes de ciencias. La experiencia del doctor Vesilind en la enseñanza secuencial del material central de la segunda parte (balances, reacciones y reactores) ha mostrado que puede cubrirse en un periodo de cuatro a seis semanas. Sin embargo, él recomienda que el profesor realice recorridos alternos hacia las áreas de la ética ambiental durante este tiempo y que embellezca las clases con “historias de guerra” personales para mantener el interés del estudiante. Añadir material complementario a lo largo del curso es una técnica de enseñanza eficaz, que se fundamenta en la teoría moderna del aprendizaje. El material en la tercera parte puede usarse en cualquier secuencia que se considere mejor sin perder su valor o significado. La tercera edición contiene una sección llamada “Enfoque”, una colección de viñetas y estudios de caso que ilustran las perspectivas destinadas a resolver problemas técnicos, éticos y orientados hacia la sostenibilidad; presentan oportunidades para que el profesor y los estudiantes indaguen sobre el material que con frecuencia no se cubre en la educación superior, como la estética y las implicaciones sociales potenciales del diseño. Del mismo modo, los materiales éticos que se mencionan a lo largo del texto requieren que tanto el estudiante como el profesor hagan una pausa y discutan los problemas técnicos bajo una luz diferente, a fin de reforzar el material aprendido. Debido a que la ética y el gusto son cuestiones personales, la exposición de las cuestiones técnicas desde estas perspectivas tiende a internalizar el tema y crear, en efecto, una experiencia de aprendizaje similar a lo que se lograría con un viaje de campo o la narrativa de una experiencia del mundo real.

AGRADECIMIENTOS Gracias a quienes se tomaron el tiempo para enviar comentarios sobre la segunda edición; los hemos incorporado cuando era apropiado en la tercera. Un agradecimiento continuo para mi familia, que pacientemente contribuyó conmigo durante las revisiones, y a los colegas que de buen grado compartieron su pericia respondiendo preguntas inesperadas. Susan M. Morgan, P.E. 2008

Prefacio

xvii

Gracias a Susan y Aarne por invitarme a participar en esta revisión y agregar algunos ejemplos y perspectiva desde el campo de la sostenibilidad; espero que sea de valor e inspiración para los estudiantes. Ha sido un placer trabajar con ustedes. Estoy muy agradecida con mis mentores y amigos Michael Braungart, P. Aarne Vesilind y Paul Anastas, cuya brillantez, humor y visión me informaron e inspiraron profundamente. También estoy agradecida por las contribuciones a este libro por Margaret Whittaker de ToxServices LLC, Erin Kanoa de UrbanMarmot, Dan Bihn, Namara Brede y James Hill. Por último, estoy agradecida con mi querido esposo Carl por su paciencia y apoyo. Lauren G. Heine, Ph.D. 2008

SOBRE LOS AUTORES

P. Aarne Vesilind, P.E. Vesilind nació en Estonia y emigró a Estados Unidos en 1949. Creció en Beaver, Pennsylvania, una ciudad pequeña río abajo de Pittsburgh. Después de graduarse como ingeniero civil en Lehigh University, recibió su Ph.D. en ingeniería ambiental de la University of North Carolina. Pasó un año de posdoctorado en el Norwegian Institute for Water Research en Oslo y un año como ingeniero investigador con Bird Machine Company. Se unió al personal docente de Duke University en 1970. En 1999 fue nombrado R. L. Rooke Chair del Historical and Societal Context of Engineering en la Bucknell University. Ocupó este puesto hasta su retiro en 2006. Sus investigaciones han resultado en la autoría de más de 175 artículos profesionales. También es autor de más de 20 libros sobre ingeniería ambiental y ética profesional, siendo uno de los más recientes Socially Responsible Engineering (John Wiley & Sons), que considera la función de la justicia en las decisiones de ingeniería. Su frenéticamente popular libro Estonian Jokes fue publicado en 2009 por Punkt&Koma en Tallin. Desde junio de 2006 ha vivido en New London, New Hampshire, y recientemente ha sido nombrado visitador escolar por el Ethics Institute en el Dartmouth College. En su retiro ha continuado su interés de toda la vida en la música y toca el bombardino en varias bandas locales, incluyendo The Exit 13 Tuba Quartet. En 2007 se le pidió que tomara el puesto de conductor de la Kearsarge Community Band.

Susan M. Morgan, P.E. Profesora y directora Departamento de Ingeniería Civil Southern Illinois University Edwardsville Morgan recibió su título en ingeniería civil de la Southern Illinois University Carbondale. Receptora de una beca National Science Foundation Fellowship, obtuvo su Ph.D. en ingeniería ambiental en la Clemson University. Se unió al cuerpo docente en el Departamento de Ingeniería Civil en la Southern Illinois University Edwardsville en 1996. De 1999 a 2007 fungió como directora del programa de licenciatura del departamento. En la actualidad es una

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xx

Sobre los autores profesora ocupada y directora del departamento. Ella es una ingeniera profesional con licencia en Illinois. La doctora Morgan ha estado activa en el Comité Técnico Ambiental de la Sección de St. Louis de la American Society of Civil Engineers y en la División de St. Clair de la Illinois Society of Professional Engineers. Ha recibido múltiples premios, incluyendo el premio al Joven Ingeniero del Año de la National Society of Professional Engineers en 2001. Es miembro de varias sociedades honoríficas, como Chi Epsilon y Tau Beta Pi, al igual que de otras organizaciones de ingeniería. Ha realizado investigaciones en diversas áreas. En la actualidad su atención se centra en la gestión de las aguas pluviales, en particular con base en el uso de los techos verdes.

Lauren G. Heine, Ph.D. Asesora de Ciencias Senior, Clean Production Action Directora, Lauren Heine Group LLC Obtuvo su doctorado en ingeniería civil y ambiental en la Duke University. Es una de las expertas destacadas de América en la aplicación de la química verde, la ingeniería verde y el diseño de prácticas de negocio sostenibles. Como asesora de ciencias senior para Clean Production Action y como directora del Lauren Heine Group, guía a las organizaciones que buscan integrar la química y la ingeniería verdes en su diseño de productos, procesos y actividades de desarrollo, eliminando tóxicos y el concepto de residuos y moviéndose hacia la sostenibilidad económica, ambiental y comunitaria. Sus áreas específicas de pericia incluyen el desarrollo de herramientas y estrategias técnicas para encontrar sustancias químicas, materiales y productos más verdes y para la facilitación de iniciativas con múltiples interesados, en particular quienes tienen una base técnica. De 2003 a 2007, la doctora Heine fungió como directora de ciencia aplicada en el Green Blue Institute, una organización sin fines de lucro fundada por el arquitecto William McDonough y el químico alemán Michael Braungart para enfocarse en el diseño de producto sostenible. Inició y dirigió el desarrollo de CleanGredientsTM, una plataforma de información única basada en la web, desarrollada en sociedad con el Design for the Environment Program de la USEPA que proporciona información sobre los atributos clave de salud humana y ambiental, seguridad y sostenibilidad de materias primas químicas para ayudar con la formulación de los productos de limpieza. También dirigió el desarrollo del Sustainability Assessment Standard for Contract Furnishing Fabrics, un estándar del American National Standards Institute, en colaboración con la Association for Contract Textiles y NSF International. La doctora Heine participó en el California Green Chemistry Initiative Science Advisory Panel y es codirectora del subcomité de desarrollo de herramientas para la Sustainability Network for Chemical Intensive Products de Wal-Mart. Publica sobre la métrica de la química verde, alternativas de evaluación y procesos de múltiples interesados. Es cofundadora de la Zero Waste Alliance con sede en Oregon y fue miembro de número de la American Association for the Advancement of Science en el Green Chemistry Program de la Industrial Chemicals Branch de la USEPA en Washington, D.C. Antes de eso, impartió la materia de laboratorio de química orgánica en el Bowdoin College en Brunswick, Maine, donde ayudó a desarrollar el programa Microscale Organic Lab. En la actualidad vive en Bellingham, Washington.

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INGENIERÍA AMBIENTAL

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Los ingenieros ambientales no sólo advierten del peligro sino que también definen las bases para un nivel de vida sostenible que proteja la salud humana y el medio ambiente.

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© Wendy Nero/ Shutterstock

Identificación y resolución de problemas ambientales

© Christopher Wood/ Shutterstock

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Los ingenieros ambientales deben ser conscientes de las lecciones del pasado (cómo sucedieron los problemas y cómo trabajaron en conjunto científicos, ingenieros, organismos normalizadores y otros, para resolverlos). Luego, es necesario aplicar debidamente esas lecciones para solucionar los problemas actuales y evitar que se cometan errores similares en el futuro. 3

4

1.1

Capítulo 1 Identificación y resolución de problemas ambientales

¿QUÉ ES LA INGENIERÍA AMBIENTAL? La ingeniería del ambiente tiene una larga historia, aunque el término “ingeniería ambiental” es relativamente reciente. Conviene que revisemos de manera breve esa historia y consideremos lo que el futuro nos depara antes de ahondar en ejemplos concretos y en la esencia de los conceptos y los cálculos.

1.1.1 Orígenes de la ingeniería ambiental Los orígenes de la ingeniería ambiental se remontan hasta los albores de la civilización. Proporcionar agua limpia y manejar los desechos fueron acciones que se volvieron vitales siempre que las personas se congregaban en asentamientos organizados. En el caso de las ciudades de la Antigüedad, la disponibilidad de una fuente de agua confiable a menudo significaba la diferencia entre la supervivencia y la destrucción, y el suministro de agua se convirtió en una necesidad defensiva. Los constructores de pozos sanitarios y acueductos eran los mismos individuos a quienes se llamaba para que erigieran los muros y fosos de las ciudades, lo mismo que las catapultas y otros instrumentos bélicos. Estos hombres se convirtieron en los ingenieros de la Antigüedad. No fue sino hasta mediados del siglo xviii que los ingenieros que construían los servicios para la población civil se distinguieron de los que se dedicaban principalmente a los asuntos de la guerra, y así nació el término “ingeniería civil”. En los años de formación de Estados Unidos, los ingenieros eran en su mayoría autodidactas o se preparaban en la recién formada Academia Militar. En su momento se convocó a los ingenieros civiles (constructores de caminos, puentes y vías férreas) con el objetivo de que diseñaran y construyeran sistemas de suministro de agua para las ciudades y sistemas adecuados para el manejo de los residuos fluviales y el agua de las tormentas. La llegada de la industrialización trajo consigo problemas de saneamiento básico increíbles en las ciudades debido a la falta de agua y de un manejo apropiado de los residuos. Sin embargo, no hubo protestas públicas sino hasta que se hizo evidente que el agua transmitía enfermedades. A partir de entonces, los ingenieros civiles tenían que proporcionar algo más que un suministro de agua adecuado: debían asegurarse de que el líquido no fuese portador de enfermedades. La salud pública se convirtió en una preocupación integral para los ingenieros civiles responsables de ofrecer suministros de agua a los centros poblacionales, y la eliminación de enfermedades transmitidas a través de ella se convirtió en la meta principal a finales del siglo xix. Los encargados del drenaje de las ciudades y el suministro de agua limpia se convirtieron en ingenieros de salud pública (en Gran Bretaña) y en ingenieros sanitarios (en Estados Unidos).

1.1.2 La ingeniería ambiental en la actualidad Los ingenieros sanitarios han logrado reducciones notables en la transmisión de enfermedades agudas por aire o agua alterados ambientalmente o contaminados. En Estados Unidos se eliminaron, para efectos prácticos, los efectos agudos de la contaminación. Sin embargo, estas preocupaciones han sido sustituidas por problemas más complejos y crónicos, como el cambio climático; la reducción de los acuíferos; la contaminación del aire interior; el transporte global de sustancias químicas persistentes, bioacumulativas y tóxicas; los impactos sinérgicos de las mezclas de sustancias químicas complejas hechas por el hombre a partir de los productos caseros y farmacéuticos en los afluentes de aguas residuales, los ríos y los arroyos; las sustancias químicas que alteran el sistema endocrino; y una falta de información sobre el efecto que los nuevos materiales que surgen con rapidez (como las nanopartículas) causan en la salud humana y ambiental, así como en la seguridad. Los desafíos para los medios ambientales individuales como el aire y el agua ya no pueden considerarse y manejarse dentro de compartimentos

1.1

¿Qué es la ingeniería ambiental?

5

individuales. Deben tratarse en el nivel del ecosistema para evitar que las preocupaciones por la contaminación pasen de un medio ambiental a otro. Para enfrentar estos problemas crónicos antes de que se vuelvan agudos, los científicos e ingenieros buscan entender el ambiente, las ciudades y la industria como sistemas interactivos (es decir, como ecosistemas interconectados, sistemas sociales e industriales), y pensar en forma proactiva y preventiva para evitar las consecuencias indeseables en lugar de tener que afrontarlas en forma reactiva. En la mayoría de los países desarrollados de la actualidad la opinión pública ha evolucionado de tal modo que los efectos directos e inmediatos de la contaminación ambiental en la salud ya no son la única preocupación. La limpieza de los arroyos, para beneficio de los arroyos mismos, se ha convertido en una fuerza impulsora, y se han aprobado leyes que abordan nuestro deseo de un ambiente limpio. La protección de los hábitats de la fauna y la flora, la preservación de las especies y la salud de los ecosistemas se han convertido en objetivos válidos para el gasto de recursos. El sentido de misión, que se conoce como ética ambiental, es una fuerza impulsora importante detrás de la ingeniería ambiental moderna, y la sociedad lo exige como un valor público. En el siglo xx, la ética ambiental se enfrentó a los deseos de quienes querían explotar los recursos naturales para el beneficio humano. El pensamiento común suponía que algo tenía que sacrificarse: era preciso elegir entre la economía o el ambiente.

1.1.3

La ingeniería ambiental en el horizonte

En el siglo xxi es evidente que los ecosistemas y el capital natural de nuestro planeta no son inagotables. La preservación y el mantenimiento del bienestar sanitario, económico y social de las personas depende de que se preserve y mantenga la integridad de los ecosistemas y los servicios para el sistema ecológico que éstos mismos ofrecen. La solución no es un sacrificio, sino el bienestar de la economía y del ambiente. A este respecto, ha surgido un objetivo común en todo el mundo (la meta del desarrollo sostenible), que una comisión de las Naciones Unidas definió en el Informe de Budapest, en 1987, como un “desarrollo que satisfaga las necesidades del presente sin comprometer la capacidad de las futuras generaciones para satisfacer sus propias necesidades”. El desarrollo sostenible (conocido también como “sostenibilidad”) significa cosas distintas para las personas y comunidades diferentes, dependiendo de la índole de sus actividades y los contextos cultural, geográfico, económico y ambiental en que operan. En el pasado la ingeniería ambiental era una profesión reactiva, es decir, que reaccionaba ante los problemas generados por el crecimiento poblacional del mundo y el aumento en nuestro nivel de vida. Sin embargo, es posible extrapolar las dificultades que enfrentarán los ingenieros ambientales en el futuro. Por ejemplo, sabemos que los problemas de contaminación que apenas hace algunas décadas eran de índole local, ocurren ahora a escala mundial. También sabemos que el uso y la descarga continuos de sustancias químicas nuevas y viejas en el ambiente tendrán efectos impredecibles y a veces sinérgicos, y que el enfoque exclusivo en la eficiencia energética y otras mejoras en la eficiencia no permitirán enfrentar de manera adecuada las limitaciones de recursos que surgen a medida que crecen las poblaciones y mejora la calidad de vida en los países en desarrollo. Los ingenieros ambientales, ahora y en el futuro, desempeñarán una función medular en la consecución del desarrollo sostenible. Huelga decir que la formación en la ingeniería sanitaria clásica basada en la hidráulica aplicada, la salud pública y los procesos de ingeniería química es inadecuada para enfrentar estos problemas complejos. La nueva generación de ingenieros ambientales responsables de la protección de la salud humana y el ambiente abarcarán las ciencias naturales y abordarán, en un nivel de vanguardia, consideraciones relacionadas con la aplicación de las ciencias biológicas y químicas, como la nanotecnología, biotecnología y tecnología de la información, así como la muerte y toxicidad química y el impacto de todo esto en el ciclo de vida. Los ingenieros ambien-

6

Capítulo 1 Identificación y resolución de problemas ambientales tales también aprenderán mucho de los procesos industriales, incluido el diseño y desarrollo de productos. Y, por último, dado que estas cuestiones son del dominio público, aprenderán a aplicar las ciencias sociales como la política pública, las comunicaciones y la economía, y a trabajar con diversos grupos de interés para resolver los problemas. Dado que es poco probable que todos estos temas se incluyan por completo en los planes de estudios de la ingeniería civil o ambiental, los estudiantes necesitarán cursar dichas materias en programas académicos relacionados, como administración de empresas, gestión y ciencias ambientales y política pública. Los ingenieros ambientales utilizarán su formación en diseño para ser proactivos y preventivos en la elaboración de soluciones. A medida que se alejen de un modelo de tratamiento terminal de los problemas e incluso más allá de la prevención de la contaminación por medio de controles de ingeniería, se moverán hacia el uso del diseño para evitarlos desde el principio. Los campos de la ingeniería como la química ecológica, la ingeniería ecológica y el diseño del ambiente, que se estudian en varias secciones de este libro de texto, ayudarán a los ingenieros ambientales y de otras disciplinas a desarrollar productos (y fomentar el manejo de materiales) sostenibles. A medida que aumenta la complejidad de los problemas que enfrentan los ingenieros ambientales, crece también la necesidad de principios y marcos de referencia que orienten la generación de soluciones. En el año 2003, aproximadamente 65 ingenieros y científicos acordaron en Sandestin, Florida, crear un conjunto de principios para la ingeniería ecológica (también conocida como ingeniería “verde”). La Agencia de Protección Ambiental de Estados Unidos (USEPA; U.S. Environmental Protection Agency) define la ingeniería ecológica como “el diseño, la comercialización y el uso de procesos y productos [que] son factibles y económicos y, al mismo tiempo, que reducen al mínimo: 1) la generación de contaminación desde su origen, y 2) el riesgo para la salud humana y el ambiente”. El grupo concibió una serie de principios que, al abordar los aspectos sociales, llegaron más allá de lo que se consideraba el alcance de la ingeniería ecológica. Como tales, se les conoce como los Principios de Sandestin para la Ingeniería Sostenible (o, simplemente, Principios de Sandestin).1, 2 También se han creado otros conjuntos de principios para respaldar el diseño y desarrollo de productos y procesos que tienen beneficios para la salud humana y el ambiente. Entre éstos se encuentran los 12 Principios de Química Ecológica y los 12 Principios de Ingeniería Ecológica.3 La USEPA ha adoptado los nueve Principios de Sandestin como los Principios de Ingeniería Ecológica. En conjunto, éstos constituyen una guía y un marco de referencia amplio para todos los ingenieros que buscan coadyuvar a resolver los problemas del siglo xxi y caracterizan muy bien la función cada vez más amplia que desempeña el ingeniero ambiental (tabla 1.1). La ingeniería sostenible transforma las disciplinas y prácticas de la ingeniería existentes en otras que fomentan la sostenibilidad; incorpora el desarrollo y la implementación de productos, procesos y sistemas viables desde los puntos de vista tecnológico y económico que promueven el bienestar humano y, al mismo tiempo, protegen la salud y fomentan la protección de la biosfera como un criterio en las soluciones de ingeniería. Estos principios sirven como guía para los ingenieros ambientales en todo tipo de empleos (ya sea en el gobierno, los servicios de asesoría, el ámbito académico o el sector privado). El público reconoce y aprecia la labor del ingeniero ambiental y está preparado para utilizar los recursos sociales a fin de lograr la sostenibilidad. La comunidad de ingenieros ambientales profesionales debe prepararse ahora para enfrentar este reto, así como para garantizar que siguen logrando la profundidad de conocimientos y el dominio técnico que cabe esperar de ellos, que se complemente con la capacidad para entender los problemas en el nivel del sistema y colaborar en forma productiva con expertos y legos de otras disciplinas y sectores.

1.2

Estudios de caso

7

Tabla 1.1 Principios de Sandestin para la Ingeniería Sostenible 1.

Emplear sistemas de análisis y herramientas de evaluación del impacto ambiental en forma integral en la ingeniería de procesos y productos.

2.

Conservar y mejorar los ecosistemas naturales protegiendo al mismo tiempo la salud y el bienestar humanos.

3.

Aplicar un razonamiento que contemple el ciclo de vida en todas las actividades de la ingeniería.

4.

Asegurarse de que todos los insumos y productos materiales y energéticos sean inherentemente seguros y benignos en la medida de lo posible.

5.

Reducir al mínimo el agotamiento de los recursos naturales.

6.

Esforzarse en prevenir la generación de residuos.

7.

Desarrollar y aplicar soluciones por medio de la ingeniería mientras se tiene conciencia de la geografía local, las aspiraciones y las culturas en la que se encuentra el problema.

8.

Crear soluciones por medio de la ingeniería más allá de las tecnologías actuales o predominantes; innovar, mejorar e inventar (tecnologías) para alcanzar la sostenibilidad.

9.

Hacer que las comunidades y los grupos de interés participen de manera activa en el desarrollo de las soluciones que la ingeniería puede ofrecer.

1.2 ESTUDIOS DE CASO A continuación aparecen ejemplos de problemas ambientales que se han identificado y resuelto. Se ilustran algunos principios y controversias inherentes al campo de la ingeniería ambiental.

1.2.1

El brote de hepatitis en Holy Cross College

Después del juego de Dartmouth en 1969, todos los integrantes del equipo de fútbol americano del Holy Cross College enfermaron.4 Sufrieron fiebre elevada, náuseas y dolor abdominal, y presentaron ictericia, todas características de la hepatitis. Durante los siguientes días cayeron enfermos más de 87 integrantes del programa de fútbol: jugadores, entrenadores, instructores físicos y otros miembros del personal. La institución universitaria canceló el resto de la temporada y se convirtió en el centro de un misterio epidemiológico. ¿Cómo pudo contraer hepatitis contagiosa todo un equipo de fútbol? Se piensa que la enfermedad se transmitió en su mayoría de persona a persona. Hay varios tipos de virus de hepatitis, cuyos efectos son muy diversos en los seres humanos. El menos fatal es el de la hepatitis A, que da por resultado varias semanas de incapacidad y pocas veces tiene consecuencias duraderas; sin embargo, las hepatitis B y C pueden ocasionar problemas graves (sobre todo daño al hígado) y duran varios años. En el momento de la epidemia en el Holy Cross College el virus de la hepatitis no se había aislado aún y poco se sabía de su etiología y efectos. Cuando la universidad cobró conciencia de la gravedad de la epidemia, solicitó y recibió ayuda de organismos estatales y federales, que enviaron epidemiólogos a Worcester. Su primera tarea fue reunir la mayor cantidad de información posible sobre los integrantes del equipo de fútbol: con quién habían estado, a dónde había ido y qué habían comido y bebido. Luego, el

8

Capítulo 1 Identificación y resolución de problemas ambientales objetivo fue deducir a partir de todas estas pistas cómo se había generado la epidemia. Parte de la información que conocieron y averiguaron fue la siguiente: r
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WFSsión del Gatorade propia de Holy Cross), pero como el personal de la cocina la probaba antes y después de ir al campo de prácticas y ninguno de ellos contrajo la hepatitis, no pudo ser la bebida. La falta de opciones obligó a los epidemiólogos a concentrarse en el suministro de agua. La universidad recibe el agua de la ciudad de Worcester y una línea subterránea la lleva desde Dutton Street, un callejón, hasta el campo de prácticas de fútbol, en donde se utiliza un bebedero durante el entrenamiento. Las muestras que se tomaron del bebedero confirmaron que no estaba contaminado. Sin embargo, la ausencia de contaminación durante el muestreo no descartaba la posibilidad de una transmisión de la enfermedad a través de esta línea de agua. La línea llegaba hasta el campo de prácticas a través de un conducto que pasaba por una serie de pozos y cajas de aspersión subterráneas que se utilizaban para regar el campo (figura 1.1). Hubo otros dos datos que resultaron cruciales. Se descubrió que en una de las casas de Dutton Street había niños con hepatitis. Ellos jugaban cerca de las cajas de aspersión en las noches de verano y a menudo las abrían para chapotear en el agua de los pequeños estanques que se formaban en los pozos. Pero si los niños la habían contaminado, ¿cómo entró el agua desde esos estanques hasta la línea si ésta siempre estaba bajo presión positiva? La pieza final del rompecabezas se colocó cuando los epidemiólogos descubrieron que había ocurrido un gran incendio en Worcester durante la noche del 28 de agosto, que duró hasta las primeras horas del día siguiente. La demanda de líquido para sofocar este incendio fue tan grande que las residencias de Dutton Street se quedaron sin presión de agua. Es decir, las bombas con las que se intentaba extinguir el incendio expulsaban agua en un grado tan alto que la

Figura 1.1 El conducto que llevaba el agua al campo de prácticas de Holy Cross provenía de Dutton Street y atravesaba varias cajas de aspersión.

1.2

Estudios de caso

9

presión en el conducto se volvió negativa. Si, además, los niños dejaron abiertas algunas válvulas en las cajas de aspersión y el agua en torno a ellas se contaminó, el virus de la hepatitis debió entrar en la línea de agua potable. A la mañana siguiente, cuando la presión en las líneas de agua se restableció, la que se contaminó fue llevada por efecto de la presión hasta el extremo de la línea (el bebedero en el campo de fútbol) y todos esos jugadores, entrenadores y demás personas que la bebieron contrajeron hepatitis. Este caso ilustra una conexión transversal clásica, o el contacto físico entre agua potable tratada y agua contaminada, y las consecuencias potencialmente graves de esas conexiones. Uno de los objetivos de la ingeniería ambiental consiste en diseñar sistemas que protejan la salud pública. En el caso de las tuberías, los ingenieros necesitan crear sistemas en los que se evite incluso la posibilidad de que haya conexiones transversales, aunque, como muestra el incidente del Holy Cross College, es poco probable que puedan anticipar todas las posibilidades. Preguntas para reflexionar 1. La próxima vez que beba agua de un bebedero o la compre en una botella, ¿cuáles serían sus expectativas sobre la calidad de la misma? ¿Quién sería con exactitud el responsable de satisfacer esas expectativas? (Cuidado con esta última pregunta. Recuerde que usted [por fortuna] vive en una democracia.) 2. Dado lo que ahora sabemos sobre la hepatitis, ¿en qué pudo ser diferente la investigación de los epidemiólogos si el incidente hubiera ocurrido el año pasado? Aquí tendrá que hacer una pequeña investigación. La mayoría de las universidades cuenta con excelente información en línea sobre hepatitis y otras enfermedades contagiosas. 3. Suponga que usted es un abogado especializado en lesiones personales y que la familia de uno de los jugadores de fútbol americano lo contrató. ¿Cómo establecería la responsabilidad en este caso? ¿A quién demandaría?

1.2.2

Eliminación de los sedimentos de aguas residuales

Los sedimentos se generan en una planta de tratamiento de aguas residuales como desecho de este proceso. Las plantas de tratamiento de aguas residuales desperdician energía porque los seres humanos somos usuarios ineficientes de la energía química que ingerimos. Y, al igual que el metabolismo del cuerpo humano, el sistema de dichas plantas es ineficiente. Si bien producen agua limpia que luego se deposita en el canal más cercano, también generan un subproducto que aún tiene una energía química sustancial. No es posible simplemente deshacerse de este residuo porque saturaría con rapidez un ecosistema acuático, provocaría perjuicios o incluso sería peligroso para la salud humana. El tratamiento y la eliminación del sedimento de las aguas residuales son algunos de los problemas más apremiantes para la ingeniería ambiental. (Para mitigar la opinión pública negativa respecto a la eliminación de sedimentos, una asociación dedicada a vigilar la calidad del agua propuso que se denominara “biosólidos” en lugar de “sedimentos” a los productos que abandonan la planta de tratamiento. Por supuesto, es como llamar a “una rosa con cualquier otro nombre…”.) Dado que la eliminación de sedimentos resulta tan difícil y si es inapropiada ocasiona problemas para la salud humana, se necesitan regulaciones gubernamentales. Cuando los organismos del gobierno establecen normas ambientales, la salud y el bienestar humanos se ponderan en contraste con las consideraciones de orden económico. Esto es, ¿cuán dispuestos estamos a pagar para tener un ambiente mucho más saludable? La premisa, o al menos la esperanza, es que el organismo regulador cuente con la información esencial para determinar qué efecto tendrán ciertas regulaciones en la salud humana. Por desgracia, esto pocas veces sucede, y estos organismos se ven obligados a tomar decisiones basadas en poca o ninguna información científica. El

10

Capítulo 1 Identificación y resolución de problemas ambientales regulador debe buscar un equilibrio entre los intereses contrarios y los diversos constituyentes. (Por ejemplo, en Islandia, ¡se ha tomado con gran seriedad la presencia de los elfos y, por tanto, las carreteras se han trazado de modo que no se cause daño a las supuestas moradas de esas personitas!) En una democracia, el regulador representa los intereses del público. Si las regulaciones se juzgan inaceptables, el público puede cambiarlas (¡o cambiar al regulador!). El ejemplo de una regulación impopular en Estados Unidos fue el límite de velocidad de 55 millas (90 kilómetros) por hora en las carreteras interestatales, que por lo general se ignoraba y al final se revocó. Los reguladores del Departamento de Transporte de Estados Unidos juzgaron de manera errónea la disposición del público para reducir la velocidad en las carreteras. Los dos beneficios (reducir el consumo de gasolina y salvar vidas) eran metas encomiables, pero la regulación se rechazó porque pedía demasiado de las personas. En el caso del límite de velocidad, los ingenieros de transporte lograron establecer sin equivocarse que la reducción en el límite de velocidad de 65 a 55 millas (de 110 a 90 kilómetros) por hora salvaría casi 20,000 vidas cada año, pero este beneficio no influyó en la opinión pública. La gente no estaba dispuesta a pagar el precio de reducir la velocidad en las carreteras. En forma similar, las regulaciones ambientales persiguen metas admirables y justificables desde el punto de vista moral, por lo común el mejoramiento de la salud pública (o enfrentar lo negativo, la prevención de enfermedades o la muerte prematura); exigen que el regulador pondere sus beneficios acumulados en contraste con sus costos. A menudo se sopesa el valor de la protección de la salud humana y la imposición de acciones normativas que representarían costos económicos y restricciones de la libertad al limitar las conductas contaminantes. Esto es, el regulador, al establecer normas ambientales que mejoran la salud pública, elimina ciertas libertades de quienes liberarían sustancias contaminantes en el ambiente; sopesa el bien de la salud pública y la pérdida de libertad o riqueza (a efecto de reducir la primera e impedir la segunda). El establecimiento de límites estrictos para las descargas de las plantas de tratamiento de aguas residuales municipales exige el aumento de los impuestos públicos para pagar el tratamiento adicional. La prohibición de la descarga de los sedimentos industriales cargados de metales pesados requiere que las empresas instalen costosos sistemas de prevención de contaminantes y les impide deshacerse de estos desechos por medios menos onerosos. La fijación de normas relacionadas con el agua potable genera, de igual modo, un mayor gasto de la riqueza disponible para construir mejores plantas de tratamiento. En cada caso, el regulador, al establecer normas ambientales, sopesa el valor moral de la salud pública y de eliminar la riqueza. “No lastimarás” en contraste con “no robarás”. Se trata de un dilema moral, y eso es justo lo que los reguladores enfrentan. Earle Phelps fue el primero en reconocer que la mayoría de las decisiones en materia de regulación ambiental se toman aplicando lo que él denominó principio de conveniencia.5 Como ingeniero sanitario conocido por su trabajo de saneamiento de arroyos y la creación de la ecuación de Streeter-Phelps para la curva de déficit de oxígeno disuelto (capítulo 8), Phelps describió el concepto de conveniencia como “el intento por reducir el indicador numérico del daño probable, o el indicador lógico del peligro existente, al nivel más bajo que sea posible en términos prácticos y factibles dentro de las limitaciones que imponen los recursos financieros y la capacidad de la ingeniería”. Reconoció que “en la práctica, pocas veces es posible obtener la condición óptima o ideal y que resulta poco económico y, por tanto, inconveniente exigir un método mucho más próximo a eso del que puede obtenerse con facilidad en la práctica actual de la ingeniería y a costos justificables”. Lo que es más importante, Phelps recomendaba, para quienes establecen las normas en la actualidad y que a menudo tienen dificultades para justificar sus decisiones, que “el principio de conveniencia es el fundamento lógico para las normas

1.2

Estudios de caso

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administrativas y debe defenderse con franqueza”. Phelps no consideraba que fuera malo el uso de las normas como una especie de límite de velocidad a la contaminación que afecta la salud humana. También entendía las leyes de los dividendos decrecientes y el periodo de demora de la factibilidad técnica. Sin embargo, siempre presionó para que se redujeran los riesgos ambientales a los niveles más bajos que fueran convenientes. (Observe que hay una filosofía contraria en lo que se denomina el “principio precautorio”. Esta filosofía castiga las faltas en lo que respecta a la precaución ante la incertidumbre para evitar los problemas que hemos creado en forma reiterada al suponer que teníamos información adecuada cuando en realidad no era así [por ejemplo, eliminar los desechos peligrosos en lagunas abiertas sin recubrimiento.]) La responsabilidad del regulador es incorporar la mejor ciencia disponible en la toma de decisiones normativas. Pero surgen problemas cuando sólo se dispone de información científica limitada. La complejidad del efecto ambiental del sedimento en la salud humana genera incertidumbre científica y hace que resulte difícil eliminarlo. El problema al crear regulaciones para la eliminación de sedimentos es que los de las aguas residuales tienen propiedades desconocidas y dinámicas y se comportan en forma diferente en distintos medios ambientales. Los reguladores deben determinar cuándo es problemática la presencia de sedimento y qué puede y debe hacerse al respecto. Ante esta complejidad, a mediados de la década de 1980 la USEPA inició un programa de elaboración de regulaciones para la eliminación de sedimentos basado en el modelo sanitario. El organismo esperó tanto como pudo, aunque la Ley de Agua Limpia de 1972 le demandaba establecer esas regulaciones. La labor fue de enormes proporciones, y se sabía. Las estableció en forma lógica, especificando primero todos los medios por los que los sedimentos perjudicaban a los seres humanos y luego definiendo los peores escenarios. Por ejemplo, en el caso de la incineración, se imaginó a una persona que vive durante 70 años en un lugar a donde, por efecto del viento, le llega de inmediato el humo de un incinerador de sedimentos y respira las emisiones 24 horas al día. La persona nunca se desplaza, el viento nunca cambia de dirección y el incinerador sigue emitiendo los contaminantes durante 70 años. De mayor preocupación serían los metales volátiles, como el mercurio. Con base en evidencias epidemiológicas, como las de la tragedia de Minemata, en Japón, y extrapolando severos órdenes de magnitud, la USEPA estimó las emisiones totales admisibles de mercurio de un incinerador de sedimentos. Al construir estos escenarios extremos, aunque por completo irreales, la USEPA creó a manera de ensayo una serie de regulaciones para la eliminación de los sedimentos y las publicó para recibir comentarios de las personas. Las respuestas llegaron de inmediato y fueron abrumadoras. Recibió más de 600 respuestas oficiales, casi todas criticando el proceso, las premisas y las conclusiones. Muchos comentarios señalaban que en la actualidad no se cuenta con datos epidemiológicos que demuestren que la eliminación apropiada de sedimentos sea de algún modo perjudicial para el público. Ante la falta de esa información, el establecimiento de normas estrictas parecía injustificado. Golpeada por tan adversa reacción, la USEPA abandonó el modelo sanitario y adoptó normas de conveniencia como el principio de Phelps que define dos tipos de sedimento: uno (clase B) que se ha tratado por medios como la digestión anaeróbica, y el otro (clase A) que se ha desinfectado. El sedimento de clase A puede desecharse en todas las tierras de labranza, pero el de clase B tiene restricciones, como aguardar 30 días antes de que pueda reintroducirse el ganado en un terreno de pastoreo en el que se ha aplicado el sedimento con atomizador. El sedimento que no se ha tratado (quizá de clase C, aunque no se designó así) no debe desecharse en el ambiente. Esta regulación es conveniente porque todas las plantas de tratamiento de aguas

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Capítulo 1 Identificación y resolución de problemas ambientales residuales en Estados Unidos cuentan ahora con algún tipo de estabilización de sedimentos, como la digestión anaeróbica, y una regulación que la mayoría de ellas ya cumple y es popular. La falta de información epidemiológica útil sobre el efecto de los elementos del sedimento en la salud humana obligó a la USEPA, al crear los escenarios extremos, a equivocarse tanto por el lado conservador que las regulaciones hubieran sido poco realistas y el público no las habría aceptado. La ruina de las regulaciones basadas en el modelo sanitario fue que no cumplían con los criterios propuestos. Sin esa información el público decidió que sencillamente no quería que se le agobiara con regulaciones que se percibían como innecesarias. La USEPA le habría quitado demasiado al público (dinero) y habría devuelto a cambio un beneficio indefinido y en apariencia menor (salud). De modo que la USEPA decidió lo que era conveniente: hacer que las plantas de tratamiento de aguas residuales hicieran lo que podían (como la digestión anaeróbica en algunos casos o la desinfección por calor en otros), a sabiendas de que estas regulaciones serían mejores que nada. Cuando aumente nuestra capacidad para el tratamiento y decidamos gastar más dinero en el tratamiento de aguas residuales, las normas podrían endurecerse porque eso sería entonces lo conveniente desde el punto de vista ético. La toma de decisiones regulatorias, como la fijación de normas para la eliminación de sedimentos, tiene ramificaciones de orden ético porque implica distribuir los costos y beneficios entre los ciudadanos afectados. El principio de conveniencia es un modelo ético que exige al regulador optimizar los beneficios de la protección de la salud reduciendo al mismo tiempo los costos dentro de los límites de la factibilidad técnica. El principio de conveniencia de Phelps, propuesto hace mas de 50 años, sigue siendo una aplicación útil de la ética en la que se recurre al conocimiento científico para establecer regulaciones ambientales dinámicas y, sin embargo, que puedan cumplirse. En el caso de la eliminación de sedimentos, la USEPA tomó una decisión de carácter ético basada en el principio de conveniencia, ponderando el bien moral de la protección a la salud humana en contraste con el daño moral de quitar riqueza al exigir un tratamiento y una eliminación de sedimentos de aguas residuales costosos. Preguntas para reflexionar 1. Analice sus hábitos de comportamiento desde el punto de vista del principio de conveniencia de Phelps. 2. Un candidato gubernamental en el estado de Nueva Hampshire presentó sus argumentos sobre un solo tema: que se detuviera la descarga de sedimentos de aguas residuales en la tierra en Nueva Hampshire. Imagine que usted tuvo la oportunidad de hacerle tres preguntas durante un debate público. ¿Cuáles serían éstas, y cuáles considera que podrían ser sus respuestas? 3. Se descubrió que las personas que viven en Japón, un país con una sólida mística de la salud y la limpieza públicas, padecen resfriados más graves y frecuentes que quienes viven en otros países. ¿Por qué esto sería cierto?

1.2.3 El episodio de Donora Era un día común de otoño, nublado y tranquilo, al oeste de Pennsylvania en 1948.6 Los residentes de Donora, una pequeña población siderúrgica a orillas del río Monongahela, no prestaban mucha atención a lo que parecía ser una atmósfera particularmente llena de humo. Habían visto cosas peores. Algunos incluso recordaban días en que el aire era tan denso que en realidad se veían tiras de carbón suspendidas en el ambiente como negros carámbanos. Así que el desfile de Halloween de los niños se efectuó según lo programado, lo mismo que el juego de fútbol americano de la secundaria el sábado por la tarde, aunque el entrenador del equipo contrario aseguró que protestaría por el juego. Afirmaba que el entrena-

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dor de Donora se las había arreglado para tener un paño de esmog sobre el campo, de tal modo que si se lanzara un pase hacia adelante, la pelota desaparecería por completo de la vista y los receptores no sabrían dónde reaparecería. Pero ese día era distinto de un día usual de esmog. En la noche habían muerto ya 11 personas y 10 más fallecerían en las próximas horas. El esmog era tan denso que los médicos que trataron a los pacientes se perdían cuando iban de una casa a otra. Para el lunes, casi la mitad de la gente en esa pequeña población de 14,000 habitantes estaba en hospitales o enferma en su propio hogar con dolores de cabeza graves, vómito y calambres abdominales. Las mascotas fueron las que más sufrieron, pues todos los canarios y la mayoría de los perros y gatos morían o agonizaban. Ni las plantas caseras fueron inmunes a los efectos del esmog. No había vehículos de emergencia u hospitales suficientes para ayudar en una catástrofe de esta magnitud y muchas personas murieron por la falta de una atención inmediata. Se envió a los bomberos con tanques de oxígeno para que hicieran lo que pudieran por auxiliar a los enfermos más graves. No contaban con el oxígeno suficiente para todos, de modo que daban a la gente algunas inhalaciones y procedían a ayudar a otros. Cuando la atmósfera al final se limpió el 31 de octubre, los seis días de esmog tóxico intenso habían cobrado su factura y el alcance completo del episodio (como se llama a estas catástrofes en la calidad del aire) se hizo evidente. La difusión que hubo en torno a Donora marcó el inicio de una conciencia y un compromiso nuevos por controlar la calidad del aire en nuestras comunidades. Los trabajadores de la salud pensaban que si el esmog hubiera continuado una noche más habrían muerto casi 10,000 personas. ¿Qué es tan especial respecto a Donora que hizo posible este episodio? En primer lugar, era una clásica población dedicada a la elaboración de acero. Tres enormes plantas industriales se encontraban junto al río: una planta de acero, una fábrica de alambres y una planta de zinc para galvanizar el alambre; las tres juntas producían alambre galvanizado. El río Monongahela ofrecía el transporte hacia los mercados mundiales, y la disponibilidad de materias primas y mano de obra confiable (a menudo importada desde Europa del este) la convertía en una empresa muy rentable. Durante el fin de semana, cuando se agudizó la situación de la calidad del aire en la población, las plantas no redujeron su producción. En apariencia, sus gerentes no se consideraron en modo alguno responsables por la condición de los ciudadanos de Donora. No fue sino hasta el lunes por la noche, cuando se conoció la magnitud completa de la tragedia, que apagaron los hornos. En segundo lugar, Donora se asienta sobre una curva del río Monongahela, con elevados acantilados hacia la parte externa de la curva, lo que crea un espacio o cuenca en el que la población queda en medio (figura 1.2). La noche del 25 de octubre de 1948 se produjo una condición de inversión térmica. Esta condición meteorológica, que nada tiene que ver en sí con la contaminación, sencillamente limitó el movimiento ascendente del aire y creó una especie de tapa sobre el valle. Por tanto, los contaminantes emitidos desde las plantas siderúrgicas no podían escapar y quedaron atrapados bajo esta tapa, con lo que se generó en forma sostenida un nivel cada vez mayor de concentraciones de contaminantes. Las compañías siderúrgicas insistían en que no eran culpables, y en efecto, nunca se les atribuyó responsabilidad alguna en la investigación especial que se realizó sobre el incidente. Operaban dentro del marco de la ley y no coaccionaron a los trabajadores para que laboraran en sus plantas o a las personas para que vivieran en Donora. En ausencia de una legislación, las compañías no se sentían obligadas a gastar en equipo para controlar la contaminación del aire o modificar los procesos para disminuirla. Consideraban que si se les exigía comprar e instalar dicho equipo quedarían en una desventaja competitiva y al final saldrían del negocio.

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Capítulo 1 Identificación y resolución de problemas ambientales

A

Figura 1.2 Donora era una población siderúrgica común a orillas del río Monongahela, al sur de Pittsburgh, con a) acantilados elevados que creaban una cuenca y b) tres plantas siderúrgicas que producían los contaminantes.

La tragedia obligó al estado de Pennsylvania y, finalmente, al gobierno de Estados Unidos a actuar y fue el impulso más grande que se dio para la aprobación de la Ley del Aire Limpio (o Ley del Aire Normal) de 1955, aunque no fue sino hasta 1972 que se aprobó una legislación federal efectiva. Sin embargo, en Donora y en la cercana ciudad de Pittsburgh había una sensación de negación. El esmog y la mala calidad del aire constituían una especie de condición machista que significaba trabajos y prosperidad. La prensa de Pittsburgh dio a las noticias de la tragedia de Donora la misma importancia que a la fuga de los reos de una prisión. Incluso a principios de la década de 1950 se temía que, si la gente protestaba por la contaminación, se cerrarían las plantas y desaparecerían los empleos. Y, en efecto, la planta de zinc (se piensa que fue la principal culpable en la formación del esmog tóxico) cerró en 1957 y las otras dos una década después. Sin embargo, Donora permanece en la memoria como el sitio del episodio más significativo que puso en movimiento nuestro compromiso actual con el aire limpio. Preguntas para reflexionar 1. Años después del episodio de Donora, el periódico de la localidad se lamentó publicando: “Lo mejor que podemos esperar es que la gente olvide pronto el episodio de

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B

Figura 1.2 (Continuación.)

Donora”. ¿Por qué los editores del diario pensaban de esa forma? ¿Por qué no querían que la gente recordara el episodio? 2. Las edades de las personas que murieron iban de los 52 a los 85 años; eran ancianas. La mayoría de ellas ya tenía problemas cardiovasculares graves, con dificultades para respirar. ¿Por qué preocuparse por ellas? En cualquier caso, habrían muerto después de todo. 3. El hecho de que las mascotas sufrieron mucho casi se ha ignorado en los recuentos del episodio de Donora. ¿Por qué? ¿Por qué nos concentramos en las 21 personas que murieron y no en los cientos y cientos de mascotas que perecieron bajo el esmog? ¿No son también importantes? ¿Por qué la gente es más importante para nosotros que las mascotas?

1.2.4

Cromo en Jersey City

Jersey City, en el condado de Hudson, Nueva Jersey, fue otrora la capital del procesamiento del cromo en Estados Unidos, y con los años, 20 millones de toneladas de residuos del procesamiento de minerales de cromita se vendieron o se regalaron como relleno.7 Había muchos sitios contaminados, incluyendo canchas deportivas y sótanos de casas y negocios. Era frecuente que los compuestos de cromo de brillantes colores se cristalizaran en las paredes de los sótanos húmedos y que brotaran en las superficies del suelo en donde se evapora la humedad de la tierra, creando una especie de escarcha anaranjada de cromo hexavalente, Cr(VI). Una tubería de agua

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Capítulo 1 Identificación y resolución de problemas ambientales rota en el invierno generó la formación de un hielo verde brillante debido a la presencia de cromo trivalente, Cr(III). Las compañías que generaron el problema de los desechos de cromo ya no existían, pero tres conglomerados heredaron el pasivo debido a una serie de adquisiciones. En 1991, Florence Trum, residente de la localidad, entabló una demanda exitosa en contra de Maxus Energy, subsidiaria de uno de los conglomerados, por la muerte de su esposo, quien cargaba camiones en una bodega construida directamente sobre un sitio de desechos de cromo. Se le abrió un orificio en el paladar y desarrolló cáncer de tórax; en la autopsia se determinó que su muerte había sido resultado de un envenenamiento por cromo. Si bien la compañía subsidiaria no causó la contaminación por cromo, el juez determinó que la empresa sabía de sus peligros. El estado de Nueva Jersey gastó al inicio 30 millones de dólares para localizar, excavar y eliminar parte del suelo contaminado. Pero la magnitud del problema era abrumadora, así que estos esfuerzos se interrumpieron. El director de saneamiento de desechos tóxicos de Nueva Jersey reconoció que, aunque se sabía de los riesgos de vivir o trabajar cerca del cromo, el estado no contaba con los recursos económicos para eliminarlo. Las estimaciones iniciales de la rehabilitación del sitio eran superiores a 1,000 millones de dólares. Los ciudadanos del condado de Hudson estaban molestos y temerosos. Los enfermos de cáncer se preguntaban si éste pudo haberse prevenido. La señora Trum percibía a los perpetradores como empresarios bien vestidos que estaban dispuestos a arriesgar la vida de las personas. “Las grandes empresas le hacen esto al hombre pequeño”, manifestó.7 La contaminación en Jersey City se debió a que algunos sectores de la industria utilizaban el cromo en sus procesos, como el chapeado metálico, el curtido de pieles y la manufactura textil. La precipitación de este cromo en los vertederos generaba agua, suelos y sedimentos contaminados. El cromo es particularmente difícil de regular debido a la complejidad de su comportamiento y toxicidad químicos, lo que se traduce en una incertidumbre científica. La falta de certeza exacerba la tendencia de los organismos reguladores a establecer premisas conservadoras y protectoras, la inclinación del regulador a cuestionar los fundamentos científicos de las normas y la tendencia de los ciudadanos potencialmente expuestos a temer un posible riesgo. El cromo existe en la naturaleza de manera principal en dos estados de oxidación: Cr(III) y Cr(VI). En su forma más reducida, Cr(III), se forman hidróxidos que son relativamente insolubles en el agua a valores de pH neutros. El Cr(III) al parecer no es carcinógeno, según los ensayos con animales y biológicos; como complejo orgánico se convirtió en uno de los suplementos dietéticos más populares en Estados Unidos y puede comprarse como picolinato de cromo o en marcas como Chromalene, que ayuda en la metabolización adecuada de la glucosa, la pérdida de peso y la tonicidad muscular. Sin embargo, cuando se oxida como Cr(VI) es sumamente tóxico. Se le relaciona con el desarrollo de cáncer pulmonar y lesiones cutáneas en los trabajadores industriales. En contraste con el Cr(III), se ha demostrado que casi todos los compuestos del Cr(VI) son poderosos mutágenos. La USEPA ha clasificado el cromo como un carcinógeno humano por inhalación con base en evidencias de que el Cr(VI) ocasiona cáncer pulmonar; no obstante, no se ha demostrado que lo sea por ingestión. Lo que complica la química del cromo es que, en ciertas condiciones ambientales, el CR(III) y el Cr(VI) pueden interconvertirse. En suelos que contienen manganeso, el Cr(III) se oxida y se convierte en Cr(VI). Si bien la materia orgánica puede reducir el Cr(VI), también puede recomponer el Cr(III) y volverlo más soluble, lo que facilita su transporte en el agua subterránea y aumenta las probabilidades de que se encuentre con manganeso oxidado presente

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© Everett collection

en el suelo. En razón de la naturaleza heterogénea de los suelos, estas reacciones de reducción y oxidación pueden ocurrir en forma simultánea. Los límites para la limpieza del cromo se basaron al principio en la dermatitis por contacto, que era controvertida. Si bien algunas personas la percibían como un reclamo de daño legítimo, otras propusieron en broma límites regulatorios a la hiedra venenosa, que también la ocasiona. La metodología con la que se determinaron los límites de cromo en el suelo, sobre la base de la dermatitis, fue atacada por quienes cuestionaban la validez de las pruebas con parches cutáneos y las inferencias por las cuales los resultados de las mismas se traducen en niveles de Cr(VI) en el suelo. Durante la controversia se desarrollaron algunas tecnologías útiles en la solución de la polémica. Por ejemplo, se crearon pruebas analíticas para medir y distinguir entre el CR(III) y el Cr(VI) en los suelos. Desde que comenzó el problema en Nueva Jersey, los ensayos resultaron poco confiables y se había presentado la necesidad de rehabilitar el suelo con base en el cromo total. Otros avances técnicos y científicos incluyeron estrategias de rehabilitación diseñadas para reducir químicamente el Cr(VI) a Cr(III) a fin de disminuir el riesgo sin excavar o eliminar suelo designado como residuo peligroso. La frustración debido a la lentitud en la limpieza y lo que los ciudadanos percibían como ambigüedades de los científicos culminó en la extraña medida de enmendar la Constitución estatal a fin de destinar fondos para la limpieza de los residuos peligrosos. Los ambientalistas del estado describieron la enmienda constitucional como un referendo sobre la trayectoria ambiental de la gobernadora Christine Todd Whitman (R), que relajó la aplicación y redujo las limpiezas. (Posteriormente, Whitman fue directora de la USEPA en la administración del presidente George W. Bush.) El cromo también es un factor de responsabilidad en la exitosa película Erin Brockovich, protagonizada por Julia Roberts y Albert Finney (figura 1.3). Erin Brockovich (Julia Roberts) era una defensora pública dedicada y entusiasta, poco sofisticada en sutilezas legales, quien

Figura 1.3 Escena de Erin Brockovich, protagonizada por Julia Roberts y Albert Finney.

Capítulo 1 Identificación y resolución de problemas ambientales ayudó a ganar una resolución importante en relación con la contaminación de las aguas subterráneas por cromo en torno a un sitio industrial. Preguntas para reflexionar 1. Con base en lo que sabe usted sobre el tema, ¿qué escrúpulos tendría para tomar un suplemento de cromo junto con sus vitaminas? 2. Suponga que es residente de Jersey City. ¿Cuáles serían las tres preguntas de investigación a las que le gustaría que se diera respuesta? Asegúrese de que sean preguntas razonables para las que sea posible hallar respuestas con investigaciones químicas, biológicas o epidemiológicas. 3. ¿Es posible que algo sea benéfico para la salud humana en dosis bajas, pero perjudicial en dosis elevadas? Mencione por lo menos tres sustancias químicas que serían benéficas y perjudiciales, dependiendo de la dosis. ¿Puede algo ser benéfico en dosis elevadas y perjudicial en dosis bajas?

1.2.5 El descubrimiento del tratamiento biológico de las aguas residuales Antes de 1890, la precipitación química en la tierra de labranza era el método estándar de tratamiento de las aguas residuales en Inglaterra.8 La opción más común era dejar que los residuos se volvieran anaeróbicos en lo que ahora denominamos tanques sépticos. Esa putrefacción se consideraba un proceso puramente químico pues la naturaleza física de los residuos se modificaba de manera evidente. El efluente de los tanques sépticos después se precipitaba en un proceso químico y el lodo en que ese sedimento se convertía se aplicaba a la tierra de labranza o se transportaba en barcos de sedimentos sépticos hacia el mar. El efluente tratado de manera parcial se descargaba en los arroyos, en donde generaba graves problemas de olor. En aquel entonces, el Consejo Metropolitano de Obras de Londres, entre cuyas diversas responsabilidades estaba la limpieza del río Támesis, prestaba los servicios públicos de la capital inglesa. El ingeniero en jefe de esta organización era Joseph Bazalgette, quien abordó

© Hulton-Deutsch/ CORBIS

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Figura 1.4 Antigua construcción de un sistema de alcantarillado.

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© Royal Society of Civil Engineers

el problema de la calidad del agua del Támesis desde una perspectiva de ingeniería que en esa época era perfectamente racional. Si el problema eran los malos olores en Londres, ¿por qué no construir largos colectores a lo largo de ambas riberas del Támesis y descargar las aguas residuales lejos, río abajo (figura 1.4)? Aunque esta solución era costosa, se adoptó y la ciudad gastó grandes cantidades de dinero para llevar las aguas residuales a Barking Creek en la ribera norte y a Crossness Point en la ribera sur. La idea era reunir el sistema de alcantarillas en estos sitios centrales y luego tratar de generar un producto útil, como fertilizante. Ninguno de los esquemas de reciclamiento se cristalizó y las aguas residuales sin tratar se descargaron de los desagües en el bajo Támesis. Debido a que el río, en el sitio de los desagües, es un estuario que obedece a un régimen de mareas, el plan inicial era descargar las aguas residuales sólo durante la marea baja; por desgracia, tenían que descargarse de manera continua y la marea alta traía los residuos hediondos de regreso a la ciudad, lo que ejerció una gran presión en los políticos para que hicieran algo. Se consideraron varias soluciones; una era simplemente continuar con los colectores y ampliarlos hasta el Mar del Norte, pero esto resultaba prohibitivo por costoso. Otra solución era rociar las aguas residuales en la tierra, pero la cantidad de tierra que debía comprarse sobrepasaba con mucho el presupuesto del Consejo de Obras. El problema exigía un nuevo modelo, que llegaría de una ciencia emergente: la microbiología. El químico en jefe que trabajaba para el Consejo de Obras en ese entonces era William Joseph Dibdin (figura 1.5). Dibdin, hijo autodidacta de un pintor de retratos, empezó a trabajar con el consejo en 1877 y ascendió a químico en jefe en 1882, pero con responsabilidades de ingeniero en jefe. Al buscar una solución para el problema de la eliminación de las aguas residuales en los desagües de Barking Creek y Crossness, inició una serie de experimentos con ayuda de varias sustancias químicas floculantes (como alumbre, cal y cloruro férrico) para precipitar los sólidos antes de descargarlos en el río. Esto no era nuevo, por supuesto, pero Dibdin descu-

Figura 1.5 William Dibdin (1850-1925).

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Capítulo 1 Identificación y resolución de problemas ambientales brió que utilizar sólo un poco de alumbre y cal era tan efectivo como usar mucho, conclusión que resultó atractiva para el Consejo Metropolitano, preocupado por los costos. Dibdin reconocía que el proceso de precipitación no eliminaba la demanda de oxígeno, y en apariencia uno de los integrantes de su personal, un químico de nombre August Dupré, lo convenció de que era necesario mantener los niveles de oxígeno positivos en el agua para impedir los olores. Dibdin decidió agregar permanganato de sodio (o permanganato sódico) al agua para reponer los niveles de oxígeno. Dado que las recomendaciones de Dibdin eran bastante menos costosas que las otras opciones, el Consejo de Obras secundó este esquema. El plan de Dibdin se adoptó, y en 1885 comenzó la construcción de las obras de tratamiento de aguas residuales en el desagüe de Barking. En virtud del grado de malentendidos que se generaron en ese entonces, hubo muchas personas que dudaban de que el esquema de Dibdin funcionara, de modo que éste tuvo que defender continuamente su proyecto. De nuevo arguyó que la adición del permanganato de sodio era necesaria para mantener el olor en un nivel bajo, y explicó esto señalando que era preciso mantener saludables a los microorganismos aeróbicos. Christopher Hamlin, historiador en la Universidad de Notre Dame, escribió de modo abundante sobre las condiciones de salubridad victorianas y consideraba que ésta era una racionalización de Dibdin y que éste aún no tenía una comprensión cabal del tratamiento biológico. Sin embargo, cuanto más lo refutaban sus detractores, más defendía la benéfica actividad microbiológica aeróbica en el agua porque ésta era una contribución suya en verdad única que no podía refutarse. Cuando Dibdin empezaba a realizar sus experimentos en el desagüe, Dupré, refugiado político alemán y químico especializado en salud pública, llevaba a cabo otros con microorganismos aeróbicos. Dupré sostenía que los diminutos microorganismos aeróbicos limpiaban los ríos y, por tanto, podían utilizarse para tratar las aguas residuales. Trataba de compartir con Dibdin la idea de la acción microbiana. En una carta dirigida a éste, Dupré escribió: “La destrucción de la materia orgánica descargada en el río por el sistema de alcantarillado la logran casi por completo los diminutos organismos. Sin embargo, estos organismos sólo pueden realizar su labor en presencia de oxígeno, y cuanto más se les proporcione, más rápida es la destrucción.”8 Después, en un discurso dirigido a la Real Sociedad de Artes, Dupré señaló que “nuestro tratamiento debería ser de tal modo que se evitara matar a estos organismos o incluso obstaculizar sus acciones, sino más bien hacer todo lo posible por favorecer su benéfica labor”. Pero Dibdin y Dupré no convencieron por completo al Consejo de Obras de que sus ideas eran correctas. Muchos científicos, pensando aún en los males del mundo microbiano, sostenían que el control de los olores sólo podía lograrse matando a los microorganismos. Estos científicos se las arreglaron en 1887 para arrebatar a Dibdin la dirección de las obras de tratamiento e iniciaron en el verano un control sobre la desodorización propuesto por un colega profesor y que consistía en un tratamiento antiséptico con ácido sulfúrico y cloruro de cal. Este proceso fracasó; Dibdin fue reivindicado y el procedimiento con medios biológicos se convirtió en la norma para todas las plantas de tratamiento de aguas residuales municipales. Preguntas para reflexionar 1. ¿Cómo se salvó la civilización humana en el libro La guerra de los mundos de H. G. Wells (escrito en 1898)? ¿Por qué se tenía esa sensación? 2. Durante el siglo xix, el río Támesis era el único receptor de todas las aguas residuales de Londres. No había plantas de tratamiento de aguas negras; los excrementos humanos se recolectaban en letrinas y se transportaban en carros hacia las granjas. Con frecuencia estas letrinas se agrietaban o se conectaban de manera subrepticia con las

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Estudios de caso

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alcantarillas de aguas pluviales que se vaciaban directamente en el río. Los olores del Támesis era tan desagradables que la Cámara de los Comunes, que se reunía en el edificio del Parlamento ubicado junto al río, tenía que rellenar con trapos remojados en cloruro de cal [hipoclorito de calcio, Ca(ClO)2·4H2O] las rendijas de los postigos para protegerse del horrible hedor. Los caballeros portaban granadas rellenas de clavo para enmascarar los olores. Los excrementos de los comerciantes simplemente se vertían en las calles, de donde la lluvia los lavaba y los llevaba a las alcantarillas. Shambles era la calle en la que los carniceros vendían sus mercaderías y donde dejaban que los desperdicios se pudrieran. Al final, el nombre de la calle (shambles significa “caos”) se convirtió en una palabra común para designar cualquier revoltijo de grandes proporciones. En una ocasión, un domingo despejado, se celebraba una fiesta privada en una barcaza sobre el Támesis cuando de pronto la embarcación se volteó y todos sus tripulantes cayeron al agua. Nadie se ahogó, pero casi todos enfermaron de cólera como resultado de haber nadado en el agua contaminada. La mayoría de los arroyos que alimentaban el Támesis estaban bordeados de excusados exteriores que sobresalían del río. En suma, las condiciones eran abominables. ¿Por qué, entonces, pocas veces leemos, si acaso, sobre estas condiciones en novelas e historias escritas durante esos tiempos? Nadie, por ejemplo, va al baño en ninguna de las novelas de Jane Austen y nadie pisa excremento en la acera en alguna de las historias de Charles Dickens. ¿Por qué? 3. Edwin Chadwick inició en la década de 1840 el gran despertar sanitario arguyendo que la inmundicia era perjudicial y que la población sería para Inglaterra más valiosa sana que enferma. Tenía muchos esquemas para limpiar la ciudad; uno de ellos era construir alcantarillas sanitarias de diámetro reducido para sacar las aguas residuales, propuesta que no le ganó el aprecio de los ingenieros. De inmediato tuvo lugar una confrontación perjudicial entre Chadwick, un abogado y los ingenieros, pues éstos insistían en que sus cálculos hidráulicos eran correctos y que las alcantarillas de Chadwick se taparían, se colapsarían o, en todo caso, serían inadecuadas. Los ingenieros querían construir alcantarillas de ladrillo en forma ovalada y de gran diámetro que permitieran el acceso humano. Sin embargo, éstas eran tres veces más costosas que los conductos de arcilla vitrificada de Chadwick. ¿Quién ganó al final y por qué?

1.2.6

La barcaza de la basura

La conciencia sobre los problemas derivados de los desechos sólidos municipales se acentuó debido a la saga de la barcaza de la basura.9 Transcurría el año de 1987, y una barcaza llamada Mobro se había cargado en Nueva York con residuos sólidos municipales, pero no encontraba dónde desembarcarlos. En razón de que desecharla en el mar era ilegal, se la llevaba con remolque de un puerto a otro, pero en seis estados y en tres países se rechazaron las súplicas del capitán para desembarcar el cargamento indeseado (figura 1.6). Los medios de comunicación señalaron este desafortunado incidente y pregonaron a los cuatro vientos la llamada crisis de la basura a quienquiera que los escuchara. Los reporteros afilaban sus mejores hipérboles señalando que la barcaza no podía desembarcar porque todos los vertederos estaban en su límite y Estados Unidos pronto se llenaría de desperdicios sólidos de costa a costa. A menos que se hiciera algo pronto, afirmaban, todos se ahogarían en la basura. La anécdota del desventurado Mobro es en realidad la historia de una empresa audaz que resultó decepcionante. Un hombre de negocios de Alabama, Lowell Harrelson, quería construir una instalación para convertir los residuos municipales en gas metano, y reconoció que empacarlos sería la mejor forma para ese fin. Compró las pacas de desechos sólidos

Capítulo 1 Identificación y resolución de problemas ambientales

© AP/ Wide World Photos

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Figura 1.6 La barcaza de la basura.

municipales de la ciudad de Nueva York con la intención de encontrar un vertedero en alguna parte de la costa este o del Caribe donde pudiera depositar las pacas y empezar a elaborar metano. Por desgracia, en varios municipios se le negaron los permisos apropiados para llevar los residuos y la autorización para que la barcaza descargara. Conforme continuó la travesía, la cobertura de la prensa creció y, en consecuencia, ningún político local permitió que la basura entrara en sus puertos. El pobre Harrelson tuvo que quemar su inversión en un incinerador de Brooklyn. Por supuesto, nunca se generó la crisis de la basura. Grandes corporaciones dedicadas a la eliminación de desechos construyeron enormes vertederos en zonas remotas y compitieron por los residuos sólidos municipales de la costa este. Sin embargo, los emprendedores siguen buscando formas de obtener valor de la basura. Preguntas para reflexionar 1. ¿Cuál es el destino de los desechos sólidos municipales (o basura, en términos populares) en su comunidad o población natal? 2. ¿Los desechos sólidos municipales (la basura) constituyen un material peligroso? ¿Qué elementos constitutivos de la basura la convertirían en un material peligroso? ¿Qué tipos de desechos debería impedirse que se mezclen con la basura normal y cómo se haría esto?

1.3

Sostenibilidad y diseño de cuna a cuna

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3. Harrelson, el propietario de la barcaza de la basura, tenía buenas intenciones. Quería utilizar los desperdicios para generar metano, un producto útil. ¿Los diversos gobiernos de Estados Unidos y otros países debieron haber sido más flexibles en virtud de que sus intenciones eran admirables? ¿Cuáles podrían ser las respuestas gubernamentales apropiadas y correctas para las dificultades de los ciudadanos privados, como Harrelson?

1.3 SOSTENIBILIDAD Y DISEÑO DE CUNA A CUNA La prosperidad del mundo occidental puede considerarse en gran medida producto de la Revolución Industrial. Si bien la industrialización de los dos últimos siglos produjo enormes beneficios, también nos legó consecuencias negativas indeseadas: enormes cantidades de desechos, agotamiento de los recursos naturales y contaminación de las personas y los ecosistemas con sustancias tóxicas dispersas por todo el planeta. La Revolución Industrial se basa en parte en el modelo de cuna a cuna con un esquema de “toma, haz y desecha”. Los recursos pasan de ser materias primas a productos y luego a residuos en un periodo muy breve. Si bien un producto en sí puede idearse para su consumo rápido, puede generar desechos que permanecen en el entorno durante cientos de años. Por ejemplo, algunos alimentos sólo permanecen frescos durante algunos días, pero se empacan en materiales que se descomponen en el ambiente mediante procesos naturales durante cientos de años. En las últimas décadas, científicos, ingenieros y organismos normalizadores han empezado a ocuparse de las deficiencias de este modelo no sostenible y a definir y experimentar con lo que sería deseable. Muchas personas miran hacia la naturaleza en busca de inspiración y modelos de formas más sostenibles para crear y manejar las sustancias químicas y los productos en la sociedad. El manejo de materiales sostenibles (SMM; sustainable materials management) ha surgido como un método para fomentar su uso, “integrar acciones cuyo objetivo es la reducción de los impactos ambientales negativos y preservar el capital natural durante todo el ciclo de vida de los materiales, tomando en cuenta la eficiencia económica y la equidad social”.10

1.3.1

Marco para la sostenibilidad

En 1989 surgió en Suecia un marco para la sostenibilidad llamado “El paso natural”, gracias a los esfuerzos del doctor Karl-Henrik Robèrt, un connotado oncólogo sueco.11 Este marco ofrece un conjunto de cuatro condiciones sistémicas que definen a una sociedad sostenible sobre la base de las leyes de la termodinámica y de los ciclos naturales. En las Condiciones del Sistema del Paso Natural, se considera la Tierra como un sistema cerrado en cuanto a los materiales y abierto en el caso de la energía que sustenta la vida, por medio de una red de interacciones complejas de los ciclos naturales que se valen de la energía solar para contrarrestar la tendencia de los materiales a disiparse y, por lo demás, a aumentar en entropía. Por tanto, para que la sociedad sea sostenible, la naturaleza no debe someterse a los siguientes procesos cada vez más sistemáticos:11 1. Extracción de concentraciones de sustancias de la corteza terrestre. Esta condición se refiere a la extracción de minerales y combustibles fósiles. Las sustancias que son escasas en la naturaleza deberían sustituirse por otras que sean más abundantes. Los materiales extraídos de las minas deberían utilizarse en forma eficiente y reciclarse, y reducirse en forma sistemática la dependencia de los combustibles fósiles.

24

Capítulo 1 Identificación y resolución de problemas ambientales 2. Acumulación de concentraciones de compuestos hechos por el hombre en la naturaleza. Esta condición alude a la manufactura de compuestos persistentes e innaturales. Dichos compuestos deberían reemplazarse por los que de manera natural son abundantes o que se descomponen en forma completa y fácil en la naturaleza. Todas las sustancias producidas por la sociedad deberían utilizarse en forma eficiente. 3. Utilización de recursos renovables a ritmos más rápidos de los que se regeneran y reducción de la capacidad productiva de la naturaleza. Esta condición se refiere al uso de los recursos naturales, los cuales deberían extraerse sólo de los ecosistemas que se manejan debidamente, buscando en forma sistemática los usos más productivos y sostenibles tanto de esos recursos como de la tierra, y extremar precauciones en todo tipo de modificación de la naturaleza. Y en esa sociedad: 4. La gente es capaz de satisfacer sus necesidades en todo el mundo. Esta condición significa utilizar todos nuestros recursos en forma eficiente, efectiva, justa y responsable, de modo que las necesidades de todas las personas, incluidas las futuras generaciones, tengan mayores posibilidades de cubrirse.

1.3.2 Diseño de cuna a cuna Una de las principales estrategias prácticas para lograr el manejo de los materiales sostenibles es la actividad industrial positiva llamada diseño de “cuna a cuna”. En la década de 1970, Walter Stahel y Michael Braungart acuñaron el término. Al inicio, en 1992, Braungart y colaboradores trazaron de manera sistemática los principios medulares de este diseño como Sistema de Producto Inteligente (SPI), y posteriormente, en 2002, Braungart y William McDonough los desarrollaron y articularon en su libro Cradle to Cradle: Remaking the Way We Make Things.12 Al igual que en los sistemas naturales en los que los desechos de unos organismos se convierten en alimento para otros, el enfoque de cuna a cuna aplica el mismo concepto al diseño de la industria humana. El primero define dos metabolismos dentro de los cuales los materiales se conciben como nutrientes que circulan entre ellos en forma benigna y productiva: el ciclo de los nutrientes biológicos dentro de los metabolismos biológicos y el ciclo de los nutrientes técnicos dentro de los metabolismos técnicos. El metabolismo biológico es el sistema de procesos naturales que sustenta la vida. Los procesos biológicos son cíclicos, se alimentan en última instancia de la energía del Sol e incluyen la biodegradación (y quizá otras formas de degradación) de los materiales orgánicos y su incorporación en los organismos. Los materiales que contribuyen a la productividad de los metabolismos biológicos son los nutrientes biológicos. Son renovables, degradables y ecológicamente benignos. Los productos de la industria que se elaboran a partir de los nutrientes biológicos pueden integrarse en metabolismos naturales o diseñados por medio de la ingeniería biológica, lo que comprende procesos de tratamiento de agua y sistemas de procesamiento orgánico como la composta o la digestión anaeróbica. El producto de los metabolismos biológicos puede constituirse con recursos que engendran nuevos nutrientes biológicos, como las mejoras benéficas para el suelo. Los productos que se pretende liberar en el ambiente deberían diseñarse como nutrientes biológicos que sean benignos para el uso que se pretende darles. La industria también puede imitar los procesos naturales al crear para ello metabolismos técnicos que hagan circular los nutrientes técnicos. Éstos en general no son renovables y son valiosos por sus cualidades de desempeño. Algunos ejemplos son los metales como el cobre o el aluminio. Cuando se diseñan en los sistemas de cuna a cuna, los nutrientes técnicos pueden recuperarse y reciclarse una y otra vez (sin degradar su calidad ni perjudicar a quienes los

1.3

Sostenibilidad y diseño de cuna a cuna

25

manejan) en productos similares o disímiles. Algunas empresas consideran que los materiales de sus productos son tan valiosos que incluso realizan programas de arrendamiento en los que esencialmente el fabricante arrienda los productos al cliente hasta que éste ya no los requiere. Luego el fabricante los recuperará para transformar sus materiales y componentes valiosos en nuevos productos. Los nutrientes técnicos pueden diseñarse para su reutilización dentro de una compañía o entre empresas de sectores similares o distintos, dependiendo del material. Los productos elaborados a partir de los nutrientes técnicos deberían diseñarse para facilitar la recuperación del material en su valor más alto con un gasto mínimo de energía y costo. El diseño de cuna a cuna, como lo describen McDonough y Braungart, utiliza un modelo de la industria humana basado en tres principios derivados de los sistemas naturales. Uso del insumo solar actual. Salvo contadas excepciones, la vida en la Tierra se alimenta, a final de cuentas, de la energía del Sol. Apenas empezamos a ampliar nuestra capacidad para aprovechar la energía solar, directa e indirectamente, para fines humanos. 2. Celebración de la diversidad. Los sistemas naturales prosperan en la riqueza y la diversidad. De igual modo, la industria debería fomentar el desarrollo de productos diversos que correspondan a diferentes preferencias, culturas, geografías y ecosistemas. 3. Los desperdicios equivalen a alimento. En la naturaleza no hay desperdicios. El producto de un organismo es el alimento o la estructura de otro. Los sistemas humanos también pueden diseñarse para hacer que los materiales circulen en forma productiva, eliminando así el concepto de desecho.

1.

Algunas personas exigen que haya una estrategia de ecoeficiencia: reducir la cantidad de recursos utilizados y generar menos desechos en las actividades industriales. Pero la ecoeficiencia por sí sola no es una estrategia suficientemente sólida para la sostenibilidad. Las mejoras en la ecoeficiencia se ven rebasadas por los incrementos en la demanda. Por ejemplo, la mejora en la eficiencia del combustible de los automóviles se ha visto menguada por un aumento en la cantidad de vehículos en las calles y la cantidad de millas (o kilómetros) recorridos. Piense en la ecoeficiencia como una forma de hacer que la pérdida de recursos sea más lenta, en forma similar a la ayuda que se presta para que una herida sangre con lentitud a fin de que no haya una hemorragia. El diseño de cuna a cuna exige una ecoefectividad, lo que es análogo a curar una herida y reforzar la salud de todo el cuerpo. La ecoefectividad se relaciona con el incremento de los flujos de materiales cíclicos (de ahí el término “efectividad”), de modo que el desecho equivalga a alimento. Al rediseñar la industria sobre la base de los modelos naturales, la actividad económica refuerza, en lugar de comprometer, la prosperidad social y ambiental. Si bien esto quizá se considere un castillo en el aire, hay algunos beneficios no buscados de la utilización del enfoque de cuna a cuna como estrategia de diseño. Primero, impulsa la innovación. Los negocios siempre buscan nuevas ideas y formas para distinguirse, agregar valor a sus productos y, por supuesto, obtener más ganancias. El diseño de cuna a cuna estimula las ideas novedosas y la creatividad. De acuerdo con Roger McFadden, ahora director científico y vicepresidente de ciencia y tecnología de productos de Corporate Express A Staples Company: “Los fabricantes de productos químicos deberían reconocer la oportunidad que el movimiento en favor de la sostenibilidad crea para la innovación. Es emocionante en parte porque fomenta la innovación de productos reales y la creación de formulaciones de materias primas nuevas después de un largo periodo de cambios graduales.”13 ¿Cuáles son los beneficios de los productos diseñados en los sistemas de cuna a cuna? Por lo pronto, el público tiene un ánimo ecológico cada vez mayor. Si se presenta la oportunidad de comprar dos productos con desempeño y precio similares, ¿quién no preferiría comprar el

26

Capítulo 1 Identificación y resolución de problemas ambientales que tiene sustancias químicas ecológicas y un embalaje innovador que elimine los desechos? El enfoque de cuna a cuna también conduce la creatividad hacia nuevos modelos de negocios. Por ejemplo, los productos diseñados como nutrientes técnicos pueden concebirse como productos de servicio. Si lo piensa, ¿la gente en realidad necesita poseer computadoras o televisores? (Con seguridad usted cree que ahora estamos soñando, ¿no es cierto?) Lo que la gente en verdad quiere es tener posibilidades de costear y elegir el equipo con la mayor calidad posible para su gozo irrestricto en la privacidad de su hogar (u oficina). Si cuando usted estuviera listo para cambiar de modelo supiera que podría devolver de manera conveniente el producto al fabricante y que sus componentes se reutilizarían o se reharían, ¿le importaría? Predecimos que no, sobre todo si la devolución genera valor para usted, como reembolsos o descuentos para el próximo artículo de servicio que usted desee. Las ideas del modelo de cuna a cuna pueden convertirse en una segunda naturaleza de los ingenieros ambientales, quienes se encargan de proteger tanto la salud humana como el ambien-

ENFOQUE

Diseño de productos para ciclos técnicos: la silla para oficina Mirra de Herman Miller14, 15 La silla para oficina Mirra de Herman Miller fue la primera en su tipo creada para fluir en ciclos técnicos según los principios del diseño de cuna a cuna. La silla fue resultado de la colaboración entre Herman Miller, McDonough Braungart Design Chemistry, Studio 7.5 y EPEA Internationale Umweltforschung GmbH. La meta era sincronizar el desarrollo del producto con el diseño de cuna a cuna. El equipo creó una herramienta de evaluación de productos en su Diseño para el Ambiente (DpA) a fin de valorar el desempeño ambiental de los nuevos diseños en tres ámbitos fundamentales: química de materiales, desmontaje y capacidad para ser reciclado. La evaluación de la química de materiales comprende tres etapas medulares: 1. Identificación de todas las sustancias químicas en un material que se utilizó para fabricar un producto (como el eje de acero en una silla) hasta 100 ppm. 2. Evaluación de los peligros que representan las sustancias químicas del material. 3. Asignación del material a la categoría verde, amarilla, anaranjada o roja sobre la base de que verde representa un peligro menor o nulo amarillo es un peligro entre bajo y moderado anaranjado son los datos incompletos rojo representa un peligro sumamente elevado

El desmontaje se refiere a la facilidad para descomponer un producto final (como la silla para oficina) en las partes que lo constituyen con fines de reciclaje o reutilización. Al evaluar la capacidad para ser reciclado, se considera si una de las partes contiene material que se ha usado antes y, más importante, si es posible reciclarla al final de la vida útil del producto. La silla Mirra se diseñó para ciclos técnicos como producto de servicio. Como sucede con los nutrientes en el mundo natural, los materiales en los ciclos técnicos son nutrientes en el mundo industrial y pueden utilizarse muchas veces. La EPEA analizó los materiales empleados en la silla Mirra en Hamburgo, Alemania. Los que eran tóxicos o incapaces de fluir en un ciclo técnico se eliminaron del diseño. De las sustancias químicas y los materiales elegidos, 69% se considera en la categoría verde. Respecto al reciclaje, la silla contiene 42% de peso de material reciclado antes y después del consumo y 96% de su peso es reciclable. En lo que atañe al desmontaje, 93% del peso del producto puede desarmarse con facilidad, lo que se necesita para facilitar el reciclaje.

Notas finales

27

te y aprenden a diseñar sistemas de flujo de materiales para elementos como el agua o las aguas residuales. En lugar de tratar los desechos al final de la cañería, los ingenieros ambientales pueden valerse de las herramientas comerciales para diseñar de antemano sistemas sostenibles que reutilicen los recursos valiosos sin degradar su calidad en el tiempo. Aunque no negamos la presencia actual de una infraestructura no sostenible, esto no debería impedirnos mejorar los diseños y aplicar las ideas del modelo de cuna a cuna a medida que estos sistemas envejezcan y necesiten sustituirse y se readquieran sistemas nuevos. Vale la pena pensar en los diseños (y sus características) del pasado como prototipos para otros cada vez mejores. Como ilustra el producto que se describe en el recuadro de este capítulo, el diseño determina las opciones del material al final de su vida. Los ingenieros pueden influir en la eficacia de la infraestructura al entender e incidir en el diseño de los productos y no considerar uno sin el otro. Preguntas para reflexionar 1. ¿Qué valor se deriva de los desechos biológicos humanos como las aguas residuales? Si el desperdicio equivale a alimento en el caso de los desechos biológicos humanos, ¿qué nos impide optimizar su valor? 2. ¿Cuáles son los desafíos de la ingeniería actual en relación con los sistemas de tratamiento de agua y de aguas residuales? ¿Cómo podrían diseñarse en forma sostenible?

NOTAS FINALES 1. USEPA (2008). ¿Qué es la ingeniería ecológica? Visite http://www.epa.gov/oppt/greenengineering/pubs/whats_ge.html del 8 de diciembre de 2008. 2. Abraham, Martin A. (2006). Sustainability Science and Engineering: Defining the Principles. Ámsterdam: Elsevier. 3. Anastas, P. T. y J. B. Zimmerman (2003). Design through the Twelve Principles of Green Engineering. Env. Sci. and Tech., 37, núm. 5. 4. Morse, J. L. (1972). The Holy Cross College football team hepatitis outbreak. Journal of the American Medical Association, 219: 706-7. 5. Phelps, E. B. (1948). Public Health Engineering. Nueva York: John Wiley & Sons. 6. Shrenk, H. H., H. Heimann, G. D. Clayton, W. M. Gafafer y H. Wexler (1949). Air Pollution in Donora, PA. Public Health Bulletin, núm. 306. Washington, DC: U. S. Public Health Service. 7. Bartlett, L. y P. A. Vesilind (1998). Expediency and human health: The regulation of environmental chromium. Science and Engineering Ethics 4: 191-201. 8. Vesilind, P. A. (2001). Assisting nature: William Dibdin and biological wastewater treatment. Water Resources Impact 2, núm. 3.

9. Perlman, S. (1998, 21 de junio). Barging into a trashy saga. Newsday. 10. ENV/EPOC/WGWPR/RD(2005)5/FINAL Organización para la Cooperación y el Desarrollo Económico, 27 de septiembre de 2007, Grupo de trabajo sobre Resultados de Prevención y Reciclamiento de Desechos del Primer Taller de la OCDE sobre Manejo de Materiales Sostenibles, Seúl, Corea, 28 a 30 de noviembre de 2005. 11. http://www.naturalstep.org/com/nyStart/ 12. McDonough, William y M. Braungart, 2002. Cradle to Cradle: Remaking the Way We Make Things. Nueva York: North Point Press. 13. Comunicación personal (2004). Roger McFadden, vicepresidente de servicios técnicos, Coastwide Laboratories. 14. http://www.epea.com/documents/EPEAProduct. Case_MirraChair.pdf. 15. Clean Production Action (2006). Healthy Business Strategies for Transforming the Toxic Chemical Exonomy. Visite http://www.cleanproduction.org/library/CPA-HealthyBusiness-1. pdf del 8 de diciembre de 2008.

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© Keith and Susan Morgan

FUNDAMENTOS

Puente Poinsett, 1820, Carolina del Sur

Los ingenieros ambientales emplean conceptos fundamentales de diversas disciplinas (biología, química, geología, geomorfología, física, etc.) para diseñar soluciones sostenibles duraderas.

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Decisiones en ingeniería

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Inundación por la falla de una presa

Escalera de peces

Los ingenieros ambientales tienen la enorme responsabilidad de proteger tanto a los seres humanos como el ambiente. Nuestras decisiones influyen directamente en las vidas y los ecosistemas, así que debemos considerar muchos factores cuando tomamos decisiones. 31

32

Capítulo 2 Decisiones en ingeniería La implementación de cualquier proyecto de ingeniería, grande o pequeño, implica toda una serie de decisiones que los ingenieros deben tomar. Con frecuencia esto se hace en forma deficiente. Sin embargo, una cantidad mucho mayor de decisiones que cientos de miles de ingenieros toman cientos de veces al día son correctas y mejoran mucho la civilización humana, protegen el ambiente global y fortalecen la integridad de la profesión. Dado que pocas de ellas resultan deficientes, la toma de decisiones en este campo es un proceso poco conocido y casi nunca se analiza. Con todo, cuando una decisión resulta errónea, los resultados son catastróficos. Como señala R. G. Gray (2000), los médicos por lo común sólo dañan a una sola persona a la vez, en tanto que los ingenieros tienen el potencial de perjudicar a miles de ellas al mismo tiempo cuando diseñan incorrectamente un solo sistema.1 (Véase el capítulo 1.) Este capítulo es una revisión de cómo toman decisiones los ingenieros ambientales, en la que comenzaremos por describir de manera breve las decisiones técnicas, seguido por un análisis de la rentabilidad, quizá la segunda herramienta que más se utiliza en la toma de decisiones en el área de la ingeniería ambiental y la segunda más cuantificable. Después estudiaremos el uso del análisis de costo/beneficio, seguido por una exposición de las decisiones basadas en el análisis de riesgos. Yendo aún más lejos, hacia formas más subjetivas de la toma de decisiones, revisaremos el análisis de impacto ambiental como una herramienta de la ingeniería. Este capítulo concluye con una introducción a la ética y la toma de decisiones ética como se aplica en la ingeniería ambiental.

2.1

DECISIONES BASADAS EN ANÁLISIS TÉCNICOS En ingeniería pocas veces hay una mejor forma de diseñar algo. En realidad, si la hubiera, la ingeniería se estancaría, la innovación cesaría y se generaría una parálisis técnica. Así como reconocemos que no hay una sola obra de arte que sea perfecta (digamos, una pintura), tampoco hay una sola planta de tratamiento de agua que lo sea. Si hubiera una planta o una pintura perfectas, todas las plantas de tratamiento de agua futuras se parecerían y lo mismo pasaría con todas las pinturas. Al estudiante de ingeniería se le enseña durante los primeros años de su formación que cada tarea y pregunta de examen tienen una sola respuesta correcta y que todas las demás son incorrectas. Pero muchas decisiones técnicas, en la práctica, son correctas en cuanto a que el problema puede tener muchas soluciones igualmente acertadas. Por ejemplo, una alcantarilla puede construirse de concreto, hierro fundido, acero, aluminio, arcilla vitrificada, vidrio o muchos otros materiales. Con los procedimientos de diseño de ingeniería correctos, esa alcantarilla tendría el flujo de diseño adecuado y, por tanto, sería óptima desde el punto de vista técnico. Una de las características de las decisiones técnicas es que otros ingenieros pueden verificarlas. Antes de que un bosquejo de diseño abandone un despacho de ingeniería se revisa y verifica para asegurar que las decisiones técnicas sean correctas; es decir, que la estructura, la máquina o el proceso funcionen según lo esperado si se construyen de acuerdo con las especificaciones previstas. Las decisiones técnicas, por tanto, son claramente cuantificables y otros ingenieros profesionales competentes pueden evaluarlas y verificarlas.

EJEMPLO 2.1

Problema Una población con 1,950 residentes quiere establecer un programa de recolección de residuos sólidos (basura) que sea propiedad del municipio y operado por éste. Puede comprar uno de tres posibles camiones que cuentan con las características siguientes: Camión A, 24 yd3 (18.35 m3) de capacidad Camión B, 20 yd3 (15.3 m3) de capacidad Camión C, 16 yd3 (12.23 m3) de capacidad

2.2

Decisiones basadas en el análisis de rentabilidad

33

Si el camión recolectará los residuos de una quinta parte de la población a diario durante los cinco días hábiles de la semana, entonces en la semana se visitarán todas las residencias y el vehículo tendrá que hacer sólo un viaje al día al vertedero. ¿Qué camión (o camiones) tendrá(n) la capacidad suficiente? Solución Dado que no hay una tasa de generación de residuos sólidos determinada en el caso de esta población, hay que suponerla. Demos por hecho una tasa de 3.5 lb (1.59 kg) per cápita al día. Entonces, el tonelaje total de residuos sólidos que se recolectará es: (1,950 personas)(3.5 lb/cápita/día)(7 días a la semana) = 47,775 lb/semana [En kilogramos sería: (1,950 personas)(1.59 kg/cápita/día)(7 días/semana) = 21,703.5 kg/semana] De eso, cada día se recolectará una quinta parte, o sea 9,555 lb (aproximadamente 4,333 kg). Por razones de eficiencia, los camiones de basura compactan los residuos. Suponga que el camión es capaz de compactarlos a 500 lb/yd3 (227 kg/m3). La capacidad requerida es (9,555 lb/día)/(500 lb/yd3) = 19.1 yd3/día [en kilogramos y metros cúbicos: (4,333 kg/día)/(227 kg/m3) = 19.08 m3/día] Tanto el camión de 24 yd3 (18.35 m3) como el de 20 yd3 (15.3 m3) cuentan con la capacidad suficiente, lo que no sucede con el de 16 yd3 (12.23 m3). Advierta que un camión de 19 yd3 (14.53 m3) también sería insuficiente; este es un caso en el que las cifras se redondean en forma ascendente y no descendente. Al realizar análisis técnicos, a menudo no contamos con toda la información que se necesita para tomar decisiones. Por tanto, debemos establecer premisas. Éstas, por supuesto, deben efectuarse utilizando los mejores datos disponibles con un poco (a veces mucho) de buen juicio. Por ejemplo, al estimar la tasa de generación de residuos sólidos de la comunidad del ejemplo 2.1 habría sido mejor recabar datos sobre su generación de residuos (es decir, analizar los registros de los transportistas de basura) en lugar de basarse en los promedios nacionales, pues cada comunidad es única. Además, los ingenieros por lo general no diseñan sistemas que duren uno o dos años, de modo que es preciso hacer proyecciones a futuro de la población que integrará la comunidad y sus esquemas de generación de residuos. Por supuesto, las presiones de la práctica moderna dictan que las decisiones de ingeniería no sólo deben ser efectivas (que se efectúe el trabajo), sino que también deben ser económicas (que se efectúe al mínimo costo). En el ejemplo 2.1, imagine que si bien tanto el camión A como el B tienen la capacidad suficiente para recoger la basura, los costos de operación y mantenimiento serían muy diferentes. Aunque los cálculos responden a las interrogantes técnicas, las cuestiones de costo exigen una toma de decisiones diferente en la ingeniería: el análisis de rentabilidad.

2.2 DECISIONES BASADAS EN EL ANÁLISIS DE RENTABILIDAD Los ingenieros por lo común trabajan para un empleador o cliente que necesita que se analicen varias opciones para resolver un problema de ingeniería con base en el costo. Por ejemplo, si un ingeniero municipal considera la posibilidad de comprar vehículos de recolección de residuos y descubre que puede adquirir ya sea camiones costosos, que logran una gran compactación de los desperdicios (con lo que se consiguen viajes eficientes al vertedero), o camiones

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Capítulo 2 Decisiones en ingeniería

ENFOQUE

Diseño elegante El artista contemporáneo Michael Singer transforma proyectos de planificación de arte público, arquitectura y paisajes en exitosos modelos de renovación urbana y ecológica. Él y Linnea Glatt diseñaron el Centro de Transferencia y Reciclamiento de Residuos Sólidos en la Avenida 27 en Phoenix, Arizona, complejo de 25 acres, 100,000 pies2 (aproximadamente 10 hectáreas; 9,290 m2), cuyo costo fue de 18 millones de dólares, para la transferencia y el reciclamiento de basura. El complejo se construyó y su costo quedó 4 millones de dólares por debajo del presupuesto. El diseño de Singer-Glatt invita a la participación pública y a la comprensión de los problemas del reciclamiento y los residuos en un complejo de infraestructura que normalmente está cerrado al público. Los diseños tradicionales de los complejos para residuos sólidos buscan ocultar sus instalaciones mismas. En contraste, el diseño de Singer-Glatt revela el proceso de reciclamiento así como otros aspectos relacionados con la eliminación de la basura. Los conceptos de renovación y transformación son esenciales en todos los elementos: edificios, caminos, paisaje, agua y hábitat de flora y fauna. El proyecto ganó varios premios y se le reconoce por fomentar la excelencia en el diseño estético de infraestructura en Estados Unidos. En 1993, The New York Times eligió la propuesta de Singer del complejo masivo como uno de los ocho principales acontecimientos de diseño del año. En 2004, la oficina en la ciudad de Nueva York del Fondo de Defensa Ambiental pidió a Singer que explorara formas de convertir un complejo de transferencia de residuos sólidos que se encontraba a orillas del río de la ciudad en un servicio para las comunidades circundantes que no generara congestionamiento de tránsito ni contaminación del aire. El alcalde Michael Bloomberg propuso el establecimiento de una red de estaciones de transferencia marinas para los residuos sólidos. Singer diseñó una pieza conceptual que comprendía muchas estrategias para transformar un sitio urbano de transferencia de residuos industriales en un lugar integral para la comunidad circundante en términos de funcionamiento y forma. Del modo en que se diseñó, todos los aspectos de la Estación de Transferencia Marina (muros, techos y espacios interiores) sostienen su

funcionamiento. El agua reunida en la calle y las superficies del techo que se almacena en cavidades de pared sirve para limpiar los camiones de basura y las instalaciones. Plantaciones en los muros y en el techo tratan las aguas residuales, eliminan olores por medio de la filtración de aire por el suelo y ofrecen una parada de hábitat en la ruta de las aves migratorias. Paneles fotovoltaicos solares generan energía y reducen la carga de electricidad. Para abordar la principal preocupación de la comunidad (el flujo constante de pestilentes y ruidosos camiones por las calles de la localidad), la propuesta ofrecía un sistema de rampas automatizadas que acomodaría más de 60 camiones. Al ingresar al sitio se pediría a los conductores que apagaran los motores para reducir las emisiones nocivas. Además, el terreno adyacente a la estación de transferencia marina podría transformarse en un espacioso parque y jardines a orillas del río para el disfrute público. Con un espacio interior amplio para las operaciones de la estación de transferencia y reciclamiento, algunas áreas se utilizarían para la realización de actividades comunitarias, programas educativos e instalación de oficinas para las organizaciones locales. Aunque se creó como una pieza conceptual, un diseño visionario como éste desafía a las personas a pensar más allá del statu quo y ampliar el alcance de los costos y los beneficios considerados. Al diseñar la infraestructura, los ingenieros ambientales pueden pensar cómo integrar los complejos a sus entornos de una forma bella y que proteja la salud de la comunidad y del ambiente. Los mejores diseños (que califican como elegantes) son los que resuelven múltiples problemas o que ofrecen múltiples beneficios. Fuente: Clean and Green Infrastructure in New York City: Solid Waste Case Study, Ramón J. Cruz, 20 de junio de 2006, PRATT Center for Community Development, Environmental Defense; Infrastructure and Community: How Can We Live With What Sustains Us? Michael Singer, Ramón J. Cruz y Jason Bregman (2007). Environmental Defense Fund y Michael Singer Studio.

2.2

Decisiones basadas en el análisis de rentabilidad

35

baratos que exigen más viajes, ¿cómo sabe qué opción es menos costosa para la comunidad? De manera evidente, la opción del costo total más bajo (en razón de todos los datos sobre los costos) sería la decisión más razonable. Además de las dificultades para estimar todos los costos necesarios, el análisis de rentabilidad es complicado porque el dinero cambia de valor con el tiempo. Si un dólar hoy se invierte en una cuenta que genera 5% de intereses, este dólar se convertirá en $1.05 dentro de un año. Por tanto, un dólar dentro de un año no es el mismo que el que existe hoy, y no es posible sumar ambos directamente. Esto quiere decir que en lugar de $2.00, habría $2.05. De igual modo, no tiene sentido sumar los costos operativos anuales de un complejo o de una pieza de equipo durante la vida del equipo porque, una vez más, los dólares son diferentes, y sumarlos sería como sumar manzanas y naranjas, dado que el dinero cambia de valor con el tiempo. Por ejemplo, si una comunidad gastará 4,000 dólares en operar y mantener un camión de recolección de basura durante un año y 5,000 dólares al año siguiente, necesita invertir menos de 9,000 dólares para cubrir los gastos. (El mismo concepto se aplica al ahorro de cualquier gasto futuro, como la universidad o la jubilación.) Este tema puede representar un problema para las comunidades que tratan de entender lo que cuesta construir complejos u operar servicios públicos. La técnica que se utiliza para superar esta dificultad es comparar los costos de diferentes opciones sobre la base del costo anual o del valor presente del proyecto. En el cálculo del costo anual todos los costos representan el dinero que la comunidad necesita cada año para operar el complejo y liquidar la deuda. Los costos operativos se estiman de un año a otro y los costos de capital se calculan como los fondos anuales necesarios para liquidar la deuda al final de la vida esperada del proyecto. En el caso de los cálculos del valor presente, los costos del capital son los fondos necesarios para construir el complejo y los costos operativos se calculan como si se dispusiera hoy del dinero para pagar por ellos y se depositara en el banco a fin de utilizarlo para la operación, una vez más durante la vida esperada del complejo. Un proyecto con un costo de operación elevado exigiría una inversión inicial mayor a fin de contar con los fondos suficientes para pagar este costo.

ENFOQUE

El caso de Pittsburgh Durante mucho tiempo se pensó que las capacidades de dilución eran una respuesta a los problemas de la eliminación de aguas residuales. Antes la idea era “la solución a la contaminación es la dilución”. George Fuller, eminente ingeniero sanitario, observó durante la primera década del siglo xx que “la eliminación de las aguas negras por dilución es un método apropiado cuando al dispersarse en el agua las impurezas son consumidas por bacterias y formas más grandes de vida vegetal y animal; o cuando, en todo caso, son eliminadas de modo que no se genere ninguna molestia”. Pero utilizar las vías fluviales como sistemas de tratamiento era inaceptable para las comunidades río abajo y muchas de ellas entablaron deman-

das por las descargas que se producían río arriba con base en la ley de derechos sobre aguas ribereñas, que establece que la cantidad de agua que fluye por los terrenos propios no debe menguarse o que su calidad no debe ser afectada. El juicio molestó a las ciudades más grandes que eran la principal causa de la contaminación, y la revista City Hall expresó en un editorial: La ciudad o el individuo promedio consideran que una estación depuradora es una novedad o un gasto innecesario, y sólo se construye cuando surge una amenaza de juicio por daños y perjuicios y luego de apaciguar la cólera del demandante o, en el caso de algunos estados, para cumplir con los requisitos aparentemente inútiles del Consejo Es-

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Capítulo 2 Decisiones en ingeniería

Pero los departamentos de salud estatales pensaban de otro modo y presionaron para hacer que las ciudades construyeran plantas de tratamiento de aguas residuales efectivas. El conflicto entre las ciudades que contaminaban los ríos y las comunidades que los utilizaban como suministro de agua nunca se grabó en la memoria con mayor claridad que en el caso de Pittsburgh. En 1905, Pennsylvania aprobó una ley que prohibió la descarga de aguas residuales en los arroyos o los ríos. En 1910, Samuel G. Dixon, comisionado de salud de Pennsylvania, exigió a Pittsburgh que presentara un plan completo para reemplazar el sistema de alcantarillado combinado de la ciudad por un sistema separado y una planta de tratamiento (figura 2.1). En respuesta, la ciudad contrató a dos reconocidos ingenieros sanitarios, Allen Hazen y George Whipple, para que hicieran recomendaciones. Luego de un año de investigación, presentaron lo que la revista Engineering Record llamó “el informe más importante sobre aguas residuales y su eliminación realizado en Estados Unidos”. Hazen y Whipple estimaron que reemplazar las aguas residuales combinadas de Pittsburgh por un sistema separado y construir una planta de tratamiento costaría a los contribuyentes por lo menos 46 millones de dólares (en dólares de 1912), pero que las 26 poblaciones río abajo en el río Ohio podían ofrecer agua filtrada para sus residentes por mucho menos dinero. Para ellos era obvio que la opción más eficiente era hacer que las 26 poblaciones trataran el agua y dejar que el río Ohio fuera un conducto abierto para la eliminación de excrementos humanos. No existía ningún precedente, sostenían, “de una ciudad que hubiera reemplazado el sistema combinado por uno separado con la finalidad de proteger los suministros de otras ciudades”. Hazen y Whipple llegaron a la conclusión de que “no es necesario o deseable

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tatal de Salud. Después se hará cualquier tipo de plan o dispositivo preparado o propuesto por un ingeniero, siempre y cuando no sea muy costoso.

Figura 2.1 Pittsburgh, Pennsylvania.

por ahora que se realice ningún cambio radical en la metodología del sistema de alcantarillado o de eliminación de aguas negras como lo practica en la actualidad la ciudad de Pittsburgh”. El gremio de la ingeniería respaldó de manera abrumadora el informe de Hazen y Whipple y consideró la controversia como un asunto sobre “qué tanta libertad tienen los ingenieros para ejercer su propio juicio en cuanto a lo que es mejor para sus clientes y qué tanto deben ceder ante sus colegas médicos”. Inseguro de su capacidad para obligar a Pittsburgh a construir un sistema separado y tratar sus propias aguas residuales, Dixon se replegó y emitió un permiso de descarga temporal para la ciudad. El comisionado estatal de salud siguió emitiendo esos permisos para las ciudades hasta 1939. Fuente: Basado en Melrose, Martin (2000). The Sanitary City. Baltimore: Johns Hopkins Press; y Tarr, J. A. y F. C. McMichael (1977). Historic turning points in municipal water supply and wastewater disposal, 1850-1932, Civil Engineering, 47, núm. 10. Reproducido de Controlling Environmental Pollution, Vesilind, P. A. y DiStefano, T. D., 2006, Lancaster, PA: DEStech Publications, Inc. Reproducido con autorización de DEStech Publications, Inc.

El costo anual o el valor presente es, en la mayoría de los casos, el método de comparación aceptable entre cursos de acción alternos. La conversión del costo de capital a costo anual y el cálculo del valor presente del costo de operación se realiza en forma más sencilla por medio de tablas (o calculadoras manuales preprogramadas). La tabla 2.1 es un ejemplo del tipo de tablas de intereses que se utilizan en tales cálculos.

2.2

37

Decisiones basadas en el análisis de rentabilidad

Tabla 2.1 Factores de interés compuesto i = 6% de interés Número de años (n) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20

Factor de recuperación de capital (CR) 1.0600 0.54544 0.37411 0.28860 0.23740 0.20337 0.17914 0.16104 0.14702 0.13587 0.12679 0.11928 0.11296 0.10759 0.10296 0.09895 0.09545 0.09236 0.08962 0.08719

Factor de valor presente (CP) 0.9434 1.8333 2.6729 3.4650 4.2123 4.9172 5.5823 6.2097 6.8016 7.3600 7.8867 8.3837 8.8525 9.2948 9.711 10.105 10.477 10.827 11.158 11.469

i = 8% de interés Número de años (n) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20

Factor de recuperación de capital (CR) 1.0800 0.56077 0.38803 0.30192 0.25046 0.21632 0.19207 0.17402 0.16008 0.14903 0.14008 0.13270 0.12642 0.12130 0.11683 0.11298 0.10963 0.10670 0.10413 0.10185

Factor de valor presente (CP) 0.9259 1.7832 2.5770 3.3121 3.9926 4.6228 5.2063 5.7466 6.2468 6.7100 7.1389 7.5360 7.9037 8.2442 8.5594 8.8513 9.1216 9.3718 9.6035 9.8181 (Continúa)

38

Capítulo 2 Decisiones en ingeniería Tabla 2.1 (Continuación.) i = 10% de interés Número de años (n) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20

Factor de recuperación de capital (CR)

Factor de valor presente (CP)

1.1000 0.57619 0.40212 0.31547 0.26380 0.22961 0.20541 0.18745 0.17364 0.16275 0.15396 0.14676 0.14078 0.13575 0.13147 0.12782 0.12466 0.12193 0.11955 0.11746

0.9094 1.7355 2.4868 3.1698 3.7907 4.3552 4.8683 5.3349 5.7589 6.1445 6.4950 6.8136 7.1033 7.3666 7.6060 7.8236 8.0215 8.2013 8.3649 8.5135

Los costos anuales se convierten en valor presente calculando cuánto valdría el dinero gastado cada año en el momento actual. A una tasa de interés de 10%, sólo se necesitaría invertir hoy $0.9094 a fin de tener $1.00 para gastar en un año (como se aprecia en la columna de “Factor de valor presente” en la tabla 2.1). Si se necesita otro dólar al principio del segundo año, la inversión total hoy sería de $1.7355, en lugar de $2.00. En términos generales, si se necesita una cantidad constante A durante n periodos a una tasa de interés compuesto i, el valor presente de este dinero, o el monto que se necesita invertir, es CP × A, donde CP = factor de valor presente. Los costos de capital se convierten en costos anuales al reconocer que el desembolso total de capital habría obtenido intereses a una tasa determinada si el dinero se hubiera invertido a la tasa de interés prevaleciente. Una inversión de $1.00 ahora a una tasa de interés de 10% habría obtenido $0.10 de intereses en un año y valdría $1.10. Si un costo de capital de $1.00 tiene que pagarse durante dos años, el pago anual, como se aprecia en la columna de “Factor de recuperación de capital” en la tabla 2.1, es de $0.57619. El monto de dinero necesario cada año para pagar el préstamo de C dólares durante n periodos a una tasa de interés compuesto de i es CR × C, donde CR = factor de recuperación de capital. Estos dos tipos de conversión se ilustran en el ejemplo 2.2. EJEMPLO 2.2

Problema Un municipio trata de decidir sobre la compra de un vehículo de recolección de basura. Se han considerado dos tipos, A y B, y los costos de capital y operativos se muestran a continuación. Se espera que cada camión tenga una vida útil de 10 años.

2.2

Decisiones basadas en el análisis de rentabilidad Camión A

Camión B

$80,000 6,000 8,000

$120,000 2,000 4,000

Costo inicial (de capital) Costo de mantenimiento anual Costo de combustible y aceite anual

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¿Qué camión debería comprar el municipio sólo con base en estos costos? Calcule los costos tanto a valor anual como a valor presente, suponiendo una tasa de interés de 8 por ciento. Solución Cálculo del costo anual del camión A: A partir de la tabla de interés de 8% (tabla 2.1), el CR durante n = 10 años es de 0.14903. Por tanto, el costo anual del capital es de $80,000 × 0.14903 = $11,922. El costo anual total del camión A es entonces: Recuperación de capital Mantenimiento Combustible

$11,922 6,000 8,000

Total

$25,922

Cálculo del costo anual del camión B: El CR es el mismo porque i y n son los mismos. El costo anual del capital es entonces de $120,000 × 0.14903 = $17,884, y el costo anual total del camión B es: Recuperación de capital Mantenimiento Combustible

$17,884 2,000 4,000

Total

$23,884

Con base en el costo anual, el camión B, que tiene un costo de capital más elevado, es la opción razonable pues su costo anual total para la comunidad es menor que el costo anual total del camión A. Cálculo del valor presente del camión A: CP durante n = 10

y

i = 8% es 6.7100 (tabla 2.1)

El valor presente de los costos anuales de mantenimiento y combustible es entonces ($6,000 + $8,000) × 6.7100 = $93,940, y el valor presente total es Costo de capital Valor presente de mantenimiento y combustible Total

$80,000 93,940 $173,940

Cálculo de valor presente del camión B: Una vez más, el CP es el mismo (6.7100) porque i y n son los mismos. El valor presente de los costos anuales es ($2,000 + $4,000) × 6.7100 = $40,260 y el valor presente total es: Costo de capital Valor presente de mantenimiento y combustible

$120,000 40,260

Total

$160,260

40

Capítulo 2 Decisiones en ingeniería Sobre la base del valor presente, el camión B sigue siendo la opción razonable porque, si la comunidad pidiera prestado el dinero para operarlo durante 10 años, tendría que obtener menos dinero que si quisiera comprar el camión A.

Pero, ¿y si suponemos que varios cursos de acción alternos también tienen diferentes beneficios para el cliente o el empleador? Imagine, en el ejemplo 2.2, que una opción abierta para la comunidad fuera pasar de dos recolecciones de basura semanales a sólo una. Ahora, el nivel de servicio también es variable y el análisis ya no se aplica. Es necesario incorporar beneficios en el análisis de rentabilidad para asegurarse de que se hace el uso más eficaz de los escasos recursos.

2.3

DECISIONES BASADAS EN EL ANÁLISIS DE COSTO/BENEFICIO En la década de 1940, la Oficina de Recuperación de Tierras y el Cuerpo de Ingenieros del Ejército de Estados Unidos se debatían por los dólares públicos en su campaña por contener con diques todos los ríos de libre flujo del país. Para convencer al Congreso de la necesidad de grandes proyectos de almacenamiento de agua, se creó una técnica denominada análisis de costo/beneficio. A valor nominal, esto es a un tiempo útil y complicado. Al considerar un proyecto, se compara una estimación de los beneficios derivados en forma de razón con el costo en que se incurre. Si esta razón es de más de 1.0, el proyecto claramente vale la pena y los proyectos que tienen razones de costo/beneficio mayores deben construirse primero porque esto proporcionará los mayores rendimientos sobre la inversión. Al presentar sus propuestas para un análisis de este tipo, la Oficina de Recuperación de Tierras y el Cuerpo de Ingenieros podían abogar por un mayor gasto de fondos públicos y clasificar las propuestas en orden de prioridad. Como sucede en el caso de los análisis de rentabilidad, los cálculos en los análisis de costo/beneficio se realizan en dólares, y cada beneficio y cada costo se expresan en términos monetarios. Por ejemplo, los beneficios de un canal podrían calcularse como ahorros monetarios en los costos de transporte. Pero algunos beneficios y costos (como aire limpio, flores, recorridos en balsa por aguas rápidas, hedores, agua subterránea contaminada y basura tirada en las calles) no pueden expresarse con facilidad en términos monetarios. Sin embargo, estos costos y beneficios son reales y de algún modo deben incluirse en los análisis de costo/beneficio. Una solución es sencillamente forzar los valores monetarios sobre estos beneficios. Al estimar los beneficios de los lagos artificiales, por ejemplo, los beneficios recreativos se calculan pronosticando lo que la gente estaría dispuesta a pagar por utilizar un complejo de esta índole. Hay, por supuesto, muchas dificultades con esta técnica. El valor de un dólar varía de manera sustancial de una persona a otra; algunos individuos se benefician mucho más de un proyecto público que otros y, sin embargo, todos comparten el costo. Debido a los problemas asociados con la estimación de los beneficios, éstos pueden inflarse para aumentar la razón de costo/beneficio. En consecuencia, es posible justificar casi cualquier proyecto porque los beneficios pueden ajustarse en función de lo que sea necesario. En el ejemplo 2.3 se atribuyen valores monetarios a los beneficios y costos subjetivos para ilustrar cómo se realiza un análisis de este tipo. El lector debe reconocer que el análisis de costo/beneficio es una operación aritmética sencilla y que, aunque el valor final puede calcularse a muchos lugares decimales, es tan valioso como la estimación más débil que se utiliza en el cálculo.

2.3 EJEMPLO 2.3

Decisiones basadas en el análisis de costo/beneficio

41

Problema Una comunidad pequeña fue dueña de un servicio de recolección de basura y lo mantuvo en operación durante muchos años; consistía en un camión que recogía los desperdicios una vez a la semana, pero se ha desgastado y debe reemplazarse. También parece que uno solo ya no es suficiente y tal vez convenga comprar un segundo camión. Si el segundo no se compra, se pedirá a los ciudadanos que quemen la basura de papel en sus patios o jardines traseros para reducir la cantidad de residuos. Hay dos opciones: 1. Vender el camión antiguo y comprar dos modelos nuevos. Esto permitirá la recolección dos veces por semana en lugar de sólo una vez. 2. Vender el camión antiguo y sólo comprar uno nuevo, pero se exhortará a los ciudadanos de la comunidad a quemar la fracción combustible de los residuos en sus patios o jardines traseros, con lo que se reducirá la cantidad de basura. Decida la opción que es preciso elegir con ayuda del análisis de costo/beneficio. Solución A continuación se presenta una lista de los costos y beneficios de ambas opciones, en los que se utilizaron las cifras de costos anuales del ejemplo 2.2. En el caso de los costos que no pueden expresarse con facilidad en términos monetarios, se proponen estimaciones razonables. Luego se suman los dólares. Opción 1: Beneficios Recolección de todos los desechos*

$250,000

Beneficios totales

$250,000

Costos Dos vehículos nuevos (incluidos los costos de operación) Aumento de ruido y basura Costo de mano de obra Costos anuales totales

$47,768 10,000 200,000 $257,768

Costo/beneficio = Opción 2: Beneficios Recolección de 60% de los desechos

$150,000

Beneficios totales

$150,000

Costos Vehículo nuevo (incluidos los costos de operación) Aire más sucio Costos de mano de obra Costos anuales totales

$250, 000 = 0.97 $257, 768

$23,884 0 120,000 $143,884

Costo/beneficio =

$150, 000 = 1.05 $143, 884

* El dinero ahorrado por cada hogar al no tener que hacer el recorrido semanal al vertedero, multiplicado por la cantidad total de recorridos, podría considerarse un beneficio.

42

Capítulo 2 Decisiones en ingeniería El costo/beneficio de la primera opción es de 0.97, en tanto que la razón de costo/beneficio de la segunda es de 1.05. Por tanto, al parecer debe elegirse la segunda opción.

Observe que en el ejemplo 2.3 sólo podrían cuantificarse algunos aspectos, como los costos de los vehículos. La mayoría de los demás aspectos son estimaciones muy subjetivas. También note que no hay un costo ligado a un aire más sucio; si se hubiese incluido ese costo, el cálculo habría generado una conclusión distinta. Sin embargo, en este tipo de cálculos no es extraño incluir los beneficios pero no los costos compartidos de aspectos como el aire limpio. El ejemplo de cómo se utilizaban las tierras comunales en las aldeas medievales tal vez ilustra mejor el concepto de participación desigual de los costos y beneficios.2 Las casas de la aldea rodeaban a las tierras comunales y todos llevaban sus vacas a pastar en estas últimas. El área de las tierras comunales era un terreno compartido, pero las vacas pertenecían a los ciudadanos de manera individual. No pasaría demasiado tiempo para que uno de los aldeanos determinara que los beneficios de tener una vaca eran personales, pero los costos de mantenerla en las tierras comunales eran compartidos por todos. Desde un punto de vista en verdad egoísta, tiene sentido para el granjero llevar varias vacas a pastar y así aumentar su riqueza. Pero esta acción habría desencadenado una respuesta similar por parte de sus vecinos. ¿Por qué debían ellos conservar una sola vaca cuando veían que su amigo se enriquecía con varias? Así que comprarían más vacas y todas pastarían en los terrenos comunales. Con el tiempo, sin embargo, la cantidad de vacas rebasaría la capacidad de las tierras comunales y habría que sacrificarlas a todas. La participación del costo del aire sucio es similar a la tragedia de las tierras comunales. Cada uno de nosotros, al utilizar aire limpio, lo usa para beneficio personal, pero el costo de contaminarlo lo compartimos todos. ¿Es posible que los seres humanos reconsideremos la forma en que vivimos y que accedamos voluntariamente a limitar nuestras actividades contaminantes? Esto es poco probable y, como resultado, el gobierno tiene que tomar cartas en el asunto y limitar a cada uno de nosotros, como en el caso de las tierras comunales, a una sola vaca. Otro problema significativo con los análisis de costo/beneficio es que con frecuencia una técnica conocida como “costo de amortización” los trastoca. Suponga que un organismo gubernamental decide construir un complejo público y estima que los costos de construcción serán de 100 millones de dólares. El organismo sostiene que, dado que los beneficios (de cualquier modo que se calculen) son de 120 millones de dólares, vale la pena realizar el proyecto debido a que la razón de costo/beneficio es mayor que 1.0 ($120/$100). Luego recibe partidas del Congreso para terminarlo. En algún momento, a la mitad del proyecto, una vez que se han gastado los 100 millones de dólares originales, el organismo descubre que subestimó el costo de construcción. Resulta que en realidad costará 180 millones de dólares. Ahora, por supuesto, la razón de costo/beneficio es de 0.67 ($120/$180), que es menor que 1.0, de modo que el proyecto no es justificable desde el punto de vista económico. Pero el organismo ya gastó 100 millones de dólares en la construcción. Éste se considera un costo de amortización, o dinero que se perderá para siempre si el proyecto no se completa. Por tanto, el organismo arguye que el verdadero costo del proyecto es el incremento entre lo que es el costo estimado y lo que ya se gastó, es decir, 80 millones de dólares ($180 − $100). La razón de costo/beneficio se calcula entonces como $120/$80 = 1.5, lo que es sustancialmente mayor que 1.0 e indica que el proyecto debería terminarse. Es sorprendente cómo funciona este truco muchas veces, y al parecer nadie pregunta a los organismos por qué sus siguientes estimaciones deben creerse si todas las anteriores se subestimaron tanto.

2.4

Decisiones basadas en el análisis de riesgo

43

2.4 DECISIONES BASADAS EN EL ANÁLISIS DE RIESGO Con frecuencia los beneficios de un proyecto no son elementos sencillos, como los valores recreativos, sino una preocupación más seria por la salud humana. Cuando la vida y la salud entran en los cálculos de costo/beneficio, los análisis en general se conocen como análisis de riesgo/costo/beneficio para indicar que las personas se hallan en peligro. Sin embargo, se les conoce en forma más generalizada como análisis de riesgo. El análisis de riesgo se divide a su vez en la evaluación y la gestión del mismo. La primera supone un estudio y un análisis del posible efecto que tienen ciertos peligros en la salud humana. Con ayuda de información estadística, la evaluación del riesgo pretende ser un instrumento para tomar decisiones informadas. La gestión del riesgo, por otra parte, es el proceso que consiste en reducir los que se consideran inaceptables. En nuestra vida privada realizamos de manera continua ambos procesos. Fumar cigarrillos es un riesgo para nuestra salud y es posible calcular el efecto potencial del tabaquismo. Dejar de fumar es un método de gestión del riesgo porque se reducen las posibilidades de morir de ciertas enfermedades. En efecto, el riesgo de morir de algo es de 100%. La profesión médica aún tiene que salvar de la muerte a cualquier persona. Las preguntas, entonces, son cuándo ocurrirá la muerte y cuál será su causa. Hay tres formas de calcular el riesgo de la muerte debido a alguna causa. En primer lugar, el riesgo puede definirse como la razón de la cantidad de muertes en una población determinada expuesta a un contaminante, dividida entre la cantidad de muertes en una población no expuesta al contaminante. Es decir, Riesgo =

donde

EJEMPLO 2.4

M1 M0

M1 = cantidad de muertes en una determinada población expuesta a un contaminante específico, por unidad de tiempo M0 = cantidad de muertes en una población de tamaño similar no expuesta al contaminante, por unidad de tiempo

Problema Kentville, una comunidad de 10,000 habitantes, se encuentra junto a una mina de criptón y existe la inquietud de que las emisiones de la fundición hayan generado efectos adversos. En concreto, parece que 10 de sus habitantes murieron el año pasado de criptonosis. Una comunidad cercana, Lanesburg, cuenta con 20,000 habitantes y está suficientemente alejada de la fundición para no verse afectada por las emisiones; allí sólo murieron dos personas de criptonosis el año pasado. ¿Cuál es el riesgo de morir de criptonosis en Kentville? Solución Si el riesgo se define así, entonces 10 10, 000 Riesgo de morir de criptonosis = = 10 2 20, 000 Es decir, una persona tiene 10 veces más probabilidades de morir de criptonosis en Kentville que en una localidad no contaminada.

44

Capítulo 2 Decisiones en ingeniería Advierta, sin embargo, que aunque desde el punto de vista estadístico hay una probabilidad mayor de morir de criptonosis en Kentville que en Lanesburg, y aun cuando resulta que la primera tiene una fundición de criptón, no hemos demostrado que la fundición sea la responsable. Todo lo que tenemos es evidencia estadística de que hay una relación. Un segundo método para calcular el riesgo consiste en determinar la cantidad de muertes debido a varias causas por población y comparar estas razones. Es decir, Riesgo relativo de morir de la causa A = donde

EJEMPLO 2.5

MA P

MA = cantidad de muertes debido a la causa A en una unidad de tiempo P = población

Problema La cantidad de muertes en Kentville y sus causas durante el año pasado fueron: Infarto Accidentes Criptonosis Otras

5 4 10 6

¿Cuál es el riesgo de morir de criptonosis en relación con otras causas? Solución El riesgo de morir de un infarto en Kentville es de 5/10,000, en tanto que el de fallecer de criptonosis es de 10/10,000. Esto es, el correspondiente a la criptonosis es el doble de la probabilidad de morir de un infarto, 2.5 veces mayor que de morir de un accidente y 1.7 veces mayor que morir de otras causas. Los riesgos pueden ser diferentes en Lanesburg, por supuesto, y es posible compararlos.

Al final, el riesgo puede calcularse como la cantidad de muertes debido a cierta causa dividida entre la cantidad total de muertes, o Riesgo de morir de la causa A = donde

EJEMPLO 2.6

MA M total

Mtotal = cantidad total de muertes en la población en una unidad de tiempo.

Problema ¿Cuál es el riesgo de morir de criptonosis en Kentville en relación con las muertes debido a otras causas utilizando los datos del ejemplo 2.5? Solución La cantidad total de muertes del ejemplo 2.5 es 25. De ahí que Riesgo de morir de criptonosis =

10 = 0.4 25

Es decir, de todas las formas de fallecer, los habitantes de Kentville tienen 40% de probabilidades de morir de criptonosis.

2.4

Decisiones basadas en el análisis de riesgo

45

Hay algunos riesgos que elegimos aceptar, mientras que otros se nos imponen desde el exterior. Por ejemplo, optamos por beber alcohol, conducir automóviles o viajar en aviones. Cada una de estas actividades tiene un riesgo calculado porque la gente muere cada año como resultado del alcoholismo y los accidentes de tránsito y aéreos. La mayoría de nosotros pondera estos riesgos en forma inconsciente y decide asumirlos. Por lo común, las personas son capaces de aceptar tales riesgos si las probabilidades de morir son del orden de 0.01, o 1% de las muertes se atribuye a estas causas. Sin embargo, algunos riesgos son impuestos desde el exterior y poco podemos hacer respecto a ellos. Por ejemplo, se ha demostrado que la expectativa de vida de las personas que viven en una atmósfera urbana sucia es considerablemente más breve que la de aquellas que llevan una vida idéntica, pero que respiran aire limpio. Poco podemos hacer respecto a este riesgo (excepto mudarnos) y es el que más resienten las personas. De hecho, hay estudios que han demostrado que la aceptabilidad de un riesgo involuntario es de un orden 1,000 veces menor que nuestra aceptabilidad de un riesgo voluntario. Este comportamiento humano explica por qué la gente que fuma cigarrillos sigue molesta por la calidad del aire y por qué la gente que conduce en estado de intoxicación se manifiesta de manera pública para protestar por la ubicación de un aeropuerto ya que teme que un avión se estrelle. Algunos organismos federales y estatales se valen de un análisis de riesgo modificado, donde el beneficio es salvar una vida. Por ejemplo, si se instalara un tipo determinado de barrera de seguridad en una carretera, sería posible que su uso redujera en cierta cantidad los decesos esperados en ese lugar. Si se asigna un valor a cada vida, el beneficio total se calcula como la cantidad de vidas que se salvan multiplicada por el valor de una vida. Establecer esa cifra es una decisión tanto de ingeniería como de política pública para responder de manera ideal ante la opinión pública.

EJEMPLO 2.7

Problema La reducción de 95% de las emisiones de criptón de una fundición costará 10 millones de dólares. Los toxicólogos estiman que un esquema de control de la contaminación de este tipo reducirá las muertes debido al envenenamiento por criptón, de 10 a 4 por año. ¿Debería gastarse dinero en esto? Solución Suponga que cada vida tiene un valor de 1.2 millones de dólares calculado sobre la base de los ingresos que se obtienen durante toda una vida. Seis vidas salvadas valdrían 7.2 millones de dólares. Este beneficio es menor que el costo del control. Por tanto, con base en el análisis de riesgo, no es rentable instalar el equipo para reducir la contaminación.

Pero, ¿qué pasa con la premisa de que una vida humana vale 1.2 millones de dólares? ¿Es verdad? Si, en el ejemplo 2.7, se diera por hecho que una vida humana vale 5 millones de dólares, el control de la contaminación estaría garantizado. Esto significa entonces que los 10 millones de dólares que se gastan en el control de la contaminación no podrían gastarse en ampliar la planta o, en todo caso, en generar empleos que aumentaran la base de impuestos que proporcionaría dinero para otros proyectos valiosos, como mejorar la educación, la salud o el transporte. Veremos más sobre esto posteriormente. Los cálculos de riesgo están repletos de este tipo de grandes incertidumbres. Por ejemplo, en el informe de la Academia Nacional de Ciencias de Estados Unidos se llegó a la conclusión de que dentro de unos 70 años la cantidad esperada de casos de cáncer de vejiga en las personas de ese país, derivados de la exposición cotidiana a 120 mg de sacarina, oscilaría entre

46

Capítulo 2 Decisiones en ingeniería 0.22 y 1.144 millones. Se trata de un rango impresionante, incluso para los toxicólogos. El problema, por supuesto, es que debemos extrapolar los datos sobre muchos órdenes de magnitud, y a menudo los datos no se relacionan con los seres humanos sino con otras especies, lo que exige, por ende, una conversión de especies. Sin embargo, los organismos gubernamentales se colocan cada vez más en la posición de tomar decisiones sobre la base de datos así de falaces.

2.4.1 Procedimiento de análisis de riesgo ambiental El análisis de riesgo ambiental ocurre en etapas diferenciadas. I. Definir la fuente y el tipo de contaminante de interés. ¿De dónde proviene y qué es? II. Identificar las rutas y tasas de exposición. ¿Cómo llega a los seres humanos para ocasionarles problemas de salud? III. Identificar los receptores de interés. ¿Quiénes son las personas que están en riesgo? IV. Determinar el posible impacto del contaminante para la salud del receptor. Es decir, definir la relación entre dosis y respuesta, o los efectos adversos observados de las dosis especificadas. V. Decidir qué impacto es aceptable. ¿Qué efecto se considera tan bajo que resulte aceptable para el público? VI. Con base en el efecto permisible, calcular el nivel aceptable en el receptor, y luego la emisión permisible máxima. VII. Si la emisión o descarga es en la actualidad (o se planea que sea) superior al máximo permisible, determinar qué tecnología es necesaria para alcanzar la emisión o descarga máxima permisible. I. Definir la fuente y el tipo de contaminante es más difícil de lo que parecería. Suponga que se construirá una planta de tratamiento de residuos peligrosos cerca de un área poblada. ¿Qué tipos de contaminantes deberían considerarse? Si el complejo está destinado a la mezcla y fundición de varios residuos peligrosos como parte del proceso para reducir su toxicidad, ¿qué productos de ese proceso deberían evaluarse? En otros casos, la identificación tanto del contaminante de interés como de la fuente es un asunto sencillo, como sería la producción de cloroformo durante la incorporación de cloro al agua potable, o la gasolina que se escapa por goteo de un tanque de almacenamiento subterráneo. II. Identificar la ruta puede ser bastante fácil, como en el caso de la cloración del agua. En otras situaciones, como el efecto del plomo atmosférico, el contaminante puede entrar en el cuerpo de varias formas, incluso por el alimento, la piel y el agua. III. Identificar al receptor puede generar dificultades porque no todos los seres humanos son de tamaño y salud estándar. La USEPA ha tratado de simplificar esos análisis al señalar que todos los seres humanos adultos pesan 70 kg, viven 70 años, beben 2 L de agua al día y respiran 20 m3 de aire a diario. Estos valores se utilizan para comparar riesgos. IV. Definir el efecto es una de las etapas más difíciles en el análisis de riesgo porque supone cierta respuesta de un cuerpo humano a varios contaminantes. Es una trivialidad considerar dos tipos de efectos: los cancerígenos y los no cancerígenos. Se supone que la curva de respuesta a la dosis en el caso de las sustancias tóxicas cancerígenas es lineal y tiene un umbral determinado. Como se aprecia en la curva A de la figura 2.2, una dosis baja de un tóxico no ocasionaría un daño mensurable, pero cualquier incremento mayor que el umbral tendría un efecto perjudicial. Se considera aceptable, por ejemplo, ingerir cierta cantidad de mercurio porque es imposible demostrar que esto tiene algún efecto perjudicial en la salud humana. Sin embargo, se ha documentado que las dosis elevadas tienen impactos negativos.

2.4

Decisiones basadas en el análisis de riesgo

47

Algunas toxinas, como el zinc, son en realidad nutrientes necesarios para nuestro sistema metabólico y para gozar de buena salud. La ausencia de tales sustancias químicas en nuestra alimentación es perjudicial, pero en dosis elevadas resultan tóxicas. Esta curva se muestra como B en la figura 2.2.

0 B C

A

A 0

Figura 2.2 Tres curvas de respuesta a la dosis.

Algunas autoridades señalan que la curva de respuesta a la dosis en el caso de los carcinógenos es lineal, comenzando con un efecto de cero a una concentración de cero, y el efecto perjudicial aumenta linealmente, como lo demuestra la curva C en la figura 2.2. Cada dosis finita de un carcinógeno puede causar luego un incremento finito en la incidencia del cáncer. De acuerdo con un punto de vista alterno, el cuerpo es resistente a pequeñas dosis de carcinógenos y hay un umbral por debajo del cual no hay un efecto adverso (en forma similar a la curva A). La USEPA optó por la ruta más conservadora y elaboró lo que denomina un factor de potencia de los carcinógenos. El factor de potencia se define como el riesgo de sufrir cáncer (no necesariamente morir por su causa) producido por una dosis diaria promedio durante la vida de 1 mg del contaminante/kg de peso corporal/día. La relación entre dosis y respuesta es, por tanto, Riesgo durante la vida = dosis diaria promedio × factor de potencia Las unidades de dosis diaria promedio son de 1 mg de contaminante/kg de peso corporal/día. Las del factor de potencia son por tanto (mg de contaminante/kg de peso corporal/día)−1. El riesgo durante la vida carece de unidad. Se supone que la dosis es crónica después de un ciclo de vida de 70 años. La EPA calculó los factores de potencia de muchas sustancias químicas comunes y los publicó en la base de datos del Sistema de Información de Riesgo Integral (IRIS; Integrated Risk Information System) (www.epa.gov/iris). En la lista de esta base de datos aparecen los factores de potencia tanto de la ingestión como de la inhalación. V. Decidir cuál es un riesgo aceptable quizá sea el parámetro más polémico en estos cálculos. ¿Es aceptable un riesgo de uno en un millón? ¿Quién decide si este nivel lo es? Sin duda, si preguntáramos a una persona que resultaría perjudicada si el riesgo fuera aceptable, ella definitivamente diría que no. Todo el concepto de riesgo aceptable presupone un sistema de valores que los ingenieros ambientales y los científicos utilizan en su labor profesional. Por desgracia, este sistema de valores no corresponde al que posee el público en su conjunto. Los ingenieros basan sus decisiones en todas las acciones para alcanzar el mayor bien total. Por ejemplo, es aceptable asignar un valor a una vida humana en forma aleatoria para lograr algún bien neto, y esto permite que la USEPA calcule el riesgo asociado con los contaminantes y asigne uno aceptable en

48

Capítulo 2 Decisiones en ingeniería una probabilidad de uno en un millón. El costo es muy pequeño en comparación con el bien alcanzado y, por tanto (sigue el argumento), se acepta la decisión en interés del público. Pero es posible presentar sólidos argumentos en el sentido de que la mayoría de los individuos no percibe su propio bienestar y el de los demás bajo la misma luz. El mayor interés de casi toda la gente es su propia persona, pero reconoce que comportarse moralmente hacia los demás también influye en su propio beneficio. Muchos individuos consideran injusto cualquier análisis en el que los costos se asignen en forma desigual (como en el caso de la persona en un millón que sufre algún daño). Muchas personas también consideran que es poco ético asignar un valor a la vida humana y se niegan siquiera a analizar la proporción de una muerte en un millón en el caso de un contaminante ambiental determinado. Por lo general, rehúsan aprovecharse de un individuo en beneficio de muchos. En una audiencia pública, un ingeniero tal vez anuncie que el efecto perjudicial neto de las emisiones de un incinerador de sedimentos propuesto consiste en que las muertes por cáncer sólo aumentarán una en un millón y que este riesgo es bastante aceptable en razón del beneficio que se consigue con los fondos públicos ahorrados. Pero las personas, que no aprecian este razonamiento, verán esta muerte como algo que se aleja de la ética de manera burda. Los ingenieros a menudo han atribuido este desacuerdo a la ignorancia técnica de quienes no están de acuerdo con ellos. Pero tal razonamiento al parecer es erróneo. No es la ignorancia técnica sino un punto de vista ético diferente, o un sistema de valores distinto, lo que está en cuestión. No queda del todo claro de qué modo el público en general tomaría decisiones de orden social, como instalar vertederos, definir con claridad los bosques, utilizar materiales peligrosos en productos de consumo o elegir prácticas de eliminación de sedimentos si tuviera que hacerlo. Si se le presiona, probablemente recurriría en realidad a una forma similar de análisis, pero sólo después de agotar las demás opciones. El caso es que no se encuentra en posición de tomar tales decisiones y, por tanto, está en libertad de criticar al ingeniero, quien a menudo no entiende el punto de vista del público y quizá se sorprenda por lo que puede parecer un comportamiento irracional. VI. Calcular los niveles aceptables de contaminación es la siguiente etapa en el proceso de análisis de riesgo. Es un cálculo aritmético sencillo porque las decisiones de valor ya se han tomado. VII. Finalmente, es necesario diseñar estrategias de tratamiento para cumplir con este nivel de contaminación aceptable. El ejemplo 2.8 ilustra el funcionamiento de este proceso.

EJEMPLO 2.8

Problema La USEPA lista el cromo VI como un carcinógeno con un factor de potencia por vía de inhalación de 41 (mg/kg-día)−1. Se espera que un incinerador de sedimentos sin equipo para el control de la contaminación del aire emita cromo VI a una tasa tal que la concentración transportada por el aire en dirección del viento en el límite de la planta del incinerador sea de 0.001 μg/m3. ¿Será necesario tratar las emisiones para reducir el cromo VI con la finalidad de permanecer dentro del nivel de riesgo de un caso de cáncer adicional por 106 personas? Solución Se define la fuente, y la ruta es la inhalación de cromo VI. El receptor es la “persona estándar”, de acuerdo con la USEPA, que pesa 70 kg, respira 20 m3 de aire al día y vive 70 años inmediatamente en la dirección del viento proveniente del incinerador, sin que le toque un respiro de aire fresco. (Al margen de esto, considere la irracionalidad de esta premisa, pero, ¿de qué otra forma podría plantearse?) Se supone que la relación entre dosis y respuesta es lineal y la ingestión crónica diaria (ICD) permisible se calcula relacionando el riesgo con el factor de potencia.

2.4

Decisiones basadas en el análisis de riesgo

49

Riesgo = ingestión crónica diaria × factor de potencia 1 × 10−6 = ICD × 41(mg/kg-día)−1 ICD = 0.024 × 10−6 mg/kg-día Luego se calcula la concentración de emisiones permisible. ICD = volumen de aire inhalado por día × concentración de cromo VI/kg de peso corporal 0.024 × 10 −6 mg/kg-día =

(20 m 3 /día)(C μg/m 3 )(10 −3 mg/ μg) 70 kg

C = 0.085 × 10−6 mg/m3 o 0.085 × 10−3 μg/m3 El sistema emitirá 0.001 μg/m3, que es más de 0.000085 μg/m3; por tanto, el sistema no cumple con los requisitos, de modo que se necesitan los controles de emisiones.

2.4.2

Gestión del riesgo ambiental

Si la responsabilidad del gobierno es proteger la vida de sus ciudadanos en contra de una invasión extranjera o de la delincuencia, entonces también lo es preservar la salud y la vida de sus ciudadanos ante otros posibles peligros, como la caída de puentes y los contaminantes tóxicos en el aire. Sin embargo, el gobierno tiene un presupuesto limitado y cabe esperar que sus recursos se distribuyan de tal modo que se logren los mayores beneficios para la salud y la seguridad. Si dos sustancias químicas ponen en riesgo a las personas, entonces se justifica que se dediquen fondos y esfuerzos a eliminar la que represente el mayor riesgo. Pero, ¿es esto lo que en realidad queremos? Suponga, por ejemplo, que es más rentable gastar dinero y recursos para hacer que las minas de carbón sean mucho más seguras de lo que es la realización de misiones heroicas de rescate cuando ocurren accidentes. En términos de riesgo, sería más eficaz invertir el dinero que tenemos en seguridad, en eliminar todas las brigadas de rescate y sencillamente aceptar los pocos accidentes que ocurrirán en forma inevitable. Pero como ya no habrá equipos de rescate, se abandonará a su suerte a los mineros atrapados. Sin embargo, el efecto neto general sería que se perderían menos vidas en las minas de carbón. Aunque esta conclusión sería eficaz en términos de riesgo, resultaría inaceptable. La vida humana se considera sagrada. Este valor no significa que deban destinarse recursos infinitos a salvar vidas, sino que uno de los rituales sagrados de nuestra sociedad es tratar de salvar a las personas que se encuentran en circunstancias apremiantes o cruciales, como las víctimas de accidentes, los trabajadores atrapados en las minas de carbón y cosas por el estilo. Por tanto, los cálculos puramente racionales, como el ejemplo anterior de los mineros, quizá no nos conduzcan a conclusiones que nos resulten aceptables.3 En todos estos análisis de riesgo los beneficios son sólo para los seres humanos y se consideran beneficios a corto plazo. De igual modo, los costos que se determinan en el análisis de rentabilidad son costos presupuestarios reales, dinero que proviene directamente de las arcas del organismo gubernamental. Por la dificultad que hay para cuantificarlos, en estos cálculos no se incluyen los costos relacionados con la degradación ambiental y los costos a largo plazo. El hecho de que no sea posible considerar con facilidad los costos a largo plazo y ambientales en estos análisis, junto con el abuso patente del análisis de costo/beneficio por parte de los organismos gubernamentales, hace que sea necesario aplicar otras herramientas para la toma de decisiones: la evaluación de opciones y el análisis de impacto ambiental.

50

2.5

Capítulo 2 Decisiones en ingeniería

DECISIONES BASADAS EN LA EVALUACIÓN DE OPCIONES Ya desde la publicación en 1983 del llamado Libro Rojo del Consejo de Investigación Nacional, conocido también como Evaluación de riesgo en el gobierno federal: comprensión del proceso (Risk Assessment in the Federal Government: Understanding the Process), la evaluación del riesgo químico se ha institucionalizado en la aplicación regulatoria de un conjunto de normas como un proceso en gran parte impulsado por la ciencia que evalúa en forma cuantitativa la probabilidad de riesgo.4 Pero, con los años, la gente ha cuestionado la eficacia de la evaluación del riesgo para lograr lo que se pretende: proteger la salud y la seguridad de las personas y el entorno. Cada vez resulta más claro que la evaluación del riesgo tiene limitaciones cuando se utiliza para apoyar la sostenibilidad. Una máxima común en el campo de la toxicología, que se atribuye a Paracelso en el siglo xvi, es que “la dosis hace el veneno”. En realidad, lo que se supone que dijo fue: “Todo es veneno y no hay nada que no sea veneno; sólo la dosis permite que algo no sea venenoso.” En otras palabras, todas las sustancias químicas son venenosas en cierta dosis; hasta el agua es peligrosa si usted bebe (o peor, inhala) demasiada. Pero, por supuesto, algunas sustancias químicas generan sus efectos tóxicos en dosis mucho más bajas que otras. Hay cierta verdad en esta máxima, pero los estudios recientes revelan que es más complicado que eso; no es sólo la dosis lo que importa, sino también el tiempo de exposición y otros factores. Como describimos en la sección anterior, en la evaluación del riesgo por lo común se valoran los riesgos asociados con una sustancia. Se evalúa el riesgo asociado con la sustancia química A separada de la sustancia química B, a menos que se sepa que A y B están relacionadas y tienen efectos interactivos. Por ejemplo, se calculan los factores de equivalencia tóxica de los congéneres de la dioxina al mezclarse. Luego se suman los valores para evaluar el riesgo. (Un congénere es una sustancia química análoga.) Pero no se considera el impacto de la exposición a la combinación de A y B (por no hablar de C, D, E y F, cuando no son moléculas muy similares). Sin embargo, las investigaciones científicas demuestran que los efectos no dependen sólo de la dosis, sino de ésta en combinación con otros estresores en un organismo, incluida la presencia de niveles muy bajos de sustancias químicas similares o disímiles en el ambiente. Además, el tiempo de exposición es tan importante que la exposición dentro de una ventana de desarrollo breve puede generar perturbaciones en el desarrollo normal mientras que la exposición fuera de esa ventana no las produce. Los científicos también descubren que los efectos aparecen en formas impredecibles. La exposición a ciertas sustancias químicas en una edad temprana induce efectos que no ocurren sino hasta mucho tiempo después en la vida. En ocasiones los impactos no serán evidentes en absoluto en el organismo expuesto, sino que se manifiestan en la progenie después de una o dos generaciones. La evaluación del riesgo como metodología estandarizada no aborda debidamente la información científica que evoluciona de manera constante, sobre todo cuando las repercusiones de los peligros que se han identificado no se entienden a cabalidad y no se dispone de métodos de evaluación estandarizados. Esto es cierto de modo especial en los campos de investigación más recientes, como los trastornos endocrinos, en los que niveles muy bajos de exposición a ciertas sustancias químicas interfieren en el funcionamiento normal del sistema endocrino, lo que genera diversos impactos posibles. Aunque la evaluación del riesgo se utiliza para respaldar la toma de decisiones, es justo decir que hay demasiadas variables para afirmar con certeza que dicha evaluación es completa y segura. Sin embargo, sus conclusiones se utilizan para tomar decisiones políticas y regulatorias importantes que influyen en la salud humana y el ambiente. Con frecuencia, las evaluaciones del riesgo tienen un peso legal y se tratan como algo definitivo desde el punto de vista científico pese al hecho de que se basan en muchas suposiciones y una incertidumbre científica

2.5

Decisiones basadas en la evaluación de opciones

51

significativa. Además, las evaluaciones de riesgo son costosas y prolongadas, y mientras mayor sea la complejidad que se busque para abordar una evaluación de riesgo, mayor será el costo. En parte como respuesta a las limitaciones de la evaluación del riesgo, la evaluación de opciones surge como un método que orienta la toma de decisiones hacia una salud, seguridad y sostenibilidad humana y ambiental mejores. La evaluación de opciones, en el caso de las sustancias químicas, complementa la evaluación del riesgo pues identifica las opciones que representan un peligro menor. La evaluación del riesgo trata de responder la pregunta: “¿Es aceptable el riesgo?” Esta interrogante genera una respuesta afirmativa o negativa a la pregunta “¿qué opción es más segura?”, que sustenta una estrategia de mejoramiento continuo. La historia siguiente del libro de Mary O’Brien, Making Better Environmental Decisions: An Alternative to Risk Assessment, ilustra una diferencia importante entre la evaluación de riesgo y la evaluación de opciones.5 Imagine a una mujer, de pie junto un río de montaña de aguas gélidas, con la intención de cruzar hacia el otro lado. Un equipo de cuatro evaluadores de riesgo se encuentra junto a ella, revisando su situación. El toxicólogo le dice que debería vadear el río porque no es tóxico, sólo está frío. El cardiólogo manifiesta que debería vadearlo porque se ve joven y no está resfriada. Sus riesgos de sufrir un infarto, por tanto, son bajos. El hidrólogo comenta que debería vadearlo porque ha visto otros ríos parecidos y estima que éste no tiene más de 1.20 m (aproximadamente 4 pies) de profundidad y probablemente no se generen torbellinos en este sitio. Al final, el especialista en normas de la EPA dice que ella debería vadear el río porque, en comparación con el calentamiento global, la reducción de la capa de ozono y la pérdida de diversidad de especies, los riesgos de atravesarlo son triviales. La mujer se niega a vadear el río. “¿Por qué?”, preguntan los evaluadores de riesgos. Le muestran sus cálculos, explicándole en forma condescendiente que el riesgo que tiene de morir al hacerlo es de 1 en 40 millones. Sin embargo, ella se niega a hacerlo. “¿Por qué?”, preguntan una vez más los evaluadores de riesgos, frustrados por esta mujer que no entiende con claridad la naturaleza de los mismos. La mujer señala río arriba y dice: “Porque allá hay un puente”.

Los expertos en esta historia basan sus recomendaciones en los resultados de su evaluación de los riesgos de una sola opción: vadear un río de aguas gélidas. La mujer evalúa sus opciones, y una de ellas es usar un puente para atravesarlo. La meta de la evaluación de opciones es identificar las alternativas posibles para las sustancias químicas, los productos o los procesos existentes, y elegir entre ellas las más sanas y que protejan mejor el ambiente. La evaluación de opciones es, por tanto, un proceso de comparación que se creó para generar prácticas y productos más seguros y menos tóxicos. Lograr una seguridad relativamente mayor depende de las opiniones sobre diversos factores, entre los que se encuentran las exposiciones relativas, los peligros para la salud humana y el ambiente, lo mismo que consideraciones sobre el ciclo de vida, sociales y económicas. Si nos centramos en la química y la ingeniería ecológicas, una evaluación de opciones por lo común comprende uno o más de los componentes de una evaluación de riesgo tradicional, pero el enfoque se dirige hacia la comparación de las opciones que: 1) estén disponibles, o 2) puedan desarrollarse. Esto quiere decir que se evalúan la utilidad/funcionalidad (beneficios), los costos, los peligros, las exposiciones y los riesgos relativos de las opciones para descubrir o identificar situaciones que ofrezcan oportunidades de ganancia doble o triple. Entre los ejemplos se hallan: 1) los tejidos que retardan la combustión, en los que se consideran no sólo sustancias químicas alternas que retrasan la hinchazón, sino también otros géneros no recubiertos en los que se utilizan nuevos métodos de tejido que son más resistentes al fuego o de combustión más lenta, y 2) opciones no fibrosas para el asbesto. El énfasis se coloca en el replanteamiento de la interrogante de la política pública: no se trata de “¿cuáles son los riesgos, beneficios y costos definitivos de un producto, proceso

52

Capítulo 2 Decisiones en ingeniería o método existente peligroso?”, sino más bien de “¿cuáles son las alternativas que existen o que podrían crearse para lograr una funcionalidad igual o mejor a un riesgo y quizá un costo menores, que refleje un equilibrio óptimo entre riesgos, costos y beneficios?” Los progresos en la química o la ingeniería ecológicas darían forma a esta reformulación y eso permitiría que fuese más fácil evaluar los riesgos, beneficios y costos relativos de las opciones tecnológicas alternas, con la intención de elevar de manera continua el parámetro para alcanzar el grado más alto de salud humana y beneficio ambiental, lo mismo que un mejor desempeño. Hay diversos métodos para la evaluación de opciones que difieren en cuanto a su finalidad, alcance y otras características.6 Uno de los principales es el Programa de Diseño del Ambiente de la USEPA. Este Diseño del Ambiente (DfE; Design for the Environment) fomenta la prevención de la contaminación además de otras actividades para la reducción de riesgos en los sectores industriales al comparar la salud humana y los riesgos ambientales, y considerar el desempeño y el costo de los productos, procesos y prácticas existentes y alternas. El DfE logra esto en forma innovadora: formando asociaciones con la industria así como con otras partes interesadas para generar información sobre los impactos ambientales y en la salud humana, el desempeño y el costo de tecnologías y métodos más limpios. El DfE difunde después la información para ayudar a las empresas a diseñar y rediseñar productos y procesos rentables que sean más limpios y seguros para los trabajadores y el público. Con estas asociaciones, el diseño apoya a las organizaciones para que recaben y evalúen información que tal vez no podrían reunir en forma independiente, ya sea por el costo que ésta supone o porque se encuentra protegida por una patente. Los fabricantes de sustancias químicas comparten las fórmulas patentadas con el DfE gracias a estas asociaciones voluntarias debido a la forma en que se maneja y presenta la información sobre los posibles riesgos. Los fabricantes revelan por completo los ingredientes al DfE y éste mantiene la confidencialidad de la información. Sin embargo, hace que los resultados de las evaluaciones de riesgo sean accesibles al público sin revelar los porcentajes exactos de los elementos constitututivos o sin identificar las sustancias químicas patentadas. Este proceso protege información empresarial importante y confidencial que preserva la competitividad de una compañía, pero proporciona a los consumidores y otros grupos de interés la información pertinente en materia de salud y seguridad humana y ambiental que necesitan para tomar decisiones bien fundamentadas. Un ejemplo de relación exitosa con el DfE es la Asociación para el Retardo de la Combustión de Muebles.7 El éter de pentabromodifenilo (pentaBDE) era el principal retardante de llamas que se utilizaba en la espuma para los muebles de poliuretano flexible de baja densidad. Debido a la preocupación existente respecto a su uso y al hecho de que se hallaba en forma generalizada en el ambiente, el tejido humano y la leche materna, en enero de 2004 los fabricantes estadounidenses lo retiraron en forma paulatina y voluntaria de la producción. La industria necesitaba opciones para cumplir con los requisitos de retardo en la combustión de los muebles, pero no contaba con la información necesaria en materia de salud y seguridad humana y ambiental para comparar las distintas posibilidades. El DfE trabajó con los fabricantes de muebles, de espumas y proveedores de sustancias químicas retardantes de la combustión, lo mismo que con grupos gubernamentales y ambientales para evaluar las opciones posibles. Se presentaron ante la USEPA 14 fórmulas confidenciales de sustancias químicas alternativas y se evaluaron con base en diversas variables de evaluación sobre salud humana y toxicidad ecológica, además del potencial de acumulación biológica y persistencia ambiental; también en función de una posible exposición de los trabajadores, usuarios y el entorno acuático, y se estableció una distinción entre los retardantes de la combustión que reaccionan dentro de la espuma y los que se agregan a ésta que pueden filtrarse con mayor facilidad. Donde había brechas en los datos, los expertos de la USEPA utilizaron modelos y sustancias químicas análogas para estimar el peligro de alguna variable de evaluación determinada. La bibliografía y las revisiones de datos de prueba se publicaron en el informe final, “Environmentally Pre-

2.5

53

Decisiones basadas en la evaluación de opciones

ferable Options for Furniture Fire Safety: Low Density Furniture Foam”, disponible en el sitio web del DfE. Además, cada variable de evaluación se clasificó en función de un nivel de peligrosidad (elevado, moderado o bajo) según los criterios utilizados por el Nuevo Programa de Sustancias Químicas de la USEPA para calificar el nivel de peligrosidad de las nuevas sustancias químicas sometidas a su consideración de acuerdo con la Ley de Control de Sustancias Tóxicas (TSCA; Toxic Substance Control Act). El DfE observó dónde se basaban los valores en datos experimentales (en negritas) y dónde se habían estimado con base en modelos o en sustancias químicas análogas (con cursivas). En la figura 2.3 se presenta una sección de la tabla que resume los resultados de la evaluación. * Los estudios actuales pueden generar un cambio en esta variable de evaluación. Peligrosidad baja N = No Peligrosidad moderada S = Sí Se esperan productos con degradación persistente2 P = Sí, en el caso de una sustancia química pura Peligrosidad elevada Variable de evaluación asignada con ayuda de valores estimados y opiniones profesionales (relaciones de actividad estructural)

Sensibilizante cutáneo

Reproductivo

En el desarrollo

M

B

M

M

92-99%

B

B

B

B

1-8%

B

B

B

B

Trifenil fosfato CASO #115-86-6

38-48%

B

B

B

B

B

Fosfato de alquilo patentado J

40-46%

B

B

B

B

B

Fosfato de alquilo patentado K

12-18%

B

B

B

B

B

Fosfato de alquilo patentado L

1-3%

B

B

B

B

99%

M

B

M

M

Inhalación

Dérmico

Ingestión

Inhalación

Dérmico

Ingestión

Acuático

B

N

S

S

N

S

S

S

Aditivo

B

P

S

S

N

S

S

S

Aditivo

B

S

S

S

S

S

S

S

Aditivo

B

B

S

S

S

S

S

S

S

Aditivo

B

B

S

S

S

S

S

S

S

Aditivo

B

B

B

P

S

S

N

S

N

N

Aditivo

B

B

B

B

P

S

S

N

S

N

N

Aditivo

M

M

M

B

N

S

S

N

S

S

S

Aditivo

M

M

M

B

M

B

E

B

M

B

E

M

B

M

M*

M

B

B

Persistencia

B

Crónico

Agudo

¿Reactivo o aditivo?

Genotoxicidad

Trifenil fosfato CASO # 115-86-6

Supresta

Población en general

M

M

E

E

E

B

E

E

B

E

B

B

M

B

M

M

AC003 Éster de fosfato orgánico patentado I

Supresta

Posibles rutas de exposición

AB053 Tris(1,3-dicloro-2-propil)fosfato CASO # 13674-87-8

Supresta

Ambiental

Trabajador

Sistémico

Supresta

Sustancia química

Ecotoxicidad

Neurológico

Compañía

% en la fórmula3

Peligro de cáncer

Efectos en la salud humana

Bioacumulación

B= M1 = E= B, M1 o E =

AC073

Fyrol FR-2 Tris(1,3-dicloro-2-propil)fosfato CASO # 13674-87-8

Figura 2.3 Matriz de la USEPA para la evaluación de los riesgos de los retardantes en la combustión de muebles. (U. S. Environmental Protection Agency.)

ENFOQUE

Fondo Verde para Sustancias Químicas Seguras El Fondo Verde para Sustancias Químicas Seguras (conocido como Fondo Verde) desarrollado por Clean Production Action, organización no gubernamental defensora del ambiente y la salud humana, se desarrolló sobre el trabajo de las Asociaciones para el Retardo en la Combustión del DfE.8 Dado que el método de evaluación de

opciones del DfE no se creó para clasificar los retardantes de la combustión, se plantearon interrogantes sobre cómo identificar mejor la opción que en efecto fuera más benigna. No se consideró que alguna de las opciones tuviera un grado de peligrosidad bajo en todas las variables de evaluación. Cada una de éstas se asociaba con uno o más

54

Capítulo 2 Decisiones en ingeniería

peligros, pero no todos los peligros se percibían iguales. Por ejemplo, ¿sería mejor elegir un retardante de la combustión que ocasione cáncer o irritación cutánea? Se plantearon preguntas sobre cómo comparar y priorizar los peligros para identificar opciones mucho más seguras (cómo considerar los equilibrios entre los peligros). El Fondo Verde se diseñó para apoyar este tipo de toma de decisiones por parte de empresas, gobiernos e individuos preocupados por los riesgos que representan las sustancias químicas, lo mismo que para hacer que progresara el desarrollo de la química ecológica y fuera un componente en el camino hacia el diseño sostenible de productos y los flujos de materiales sostenibles. El Fondo Verde define cuatro parámetros en la ruta hacia la obtención de sustancias químicas más seguras, lo que ayuda a dar perspectiva y a priorizar las opciones químicas con base en los peligros y las combinaciones de peligros. r
&M
QBSÃNFUSP

DBSBDUFSJ[B
MPT
QSPEVDUPT
químicos como “Evitar: sustancia química con grado de peligrosidad elevado”.

2.6

r
&M
QBSÃNFUSP

DBSBDUFSJ[B
MPT
QSPEVDUPT
químicos como “Usar, pero buscar sustitutos más seguros”. r
&M
QBSÃNFUSP

DBSBDUFSJ[B
MBT
TVTUBODJBT
químicas como “Usar, pero aún hay oportunidad de mejora”. r
&M
QBSÃNFUSP

DBSBDUFSJ[B
MBT
TVTUBODJBT
químicas como “Preferir: sustancia química segura”. Cada parámetro consta de un conjunto de criterios de peligrosidad relacionados que abarca una combinación de peligros y valores dentro de un umbral que una sustancia química debe pasar, junto con sus productos de descomposición conocidos y predichos (productos y metabolitos de degradación ambiental), para progresar al siguiente parámetro. Los criterios de cada parámetro se vuelven cada vez más exigentes en términos de salud y seguridad ambiental y humana, siendo el parámetro 4 el que representa la sustancia química menos peligrosa.

DECISIONES BASADAS EN EL ANÁLISIS DE IMPACTO AMBIENTAL El 1 de enero de 1970, el presidente Richard M. Nixon firmó la Ley de Política Ambiental Nacional (NEPA; National Environmental Policy Act), que se creó para “fomentar una armonía productiva y gozosa entre el hombre y su ambiente”. Como con otras legislaciones imaginativas y que han marcado un hito, la ley contenía muchas disposiciones que resultaba difícil implementar en la práctica. No obstante, constituyó el modelo para las legislaciones ambientales que la mayor parte del mundo occidental adoptó poco tiempo después. Con la NEPA se estableció el Consejo sobre Calidad Ambiental (CEQ; Council on Environmental Quality), que debía ser un organismo de control sobre las actividades federales que influyen en el ambiente; el CEQ rendía cuentas directamente al presidente. El medio por el cual el CEQ vigilaría la actividad federal importante en materia de impacto al ambiente era un informe llamado declaración de impacto ambiental (DIA). Esta disposición poco considerada en la NEPA, escondida en la sección 102, estipula que la DIA debe ser un inventario, un análisis y una evaluación del efecto de un proyecto planificado sobre la calidad ambiental. En el caso de cada proyecto significativo, el organismo federal en cuestión debe redactar la DIA primero como borrador, y luego presentarla para recibir comentarios públicos. Por último, el informe vuelve a redactarse tomando en cuenta la opinión pública y las observaciones de los demás organismos gubernamentales. Cuando está terminada, la DIA se presenta ante la USEPA. El impacto de la sección 102 de la NEPA en los organismos federales fue traumático porque no estaban preparados en términos de recursos humanos o capacitación, ni tenían la

2.6

Decisiones basadas en el análisis de impacto ambiental

55

capacidad psicológica para aceptar esta nueva restricción (así lo consideraban) a sus actividades. Por tanto, los primeros años de la DIA fueron tormentosos, y varias declaraciones del impacto ambiental se juzgaron en los tribunales de justicia. Por supuesto, surge un conflicto cuando la opción de rentabilidad, o la que tiene la mayor razón de costo/beneficio (C/B), también da por resultado el mayor impacto ambiental (IA) adverso. Es preciso tomar decisiones, y muy a menudo el primero le gana al segundo. No obstante, es significativo que, desde 1970, se debe considerar el efecto que un proyecto puede causar en el ambiente, en tanto que, antes de 1970, estas preocupaciones ni siquiera se reconocían y mucho menos se incluían en el proceso de toma de decisiones. Los organismos gubernamentales realizan estudios de IA internos y proponen sólo los proyectos que tienen tanto una razón de C/B alta como un impacto ambiental adverso bajo. La mayoría de las declaraciones de IA se redactan, por tanto, como la justificación de una opción por la que el organismo ya ha optado. Aunque el CEQ desarrolló pautas para la declaración de impacto ambiental, la forma de esta última aún es variable y en cada una hay juicios (algunos dirían prejuicios) e información cualitativa considerables. Al parecer cada organismo ha elaborado su propia metodología dentro de las limitaciones que imponen las pautas del CEQ, y resulta difícil afirmar que un formato sea superior a otro. En virtud de que no hay una DIA estándar, el análisis siguiente es una descripción de varias opciones dentro del marco de referencia general. Se señala que la DIA debe dividirse en tres partes: inventario, evaluación y valoración.

2.6.1

Inventario

La primera responsabilidad al redactar cualquier DIA es recabar datos, como la información hidrológica, meteorológica o biológica. En el inventario se incluye, por ejemplo, un listado de las especies de plantas y animales del área de interés. No se toman decisiones en esta etapa porque todo pertenece propiamente al inventario.

2.6.2

Valoración

La segunda etapa es la parte del análisis, que por lo común se denomina evaluación. Se trata del aspecto mecánico de la DIA en cuanto a que el mecanismo de valoración se alimenta con los datos recabados en el inventario y, en consecuencia, se procesan las cifras. Se han propuesto numerosas metodologías de valoración, pero a continuación sólo se describen algunas. La lista de verificación cuantificada es posiblemente el método cuantitativo más sencillo para comparar opciones. En primer lugar, consiste en un listado de los aspectos del ambiente que podrían verse afectados por el proyecto propuesto y, en segundo lugar, en una estimación de: a) La importancia del impacto b) Su magnitud c) Su naturaleza (sea negativo o positivo) De manera común, a la importancia se le asignan cifras entre 0 y 5, donde 0 significa sin importancia en tanto que 5 supone una importancia extrema. Se emplea una escala similar en el caso de la magnitud, donde la naturaleza se expresa sencillamente con −1 en el caso de un impacto negativo (adverso) y con + 1 si es positivo (benéfico). El impacto ambiental (IA) se calcula entonces como: EI =

n  (Ii × Mi × Ni ) i=1

56

Capítulo 2 Decisiones en ingeniería donde

Ii = importancia del i-ésimo impacto Mi = magnitud del i-ésimo impacto Ni = naturaleza del i-ésimo impacto, de modo que N = +1 si es benéfico, y N = −1 si es perjudicial n = cantidad total de aspectos de interés

El ejemplo 2.9 ilustra el uso de la lista de verificación cuantificada. EJEMPLO 2.9

Problema Al retomar el ejemplo 2.3, la comunidad tiene dos opciones: aumentar la frecuencia de recolección de desperdicios de 1 a 2 veces por semana o permitir la quema de basura en los patios traseros. Analice estas dos opciones con ayuda de una lista de verificación cuantitativa. Solución En primer lugar, se presenta una lista de los ámbitos de impacto ambiental. Por razones de brevedad, a continuación sólo se muestran seis ámbitos; sin embargo, reconozca que una evaluación concienzuda incluiría muchos otros aspectos de interés. Después de esto, se asignan valores de importancia y magnitud (0 a 5) y se indica la naturaleza del impacto (+/−). Luego se multiplican las tres columnas. Opción 1: aumentar la frecuencia de recolección Aspecto de interés

Importancia (I)

Magnitud (M)

Contaminación del aire 4 2 (camiones) Ruido 3 3 Basura en las calles 2 2 Olor 2 3 Congestionamiento de tránsito 3 3 Contaminación de agua 4 0 subterránea (Nota: no se verterá ningún desperdicio nuevo.)

Naturaleza (N)

−1 −1 −1 −1 −1 −1

Impacto (I × M × N)

−8 −9 −4 −6 −9 0

IA = −36 Opción 2: quemar en el patio trasero Aspecto de interés

Importancia (I)

Contaminación del aire (camiones) 4 Ruido 0 Basura 2

Magnitud (M)

4 0 1

Naturaleza (N)

−1 −1 +1

Impacto (I × M × N)

−16 0 +2

(Nota: el sistema de recolección actual genera basura.) Olor 2 Congestionamiento de tránsito 0 Contaminación de agua 4 subterránea (Nota: se verterá menos basura.)

4 0 1

−1 −1 +1

−8 0 +4

IA = −18 Sobre la base de este análisis, quemar los desperdicios generaría una reacción adversa menor.

2.6

57

Decisiones basadas en el análisis de impacto ambiental

Matriz de interacción En el caso de proyectos sencillos, la lista de verificación cuantificada es una técnica de evaluación conveniente, pero resulta difícil para los proyectos más grandes que tienen muchas acciones pequeñas que se combinan para generar el producto final general, como la construcción de una presa. El efecto de cada una de estas acciones más pequeñas debe juzgarse por separado en lo que respecta a su impacto. Una interacción así entre las acciones individuales y los aspectos de interés da lugar a la matriz de interacción, en la que se juzgan, una vez más, la importancia y la magnitud de la interacción (como la escala de 0 a 5 que se utilizó antes). Parece haber un acuerdo sobre qué cálculo debe realizarse para generar la cantidad numérica final. En algunos casos la importancia se multiplica por la magnitud y los productos se suman como antes, mientras que hay otro procedimiento que consiste sólo en sumar todas las cifras en la tabla. En el ejemplo 2.10 se suman los productos en una gran adición que aparece en la esquina inferior derecha de la matriz.

EJEMPLO 2.10

Problema Retomando el ejemplo 2.3, utilice la técnica de evaluación de la matriz de interacción para decidir sobre las opciones presentadas. Solución Advierta una vez más que se trata de listas incompletas que sólo se usan para fines ilustrativos. Los resultados indican de nuevo que tiene más sentido quemar el papel. Opción 1: Aumentar la frecuencia de recolección

–4

–2 2

–3

–1 2

–2 3

–2

0

0

–23

–13

1

–13

1

–8

0

0

–6

+1 +1

–34

–24

–16

1

+2

1

–6

1

+4

+1 1

0 0

0 +1

1

4 0

–5

0 0

0 –2

–4 0

0 4

0

–2 0

0 0

–4 1

–2 1

3

Opción 2: Quemar la basura

+4 0

+2

+6

–16

Antes de pasar a la siguiente técnica debemos reiterar que el método que se ilustra en el ejemplo 2.10 puede tener muchas variantes y modificaciones, ninguna de las cuales es correcta o incorrecta, sino que depende del tipo de análisis realizado, para quién se prepara el informe

58

Capítulo 2 Decisiones en ingeniería y qué se analiza. La iniciativa individual a menudo es el componente más valioso en el desarrollo de una DIA útil. La lista de verificación de parámetro común ponderado es otra técnica para la evaluación del impacto ambiental. Difiere de la lista de verificación cuantificada sólo en que, en lugar de utilizar cifras de importancia y magnitud arbitrarias, el término importancia se denomina efecto (E) y se calcula a partir de datos ambientales reales (o valores cuantitativos pronosticados), y la magnitud se expresa como factores de ponderación (P). El objetivo básico de esta técnica consiste en reducir todos los datos a un parámetro común, lo cual permite sumar los valores. Los datos (reales o pronosticados) se traducen en el término efecto por medio de una función que describe la relación entre la variación del valor mensurable y el efecto de esa variación. Esta función se extrae por cada interacción con base en cada caso. En la figura 2.5 se ilustran tres funciones comunes. Todas estas curvas muestran que a medida que aumenta el valor de la cantidad medida también se incrementa el efecto adverso en el ambiente (A), pero que esta relación puede adoptar varias formas. El valor de A oscila entre 0 y más o menos (+/−) 1.0, donde el signo positivo supone un impacto benéfico y el negativo, uno perjudicial.

ENFOQUE

El agua de Tampa Bay La región de Tampa Bay, Florida, comprende la ciudad de Tampa, en tierra firme, y la venerable St. Petersburg, ubicada en el lado de la bahía, conectadas por una larga carretera elevada (figura 2.4). Al aumentar la población de la región en las últimas décadas, los gobiernos locales tuvieron que encontrar agua para los ciudadanos. La desalinización resulta muy costosa y no hay grandes ríos que puedan aprovecharse para el suministro de superficie, de modo que la autoridad responsable de las aguas de la localidad, Tampa Bay Water (TBW), decidió que el agua subterránea era la única opción y construyó un sistema de pozos por toda la región. No se disponía de más agua dulce del lado de St. Petersburg, pues la intrusión de agua salada destruiría el recurso de agua dulce restante. (El agua marina, al ser más pesada que la dulce, se filtra bajo el lente de agua dulce, y finalmente todos los pozos bombean agua de mar.) De modo que TBW empezó a bombear una cantidad cada vez mayor de agua dulce desde tierra firme. Los efectos del bombeo pueden demostrarse mejor con lo que ocurrió a una familia. En 1988, Steve y Cathy Monsees se mudaron a Pasco County y compraron una propiedad con un

estanque de 5 acres (2.02 hectáreas) en la parte trasera, y el lago Prairie de 100 acres (40.47 hectáreas) hacia el frente. Para su consternación, vieron cómo se secaba el lago Prairie, y a principios de la década de 1990 había desaparecido por completo. Preguntaron sobre esto a TBW y se les dijo que se debía a una sequía prolongada. Al evaluar la situación con mayor detenimiento, descubrieron que los últimos años habían sido más húmedos de lo normal, de modo que el desecamiento del lago hasta el nivel del lecho no podía deberse a una sequía. TBW continuó con las evasivas, afirmando unas veces que la causa había sido la irrigación y otras el desarrollo. Finalmente, los Monsees descubrieron que TBW había perforado un pozo, como parte de su sistema, a casi una milla (1.60 kilómetros) del lago. El pozo producía 45 millones de galones diarios (mgd) (170.34 millones de litros diarios [mld]), una enorme cantidad que no podía mantenerse sólo por medio de la filtración de agua de lluvia. El manto freático cayó por debajo del nivel del lago y el agua de éste se drenó por la tierra y terminó en los grifos de los ciudadanos cada vez más sedientos de Tampa y St. Petersburg. Se descubrió que el daño a los

2.6

Decisiones basadas en el análisis de impacto ambiental

Pasco County Keystone

Wesley Chapel

Lutz New Tampa

North Tampa

75

275

Temple Terrace Hacia Orlando

Westchase

Hillsborough

Clearwater

4

275

Brandon

South Tampa

St. Petersburg

75

N E

O S

South Shore

Lithia Fish Hawk

59

recursos acuíferos subterráneos fue masivo, pues se secó casi la mitad de los lagos de la región. El daño a los arroyos y riachuelos en la zona precipitó la pérdida generalizada de la vida silvestre. Los árboles gigantes que habían tomado agua del acuífero murieron y cayeron, y se formaron enormes hundimientos al colapsarse las cavidades en la tierra. Después de muchos juicios, TBW ofreció una disculpa, pero no detuvo el daño a los recursos de agua subterránea y el ambiente natural. Al final se dio cuenta de que no podía reducir el manto freático de manera indefinida y construyó una planta de desalinización que costó 120 millones de dólares, pero no ha sido suficiente para satisfacer la creciente demanda. ¿En qué momento la disponibilidad de agua dicta los límites para el crecimiento poblacional?

275

Fuente: Robert Glennon, Water Follies, Island Press, 2002. Bradenton 75

Sarasota

Figura 2.4 Tampa Bay, Florida

Considere, por ejemplo, el efecto de la presencia de un residuo tóxico en la salud y la supervivencia de un organismo acuático determinado. La concentración de la toxina en el arroyo es la cantidad medida, en tanto que la salud del organismo acuático es el efecto. El efecto (perjudicial) aumenta a medida que se eleva la concentración. Una concentración muy baja no ejerce un efecto perjudicial, mientras que una muy elevada puede resultar desastrosa. Pero, ¿qué tipo de función (curva) tiene más sentido en esta interacción? La función en línea recta (figura 2.5A) supone que a medida que aumenta la concentración de la toxina a partir de cero, se sienten de inmediato los efectos perjudiciales. Esto pocas veces es cierto. En concentraciones muy bajas, la mayoría de las toxinas no muestran una relación lineal con el efecto, de manera que esta función al parecer no es útil. La figura 2.5B, la siguiente curva, también es incorrecta. Pero la figura 2.5C parece mucho más razonable porque supone que el efecto de la toxina es muy pequeño en bajas concentraciones, pero cuando alcanza un nivel de umbral se vuelve muy tóxico con rapidez. Conforme el nivel aumenta por encima del umbral tóxico, ya no puede haber más daño porque todos los organismos están muertos, de modo que los niveles del efecto desaparecen en 1.0.

60

Capítulo 2 Decisiones en ingeniería Una vez que se han estimado los términos del efecto (E) en cada característica, se multiplican por factores de ponderación (P), los cuales se distribuyen entre los diversos efectos según la importancia de cada uno. Por lo común, los términos de ponderación aumentan a 100, pero esto no es importante siempre y cuando un número igual de términos de ponderación se atribuya a cada opción analizada. El impacto final se calcula entonces sumando los productos de los términos del efecto (E) y los factores de ponderación (P). Por tanto, en el caso de cada opción considerada: n

( E i × Pi )

Impacto ambiental = i= 1

donde n = número total de aspectos de interés ambiental considerados. Recuerde que el efecto (E) puede ser negativo (perjudicial) o positivo (benéfico).

EJEMPLO 2.11

Problema Al continuar con el ejemplo 2.3 y utilizar sólo las variables de la basura, el olor y las partículas transportadas por el aire (como ejemplo de la calidad del aire), calcule el impacto ambiental de la quema de residuos con la lista de verificación de parámetro común ponderado. (Una vez más, esto es sólo una parte muy pequeña de la evaluación de impacto total que se necesitaría en esta técnica.) –1.0 –0.8 –0.6 A

E –0.4 –0.2 0

mín

máx

–1.0 –0.8 –0.6 B

E –0.4 –0.2 0

mín

máx

–1.0 –0.8 –0.6 C

E –0.4 –0.2 0

mín

máx

Figura 2.5 Tres tipos de funciones en las que se relacionan las características con los efectos ambientales.

2.6

Decisiones basadas en el análisis de impacto ambiental

61

Solución Suponga que las tres curvas que se aprecian en la figura 2.6 son las funciones apropiadas que relacionan las características ambientales de la basura, el olor y las partículas transportadas por el aire, respectivamente. Suponga que se ha estimado que la quema de residuos generará un nivel de basura de 2 en una escala de 0 a 4, una cifra por concepto de olor de 3 y un aumento en las partículas transportadas por el aire de 180 μg/m3. Al introducir en la figura 2.6A, B y C los valores 2, 3 y 180, respectivamente, los efectos (E) se leen uno por uno como −0.5, −0.8 y −0.9. Ahora es necesario asignar factores de ponderación, y de un total de 10 se decide asignar 2, 3 y 5, respectivamente, lo que supone que el efecto más importante es la calidad del aire y el menos importante es la basura. Entonces, el impacto ambiental es: IA = (−0.5 × 2) + (−0.8 × 3) + (−0.9 × 5) = −7.9 Se realizaría un cálculo similar en el caso de otras opciones y los IA comparados. –1.0 –0.8 –0.6 A

E –0.4 –0.2 0

0

1

2

3

4

–1.0 –0.8 –0.6 B

E –0.4 –0.2 0

0

3

10

–1.0 –0.8 –0.6 C

E –0.4 –0.2 0

50

180

250

Figura 2.6 Tres funciones específicas de los efectos ambientales. Véase el ejemplo 2.11.

62

Capítulo 2 Decisiones en ingeniería Debe quedar claro que esta técnica es bastante flexible para efectuar modificaciones e interpretaciones individuales, y que el ejemplo anterior no debe considerarse de ningún modo como un método estándar. Sin embargo, ofrece una respuesta numérica a la cuestión del impacto ambiental, y cuando esto se hace en el caso de varias opciones, es posible comparar las cifras. Este proceso de comparación y evaluación representa la tercera parte de la DIA.

2.6.3

Evaluación

La comparación de los resultados del procedimiento de evaluación y el desarrollo de las conclusiones finales se incluye en la evaluación. Es importante reconocer que las dos etapas anteriores, inventario y evaluación, son procedimientos fáciles y rápidos en comparación con la etapa final, que requiere juicio y sentido común. Durante esta etapa, en la redacción de la DIA, se extraen y presentan las conclusiones. Con frecuencia el lector de la DIA sólo ve las conclusiones y nunca se molesta en revisar todas las suposiciones que entraron en los cálculos de la evaluación, así que es importante incluir en esta última el sabor de estos cálculos y hacer hincapié en el nivel de incertidumbre que hay en esta etapa de la evaluación. Pero aun cuando la DIA sea tan completa como sea posible y los datos se hayan recabado y evaluado con sumo cuidado, las conclusiones concernientes al uso del análisis están sujetas a diferencias graves. Por ejemplo, la DIA que se redactó para el oleoducto de Alaska, cuando todos los documentos se colocan en una sola pila, representa 14 pies (4.27 metros) de trabajo. Y al final de todo ese esfuerzo, las buenas personas en ambos lados obtuvieron conclusiones opuestas sobre el efecto del oleoducto. El problema era que discutían sobre el aspecto equivocado.9 Pudieron discutir sobre cuántos caribúes se verían afectados por el oleoducto, pero su desacuerdo en realidad era sobre cuán profundamente les preocupaba que los caribúes se vieran afectados por el oleoducto. Para aquellos a quienes les importa poco el caribú, el impacto es de cero, en tanto que quienes se interesan por las manadas y los efectos a largo plazo en la sensible ecología de la tundra se preocupan mucho. ¿Cuál es, entonces, la solución? ¿Cómo es posible tomar decisiones en la ingeniería ante los valores que entran en conflicto? Estas consideraciones exigen otro tipo de toma de decisiones: un análisis ético.

2.7

DECISIONES BASADAS EN ANÁLISIS ÉTICOS Antes de emprender la exposición sobre el análisis ético, es necesario definir con suma claridad lo que se entiende por ética.10 La opinión popular es que una persona ética, por ejemplo, es alguien “bueno”, con estándares elevados. De igual modo, se considera que una persona moral tiene ciertas opiniones convencionales sobre la sexualidad. En ambos casos se trata de errores muy generalizados. La moralidad está constituida por los valores que las personas eligen para orientar la forma en que deben tratarse unas a otras. Así, un valor moral sería decir la verdad, y algunas personas elegirán ser veraces. Se piensa que son individuos morales respecto a la verdad porque actuarían de acuerdo con sus convicciones morales. Sin embargo, si alguien no valora la veracidad, entonces decir la verdad resulta irrelevante y esa persona no tiene un valor moral respecto a la veracidad. De hecho, sería posible que alguien tuviera la perspectiva moral de que se debería mentir siempre y, en este caso, se le percibiría como un individuo moral si miente porque actuaría de acuerdo con una convicción moral. Las personas más razonables estarán de acuerdo en que es mucho mejor vivir en una sociedad en la que la gente no miente, engaña o roba. Sin duda existen las sociedades en las que sus integrantes mienten, engañan y roban, pero de presentarse la opción, la mayoría de

2.7

Decisiones basadas en análisis éticos

63

ellos no querría comportarse de ese modo y optaría por vivir en comunidades en las que todos compartan los valores morales que ofrecen un beneficio mutuo. Si bien es bastante sencillo coincidir en que no es aceptable mentir, engañar o robar, y la mayoría de la gente no lo hará, es un asunto mucho más difícil decidir qué hacer cuando surgen conflictos entre los valores. Por ejemplo, suponga que es necesario mentir para ser fiel a una promesa. ¿Cómo decidiremos qué hacer cuando los valores entran en conflicto? En los temas económicos se da una situación similar. Por ejemplo, ¿cómo decidiremos qué proyecto emprender con los recursos limitados? Como ya se analizó, en este caso nos valemos de un análisis de costo/beneficio. ¿Cómo tomamos entonces una decisión cuando los valores morales entran en conflicto? En este caso, usamos un análisis ético. La ética proporciona un marco sistematizado para la toma de decisiones cuando los valores entran en conflicto. La elección de la naturaleza y la función de esa maquinaria para la toma de decisiones depende de los valores morales propios de cada persona. Tanto el análisis de rentabilidad como el de costo/beneficio son métodos para tomar decisiones con base (principalmente) en el dinero. En el análisis de riesgo se calcula el daño potencial para la salud y el análisis de impacto ambiental constituye un medio para la toma de decisiones con base en los efectos a largo plazo en los recursos. La ética es de igual modo un marco para la toma de decisiones, pero los parámetros de interés no son el dinero o los datos ambientales, sino los valores. De esto se desprende entonces que, dado que la ética es un sistema para la toma de decisiones, una persona ética es aquella que toma decisiones sobre la base de algún sistema ético. ¡Cualquier sistema! Por ejemplo, si alguien opta por seguir un sistema ético en el que se maximiza el placer personal (hedonismo), sería correcto (ético) decidir todo de tal modo que éste se magnifique; en ese caso sería posible empujar de una banca a las mujeres de edad avanzada para sentarnos o hacer trampas en los exámenes porque esto disminuye el tiempo de estudio personal y maximiza el tiempo dedicado a la diversión. Siempre que alguien adopte el hedonismo como el modo de comportamiento aceptado (ético) actuaría, en estos casos, en forma ética. Por supuesto, hay muchos otros sistemas éticos que generan acciones que la mayoría de la gente civilizada considera normas más aceptables de comportamiento social. El aspecto más importante en cualquier código o sistema ético que se adopte es que hay que estar preparado para defenderlo como un sistema que todos deberían emplear. Si esta defensa es débil o deficiente, entonces el sistema ético se considera inadecuado, lo que traería como consecuencia que una persona razonable lo abandonaría y buscaría otro que pudiera defenderse como uno que todos los individuos deberían adoptar.

2.7.1

El utilitarismo y las teorías deontológicas

La mayor parte del pensamiento ético durante los últimos 2,500 años ha sido una búsqueda de la teoría ética apropiada que oriente nuestro comportamiento en las relaciones entre los seres humanos. Algunas de las teorías que más influencia han ejercido en el pensamiento ético occidental, que son muy defendibles, se basan en las consecuencias o en los actos. En el primer caso, los dilemas morales se resuelven de acuerdo con cuáles son las consecuencias; si se desea maximizar el bien, entonces la opción que genere el mayor bien es correcta (moral). En el segundo caso, los dilemas morales se resuelven al pensar si la opción (el acto) se considera bueno o malo, y las consecuencias no se ponderan. La teoría ética consecuencialista más influyente es el utilitarismo de Jeremy Bentham (1784-1832) y John Stuart Mill (1806-1873). En el utilitarismo se calcula el dolor y el placer de todas las acciones, y se juzga el valor de todas ellas sobre la base de la felicidad total que se logra, donde la felicidad se define como la razón más elevada de placer o dolor. (¿Le parece familiar?) El llamado cálculo utilitario permite determinar la felicidad de todas las opciones

64

Capítulo 2 Decisiones en ingeniería consideradas. Actuar en forma ética, entonces, sería elegir la opción que genere el mayor nivel de placer y el menor nivel de dolor. Dado que se suma la felicidad de todos los seres humanos involucrados, estos cálculos a menudo dictan una decisión en la que la felicidad moderada de muchos resulta en la infelicidad extrema de algunos. El análisis de costo/beneficio puede considerarse utilitario en sus orígenes porque se da por hecho que el dinero equivale a la felicidad. Los seguidores de las teorías consecuencialistas sostienen que éstos son los principios apropiados para la conducta humana porque fomentan el bienestar, y que es absurdo actuar sólo con base en algún conjunto de reglas sin referencia a las consecuencias de estas acciones. Los utilitarios, de acuerdo con Aristóteles, afirman que la felicidad siempre se elige por derecho propio y, por tanto, debe ser el bien básico que todos debemos buscar. En consecuencia, dado que el cálculo utilitario asegura esa estimación, es el instrumento apropiado para la toma de decisiones en las que hay valores de por medio. El segundo grupo de teorías éticas se funda en la noción de que la conducta humana debe regirse por la moralidad de los actos y que siempre es preciso seguir ciertas reglas (como “no mentir”). Estas teorías, a menudo llamadas deontológicas, hacen hincapié en la bondad del acto y no en su consecuencia. Sus partidarios afirman que los actos deben juzgarse como buenos o malos, correctos o incorrectos en sí mismos, al margen de sus consecuencias. Un antiguo sistema de reglas deontológicas son los “Diez mandamientos”, ya que se concibieron para acatarse independientemente de las consecuencias. Es posible que el sistema deontológico más conocido sea el de Immanuel Kant (17241804), quien propuso la idea del imperativo categórico: el concepto de que una persona desarrolla un conjunto de reglas para tomar decisiones cargadas de valores, que desearía que todos los individuos obedecieran. Una vez que se establecen estas reglas, la persona siempre debe seguirlas, y sólo entonces puede actuar en forma ética porque el acto es lo importante. Una piedra angular de la ética kantiana es el principio de universalidad, una simple prueba de la racionalidad de un principio moral. En resumen, según este principio, si un acto es aceptable para una persona, debe ser igualmente aceptable para las demás. Por ejemplo, si alguien considera que mentir es un comportamiento admisible para uno mismo, debería permitirse que todos mintiesen, y de hecho se esperaría que todos lo hicieran. De igual modo, si una persona decide que hacer trampa en un examen es aceptable, entonces coincide, gracias al principio de universalidad, en que es perfectamente válido que todos los demás también la hagan. Vivir en un mundo en el que se espera que todos mientan o engañen sería lamentable y, en consecuencia, nuestra vida sería mucho más pobre. Por tanto, no tiene sentido afirmar que mentir o engañar son comportamientos aceptables porque no pueden universalizarse. Los seguidores de las teorías basadas en las reglas sostienen que las que son consecuencialistas permiten y, con frecuencia, fomentan el sufrimiento de algunas personas en beneficio de muchas, y que esto es a todas luces una injusticia. Por ejemplo, afirman que las teorías consecuencialistas recibirían de buen agrado el sacrificio de una persona inocente si previniera la muerte de otras. Sostienen que si matar es malo, entonces el mero acto de permitir que una persona inocente muera es incorrecto e inmoral. Los utilitaristas refutarían esto arguyendo que a menudo un acto bueno genera un daño neto. Un ejemplo trivial sería si un compañero de habitación, cónyuge o amigo le preguntara a usted: “¿Te gusta mi nuevo peinado/blusa/corbata, etc.?” Aunque usted con honestidad piense que es atroz, de acuerdo con esta perspectiva el acto correcto sería decir la verdad porque se supone que nunca se debe mentir. ¿Acaso una mentira piadosa no generaría un mayor bien?, preguntan los utilitarios. Los deontólogos responden que es incorrecto mentir aun cuando esto lastime de inmediato los sentimientos de los demás, porque decir la verdad puede generar una confianza que se sostendría con rapidez en tiempos de verdadera necesidad.

2.7

Decisiones basadas en análisis éticos

65

Por supuesto, hay muchos más sistemas éticos que podrían analizarse y que son pertinentes para la profesión de la ingeniería ambiental, pero debe quedar claro que el pensamiento ético tradicional representa una fuente valiosa de discernimiento en la búsqueda de un estilo de vida personal y profesional.

2.7.2

Ética ambiental y valor instrumental

Todos los sistemas éticos clásicos se han concebido para proporcionar una orientación sobre cómo deberían tratarse los seres humanos entre sí. En resumen, la comunidad moral, o los individuos con quienes necesitamos interaccionar de manera ética, comprende sólo a los seres humanos, y éstos son los únicos agentes morales dentro de la comunidad moral. La acción moral exige reciprocidad en cuanto a que las personas acuerdan tratarse entre sí en una forma mutuamente aceptable. Pero es evidente que no somos los únicos habitantes sobre la Tierra, y ¿no es importante también el modo en que tratamos a los seres que no son humanos, a las plantas o los lugares? ¿La comunidad moral debería ampliarse e incluir a otros animales, plantas, objetos inanimados como piedras, montañas y hasta sitios? De ser así, ¿deberíamos extender también la comunidad moral a nuestra progenie, que está destinada a vivir en el ambiente que le legaremos? Estas preguntas se han debatido y discutido en una búsqueda continua de lo que ha dado en llamarse la ética ambiental, un marco que se ha creado para permitirnos tomar decisiones dentro de nuestro ambiente que conciernan no sólo a nosotros mismos, sino también al resto del mundo. Una aproximación a la formulación de una ética que incorpore el ambiente es considerar los valores como valores instrumentales, que pueden medirse en dólares o en el sustento que la naturaleza ofrece para nuestra supervivencia (por ejemplo, la producción de oxígeno por parte de las plantas verdes). La propuesta del “valor instrumental de la naturaleza” sostiene que el ambiente es útil y valioso para las personas, al igual que otros factores esenciales como la libertad, la salud y las oportunidades. Esta visión antropocéntrica de la ética ambiental, la idea de que la naturaleza está aquí sólo para beneficio de las personas es, por supuesto, antigua. Aristóteles afirmó que: “Las plantas existen para dar alimento a los animales, y los animales para dar alimento a los hombres […] Como la naturaleza no hace nada sin sentido o en vano, todos los animales debieron ser creados por la naturaleza para beneficio del hombre.” En forma similar, Kant incorporó la naturaleza en sus teorías éticas al señalar que nuestras responsabilidades con los animales son indirectas, que en realidad los son para nuestra propia humanidad. Su visión es bastante clara: “En lo que a los animales concierne, no tenemos responsabilidades directas. Los animales no son conscientes y están ahí simplemente como un medio para lograr un fin. Ese fin es el hombre.”11 Así, siguiendo este razonamiento, el valor de los animales se calcula en función de su importancia para las personas. Por ejemplo, no nos gustaría matar a todos los búfalos de las llanuras porque son criaturas bellas e interesantes, y disfrutamos verlas; exterminarlos significaría ocasionar un daño a los seres humanos. Sin embargo, William F. Baxter comenta que nuestra preocupación por “el daño a los pingüinos, a los pinos de azúcar o a las maravillas geológicas es […] sencillamente irrelevante […] Los pingüinos son importantes [sólo] porque las personas disfrutan verlos caminar por las rocas”.12 Podemos estar de acuerdo en que es necesario vivir en un ambiente saludable para disfrutar los placeres de la vida y, por tanto, otros aspectos del ambiente tienen un valor instrumental. Sería posible afirmar que contaminar el agua o el aire, o destruir la belleza natural, es tomar algo que no pertenece a una sola persona. En pocas palabras, esa contaminación constituye un robo hacia los demás. También sería poco ético destruir el ambiente natural porque muchas personas disfrutan salir de excursión a los bosques o navegar en canoas por los ríos, y deberíamos preservarlo para nuestro beneficio. Además, no deberíamos exterminar a las especies

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Capítulo 2 Decisiones en ingeniería porque existe la posibilidad de que, de algún modo, sean útiles para la naturaleza. Una planta oscura o un microbio podrían ser esenciales para la investigación médica en el futuro y no deberíamos privar a otros de ese beneficio. Si bien tiene su mérito la aproximación del “valor instrumental de la naturaleza” a la ética ambiental, también tiene varios problemas. En primer lugar, este argumento no nos impediría matar o torturar animales en el ámbito individual mientras eso no cause daño a las personas. Un mandato así no es compatible con nuestros sentimientos acerca de los animales. Condenaríamos a una persona que ocasione un daño innecesario a cualquier animal que sintiera dolor, y muchos de nosotros hacemos lo posible por prevenir e impedir este tipo de actos. En segundo lugar, esta noción abre un profundo abismo entre los seres humanos y el resto de la naturaleza, con el que la mayoría de la gente se siente muy incómoda. La aproximación antropocéntrica afirma que las personas son los amos del mundo y que pueden usar de manera exclusiva sus recursos para beneficio humano sin consideración por los derechos de las otras especies o de los animales en lo individual. Este pensamiento condujo a la “violación de la naturaleza” en el siglo xix en Estados Unidos, cuyos efectos aún lamentamos. Henry David Thoreau (1817-1862), John Muir (1838-1914) y muchos otros trataron de expresar con palabras lo que muchas personas sentían sobre esa destrucción. Reconocieron que es nuestra alienación del mundo natural, la noción de que la naturaleza sólo tiene un valor instrumental, lo que al final condujo a su destrucción. Sin duda, la valoración de la naturaleza sobre una base puramente instrumental es una aproximación inadecuada para explicar nuestras actitudes hacia el mundo natural.

2.7.3 Ética ambiental y valor intrínseco En razón de estos problemas con el concepto del valor instrumental de la naturaleza como base para nuestras actitudes hacia el ambiente, ha iniciado la búsqueda de algún otro fundamento que incluya a los animales, las plantas y hasta las cosas dentro de nuestra esfera de interés ético. El impulso básico en este desarrollo es el intento de atribuir un valor intrínseco a la naturaleza e incorporar a la naturaleza no humana dentro de nuestra comunidad moral. Esta teoría se conoce como pensamiento ético extensionista, pues trata de ampliar la comunidad moral para que incluya a otras criaturas. Este concepto tal vez es tan revolucionario como el reconocimiento, apenas hace un siglo, de que los esclavos también eran seres humanos y debían incorporarse a la comunidad moral. Aristóteles, por ejemplo, no aplicaba la ética a los esclavos porque, en su opinión, no eran iguales al resto de las personas desde el punto de vista intelectual. Ahora reconocemos que éste era un argumento sin fundamento, y en la actualidad la esclavitud se considera repugnante desde la perspectiva moral. Es posible que en un futuro no demasiado distante la comunidad moral comprenda también al resto de la naturaleza y que se la incluya en nuestra maquinaria de toma de decisiones éticas. Al inicio, la ética ambiental extensionista no fue difundida por un filósofo, sino por un silvicultor. Aldo Leopold (1887-1948) definió la ética ambiental (o, como él la llamaba, la ética de la tierra) como una que “sólo amplía las fronteras de la comunidad para abarcar suelos, aguas, plantas y animales, o colectivamente la tierra”.13 Reconocía que tanto nuestra formación religiosa como secular ha generado un conflicto entre los seres humanos y el resto de la naturaleza. Ésta tenía que domeñarse y conquistarse; era algo poderoso y peligroso contra lo que teníamos que luchar continuamente. Consideraba que una visión racional de la naturaleza nos conduciría a una ética ambiental que “transforme la función del Homo sapiens de conquistador de la comunidad de la tierra en pleno integrante y ciudadano de ella”. Leopold cuestionaba, en realidad, la antiquísima creencia de que los seres humanos somos especiales, que de algún modo no formamos parte de la naturaleza, sino que nos enfrentamos a ella en un combate constante por la supervivencia, y que tenemos la función, concedida

2.7

Decisiones basadas en análisis éticos

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por Dios, de dominarla, como se especifica en el libro del Génesis. Así como los filósofos posteriores (y las personas en general) comenzaron a ver la esclavitud como una institución insostenible, y reconocieron que los esclavos pertenecían a nuestra comunidad moral, es posible que las generaciones venideras reconozcan que el resto de la naturaleza es igualmente importante en el sentido de que tiene derechos. La cuestión de admitir a los seres no humanos en la comunidad moral es polémica y se concentra en establecer si las criaturas no humanas tienen derechos o no. Si es posible argumentar que sí los tienen, entonces hay razón para incluirlas en la comunidad moral. La cuestión de los derechos de los seres no humanos ha recibido respuestas negativas rotundas de muchos filósofos y estos argumentos se basan en la reciprocidad. Por ejemplo, Richard Watson señala que “decir que una entidad posee derechos tiene sentido sólo si ésta puede cumplir con responsabilidades recíprocas, es decir, si puede actuar como un agente moral”.14 Watson dice incluso que la intermediación moral exige ciertas características (como conciencia de la propia identidad, capacidad de actuar, libre albedrío y una comprensión de los principios morales) y que la mayor parte de los animales no cumple con ninguno de estos requisitos, de modo que no pueden ser agentes morales y, por consiguiente, no pueden ser integrantes de la comunidad moral. H. J. McClosky insiste en que “donde no hay posibilidad de una acción [moralmente autónoma], potencial o real […] y donde el ser no es miembro de una especie que es normalmente capaz de [tal] acción, dejamos de hablar de derechos”.15 En consecuencia, no es razonable extender nuestra comunidad moral para incluir a otros seres que no sean los seres humanos debido al requisito de la reciprocidad. Pero, ¿la reciprocidad es el criterio más apropiado para la admisión en la comunidad moral? ¿No incluimos ya dentro de nuestra comunidad moral a los seres humanos que no pueden corresponder de manera recíproca (niños, personas de edad avanzada o en estado de coma, nuestros ancestros e incluso las futuras personas)? Tal vez cometemos una vez más el error de Aristóteles con nuestras prácticas excluyentes. Quizás el hecho de ser humano no sea una condición necesaria para la inclusión en la comunidad moral y otros seres tengan derechos que los humanos poseen. Estos derechos tal vez no sean algo que necesariamente les demos, sino los derechos que poseen en virtud de ser. John Locke16 (1632-1704) y Thomas Hobbes17 (1588-1679), quienes sostenían que los derechos a la vida, la libertad y la propiedad deberían ser de todos, propusieron en el siglo xvii el concepto de los derechos naturales inherentes a todos los seres humanos, al margen de la condición social.* Estos son derechos naturales en cuanto a que nosotros como seres humanos no podemos dárselos a otros seres humanos o nos los daríamos a nosotros mismos, lo cual no tiene sentido. Por tanto, todos los seres humanos están “dotados de derechos inalienables” que no emanan de ningún dador humano. Si esto es verdad, entonces no hay nada que impida que los animales tengan “derechos inalienables” por el simple hecho de ser, como sucede en el caso de los seres humanos: a existir, a vivir y prosperar en su propio ambiente y a que los seres humanos no se los nieguen en forma innecesaria o gratuita. Si coincidimos en que los seres humanos tienen derecho a la vida, la libertad y la ausencia de dolor, entonces parecería razonable que los animales, que experimentan sensaciones parecidas, posean derechos similares. Con éstos se deriva la intermediación moral, independiente del requisito de la reciprocidad. El constructo completo de la reciprocidad es, por supuesto, un concepto antropocéntrico que sirve muy bien para mantener a los otros fuera de nuestro club privado. Si abandonamos ese requisito, es posible admitir a otros seres además de los humanos en nuestra comunidad moral.

* En el nuevo Estados Unidos, la revolución proclamó la vida, la libertad y la búsqueda de la felicidad, una modificación para sortear el agudo problema de los esclavos como hombres y propiedad.

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Capítulo 2 Decisiones en ingeniería Pero si abrimos la puerta, ¿qué dejaremos entrar? ¿Qué puede incluirse en forma legítima en nuestra comunidad moral o, dicho en forma más burda, dónde marcaremos la raya? Si la comunidad moral se amplía, muchos coinciden en que debe ser sobre la base de la sensibilidad, o la capacidad para experimentar el dolor. Este argumento señala que todos los animales sensibles tienen derechos que exigen nuestro interés. Algunas teorías éticas clásicas han reconocido que el sufrimiento animal es un mal. Jeremy Bentham, por ejemplo, sostiene que el bienestar animal debería tomarse en cuenta de algún modo en el cálculo de costo/beneficio utilitario porque “la cuestión no es si ¿razonan? o ¿hablan?, sino si ¿sufren?”18 Peter Singer considera que un animal es de valor sólo porque valora su propia vida, y la sensibilidad es lo importante, no la capacidad para razonar. La igualdad es el núcleo de la filosofía de Singer, y éste considera que todas las criaturas sensibles tienen el mismo derecho a la vida. La sensibilidad, la capacidad para tener experiencias conscientes, como el dolor y el placer, es “el único límite definible importante para los intereses de los demás”.19 Sin embargo, la inclusión del sufrimiento animal en nuestro círculo de interés abre una caja de Pandora llena de problemas. Si bien seríamos capaces de argüir con cierto vigor que el sufrimiento es un mal y que no deseamos infligir un daño a ningún ser vivo que sufre, no sabemos con certeza qué animales (o plantas) sienten dolor; por tanto, no estamos seguros de qué debería incluirse. Podemos suponer con justa certeza que los animales superiores sienten dolor porque sus reacciones se parecen a las nuestras: un perro aúlla y un gato chilla y trata de detener la fuente del dolor. Nadie que haya puesto un gusano en un gancho podría negar el hecho de que quizá sienta dolor. Pero ¿qué pasa con las criaturas que no nos muestran que lo experimentan? ¿Una mariposa lo siente cuando se le clava un alfiler en el cuerpo? Un problema aún más difícil es el reino vegetal. Algunas personas insisten en que las plantas sienten cuando se les lastima y que nosotros somos demasiado insensibles para reconocerlo. Si nos valemos de la aproximación utilitaria, tenemos que calcular la cantidad de dolor que sienten los animales y los seres humanos. Si, por ejemplo, un ser humano necesita el pelaje de un animal para mantenerse caliente, ¿es aceptable causar sufrimiento al animal para impedir el del ser humano? A todas luces es imposible incluir estas variables en el cálculo utilitario. Si no nos enfocamos sólo en el dolor y el placer que sienten los animales, entonces es necesario reconocer que su derecho a evitar el dolor es equivalente al de los seres humanos, o hacer de algún modo una lista y una clasificación de los animales a fin de especificar qué derechos tienen y en qué circunstancias. En el primer caso, atrapar animales y torturar prisioneros son hechos que tendrían una importancia moral equiparable. En el segundo, sería necesario decidir que la vida de una cría de halcón es menos importante que la de un polluelo, etc., y hacer una cantidad infinita de comparaciones. Por último, si esa es la extensión de nuestra ética ambiental, no seríamos capaces de abogar por la preservación de lugares y ambientes naturales, excepto en cuanto a cómo podrían afectar el bienestar de las criaturas sensibles. Poner una represa en el Gran Cañón sería aceptable si adoptáramos el criterio del animal sensible como nuestra única ética ambiental. Por tanto, parece que no es posible establecer una línea en términos de la sensibilidad, y el siguiente paso lógico es sólo incorporar a toda la vida dentro de los pliegues de la comunidad moral. Este paso no es tan atroz como parece. Albert Schweitzer, quien comentó que esta ética era una “reverencia hacia la vida”, desarrolló la idea. Llegó a la conclusión de que limitar la ética a las interacciones humanas es un error y que una persona es ética “sólo cuando la vida, como tal, es sagrada para ella, se trate de la de las plantas y los animales o de la de su compañero humano”.20 Schweitzer consideraba que una persona ética no causaría daño de manera maliciosa a algo que crece, sino que existiría en armonía con la naturaleza. Por supuesto reconocía que, para comer, los seres humanos deben sacrificar a otros organismos, pero sostenía

2.7

Decisiones basadas en análisis éticos

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que esto debía hacerse con compasión y con un sentido de sacralidad hacia toda la vida. Para él, los seres humanos son sólo una parte del sistema natural. Charles Darwin quizá sea el responsable de que se haya aceptado la noción de que los seres humanos no son diferentes del resto de la naturaleza en el aspecto cualitativo. Si en efecto evolucionaron a partir de criaturas menos complejas, son diferentes del resto de la vida únicamente en términos cuantitativos y no cualitativos, y constituyen otro eslabón más en la larga cadena de la evolución. Como Janna Thompson indica: “La teoría de la evolución, si se entiende debidamente, no nos coloca en el pináculo del desarrollo de la vida en la Tierra. Nuestra especie es un producto de la evolución entre muchos otros.”21 De igual modo, Paul Taylor22 sostiene que todos los seres vivos tienen un bien intrínseco en sí mismos y, por tanto, merecen que se les incluya en la comunidad moral. Señala que todos los organismos vivos tienen un valor inherente, y tan pronto como admitamos que los seres humanos no somos superiores, reconoceremos que toda la vida tiene derecho a la protección moral. Lo que él denomina el punto de vista biocéntrico depende del reconocimiento de la pertenencia común de todos los seres vivos a la comunidad de la Tierra, que cada organismo es un centro de vida y que todos los organismos están interrelacionados. Para Taylor, los seres humanos no son más o menos importantes que otros organismos. Esta aproximación a la ética ambiental tiene mucho atractivo y muy pocos detractores. Por desgracia, no logra convencer en varios aspectos. En primer lugar, no hay forma de determinar dónde debería trazarse en realidad la línea entre lo vivo y lo inerte. Los virus representan en este caso el mayor problema, y de aceptarse las ideas de Taylor, el virus de la poliomielitis también podría incluirse en la comunidad moral. Janna Thompson23 señala, con base en la mayoría de los argumentos de esta postura, que tampoco hay algo que nos impida excluir a los órganos (como el hígado o los riñones) de pertenecer a la comunidad moral. En segundo lugar, el problema de cómo ponderar el valor de la vida animal en relación con la vida de los seres humanos no está resuelto. ¿La vida de todas las criaturas debería ser igual y, por tanto, una humana es igual a la de cualquier otra criatura? De ser así, aplastar una cucaracha sería de la misma trascendencia moral que el asesinato de un ser humano. Si esto resulta poco factible, entonces una vez más debe haber alguna escala de valores, y cada criatura viva debe tener un espacio en esa jerarquía de valores otorgada por los seres humanos. Si se construyera esa jerarquía, ¿cómo se determinaría el valor de la vida de diversos organismos? ¿El de los microorganismos es igual que el de los osos polares? ¿La lechuga tiene el mismo orden de importancia que la gacela? Una clasificación así también presentaría dificultades imposibles para determinar qué merece protección moral y qué no. “Tú, amiba, entras; tú, paramecio, quedas fuera, lo siento.” Esto sencillamente no puede calcularse. Trazar la línea de la inclusión de toda vida en la comunidad moral, por tanto, parece ser algo indefendible. Una forma de eliminar la objeción de saber dónde trazar la línea es extenderla para incluir, dentro del círculo del interés moral, todo lo que es importante para el sistema dentro del cual existen los individuos. A Aldo Leopold se le reconoce la idea inicial de una ética ambiental ecocéntrica. Propuso que los ecosistemas deben preservarse porque sin ellos nada sobrevive. Afirmó que “algo es correcto cuando preserva la integridad, la estabilidad y la belleza de la comunidad biótica. Es incorrecto cuando tiende hacia un sentido diferente”. Val y Richard Routley24 y Holmes Rolston III25 reconocen que, en la ética ambiental ecocéntrica, algunas criaturas (como una familia) tienen prioridad sobre otras (como los extranjeros), y que los seres humanos tienen prioridad sobre los animales. Conciben la ética como un sistema de anillos concéntricos, donde las entidades morales más importantes se ubican en el centro y en los anillos que se extienden hacia fuera se incorporan otros a la comunidad moral, pero en niveles decrecientes de protección moral. La cuestión de cómo deben clasificarse las

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Capítulo 2 Decisiones en ingeniería diversas criaturas y lugares en la Tierra en términos de su valor moral no se resuelve y, en efecto, corresponde a las personas realizar la valoración. Una vez más este proceso se centra, por supuesto, en el ser humano, y la ética ambiental ecocéntrica es una forma de ética ambiental antropocéntrica con límites difusos. Tom Regan presenta un concepto similar como un principio de preservación de “no destrucción, no interferencia y, en general, no intromisión”.26 Una corriente de pensamiento que adopta esta idea es el movimiento de la ecología profunda. Su partidario más notable es Arne Naess, quien propone que en la naturaleza los seres humanos no son más importantes que otras criaturas o el resto del mundo.27 La ecología profunda se concentra en la idea de que los seres humanos forman parte de todo el cosmos y están formados por la misma materia que todo lo demás; por tanto, deberían vivir de modo que respeten toda la naturaleza y reconocer el daño que el Homo sapiens ha causado al planeta. Los ecologistas profundos exigen una reducción gradual de la población humana lo mismo que cambios en el estilo de vida a fin de que se utilicen muchos menos recursos. La ecología profunda, denominada así para distinguirla de la filosofía de “los ecologistas frívolos”, quienes valoran la naturaleza en forma instrumental, elimina el problema de dónde trazar la línea respecto a los que entran y los que quedan fuera de nuestra comunidad moral porque se incluye a todos y nada, pero nos presenta una vez más la necesidad de valorar toda la naturaleza por igual, por lo que regresamos a nuestro problema original de juzgar todo por medio de normas humanas.*

2.7.4 Ética ambiental y espiritualidad Hay una tercera aproximación a la ética ambiental: reconocer que somos, al menos en la actualidad, incapaces de explicar de manera razonable nuestras actitudes hacia el ambiente y que estas actitudes se experimentan de modo profundo, en una forma que no es distinta a un sentimiento de espiritualidad. ¿Por qué no admitimos sencillamente que estas actitudes se basan en la espiritualidad? Esta sugerencia tal vez no sea tan atroz como parecería a primera vista (¡pero sin duda lo es en un libro de texto de ingeniería!). Aunque nos basamos en la cultura occidental, existen otras culturas cuyas aproximaciones a la naturaleza pueden resultar ilustrativas. Muchas otras religiones, incluidas las de los indígenas americanos, son animistas: reconocen la existencia de espíritus dentro de la naturaleza. Estos espíritus no adquieren la forma humana, como en las religiones griega, romana y judaica. Sólo están dentro del árbol, el arroyo o el cielo. Es posible estar en íntima comunión con ellos: hablarles, sentirse cerca de ellos. ¿Es demasiada exageración esperar que las personas en el futuro vivan en armonía con el mundo porque experimentarán, en palabras de Wendell Berry, una “peregrinación secular”?28 John Stewart Collis tenía una visión optimista de nuestro futuro. A este respecto escribió:29 Tanto el politeísmo como el monoteísmo hicieron su labor. Las imágenes están rotas; se ha derrocado a todos los ídolos. Ahora se considera que esta época es muy poco religiosa. Pero tal vez sólo significa que la mente pasa de un estado a otro. La siguiente etapa no es una creencia en muchos dioses. No es una creencia en un solo dios. No es una creencia en absoluto, ni una concepción en el intelecto. Es una extensión de la conciencia para que podamos sentir a Dios.

Se ha publicado una versión de la Biblia cristiana, la Biblia ecológica. Resalta en tinta verde los versos que refuerzan el mensaje de la importancia de cuidar la Tierra. * Es muy desafortunado que designemos a los organismos como “superiores” o “inferiores”, con la connotación superlativa o peyorativa que esto supone. Es claro que una lombriz hace muy bien lo que se supone que debe hacer, lo mismo que el guepardo. Sería muy difícil que los seres humanos se movieran como aquéllas por la tierra o que atraparan como éstos a un antílope que corre. Sí, podemos construir máquinas para hacer esas cosas, pero eso se debe a nuestra capacidad de pensamiento. Carecemos de muchas otras habilidades y, por tanto, no podemos afirmar que somos superiores a las otras criaturas. De igual modo, es un sinsentido hablar de un guepardo como superior y una lombriz como inferior.

2.8

Continuidad en las decisiones de la ingeniería

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Es muy posible que la opción espiritual sea la que menos probabilidades tenga de resistir el escrutinio racional. Sin embargo, ¿acaso esto no explica mejor cómo nos sentimos hacia la naturaleza? ¿Cómo entender por qué algunas personas “tal vez eviten hacer un ruido innecesario en el bosque por respeto al mismo y a sus habitantes no humanos”30 si eso no se explica con base en sentimientos espirituales? No es en absoluto obvio por qué debemos tener actitudes de protección y cuidado hacia un organismo o ser sólo cuando estas actitudes son correspondidas. Tal vez dependemos de la idea de la aceptación en la comunidad moral, y el obstáculo puede librarse si la concebimos como la inclusión de todos los seres en una comunidad de interés. En esta comunidad no se necesita la reciprocidad; lo importante es amar y cuidar de los otros simplemente por su presencia en la comunidad de interés. La cantidad de amor y cuidado es proporcional a la capacidad para darlos y no exige nada a cambio.

2.7.5

Observaciones finales

Un aspecto de la ingeniería ambiental como profesión (que a menudo no se menciona, como si nos avergonzara) es que el ingeniero ambiental está entregado a una misión que en verdad vale la pena: él es el epítome de la solución en contraposición al problema, y deberíamos sentirnos bien al respecto. Nuestro cliente, en el sentido más amplio, es el ambiente mismo, y nuestro objetivo es preservar y proteger nuestro hogar global por el bien de nuestra progenie y por la Madre Naturaleza misma.

2.8 CONTINUIDAD EN LAS DECISIONES DE LA INGENIERÍA Los métodos para la toma de decisiones que los ingenieros tienen a su disposición van desde los más objetivos (técnicos) hasta los más subjetivos (éticos). El método inherente a la toma de decisiones es el mismo en todos los casos; el problema se analiza primero, se separa y aprecia desde muchas perspectivas. Cuando todas las cifras se han incluido y se han evaluado las variables, la información se sintetiza en una solución. Luego esta última se considera de manera integral para ver si tiene sentido o, acaso lo más importante, si se percibe como algo correcto. Este proceso es cierto especialmente en el caso de las decisiones éticas, en las que pocas veces hay cifras de comparación. Cuando la toma de decisiones relacionadas con la ingeniería se extiende de lo técnico a lo ético, éstas se vuelven cada vez menos cuantitativas y se someten a los gustos, prejuicios e intereses personales de quien las toma. ¿Es razonable señalar que en algún momento las decisiones dejan de relacionarse en realidad con la ingeniería? No pocos ingenieros destacados han afirmado con elocuencia que las únicas que en verdad se asocian con la ingeniería son las de carácter técnico, y los demás intereses deben dejarse en manos de una persona no especificada que toma las decisiones, para quien el ingeniero trabaja y quien quizá tenga la formación y los antecedentes para tomar decisiones de las que tal vez el ingeniero no sea capaz y, sin duda, responsable. Una visión así, por supuesto, libera a usted, el ingeniero, de todo juicio (no técnico) y lo convierte en un verdadero autómata que trabaja a instancias de su cliente o empleador. De acuerdo con este argumento, las consecuencias sociales de sus actos (la forma en que influyen en la sociedad en su conjunto) son de poco interés siempre que su cliente o empleador esté debidamente atendido. Por fortuna, la mayoría de los ingenieros no acepta una evasión así de los problemas. Reconocemos que la ingeniería, acaso más que otras profesiones, puede marcar la diferencia. Los proyectos que comprenden un cambio o una manipulación ambiental necesitarán de modo invariable los servicios del ingeniero profesional. Por tanto, todos estamos obligados desde

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Capítulo 2 Decisiones en ingeniería el punto de vista moral, acaso como los engranajes indispensables en la rueda del progreso, a buscar las mejores soluciones no sólo en el aspecto técnico, sino también en forma económica y ética.

PROBLEMAS 2.1 Chapel Hill, Carolina del Norte, ha decidido construir un conducto de agua sin depurar de 15 millas (24.14 kilómetros) que le permita comprar agua de Hillsborough, Carolina del Norte, durante las épocas de sequía. El ingeniero ha recomendado que se construya un conducto de 16 pulgadas (40 centímetros). La base de la decisión es la siguiente:

Diámetro (pulg)

Costo del conducto en el suelo ($/pie)

Costo de capital de la estación de bombeo

Costo de energía esperado anual

La tasa de interés es de 8%; la vida esperada es de 20 años. a) Compare las cuatro opciones sobre la base del costo anual. b) Si se paga al ingeniero sobre la base de 6% del costo de capital del trabajo total, ¿qué opción recomendaría si basara todas las decisiones en una ética hedonista? c) ¿Quiénes consideraría el ingeniero que son los “clientes” en esta situación? Defienda cada opción en algunos enunciados. 2.2 La planta de energía nuclear de la localidad ha decidido que el mejor lugar para almacenar sus residuos nucleares de alto nivel (pequeños en volumen pero bastante radiactivos) sería en un campo desocupado contiguo al campus de la universidad en la que usted estudia. Proponen construir naves de almacenamiento debidamente protegidas para que el nivel de radiactividad en los límites del sitio sea igual a la radiación de fondo, y utilizar estas naves durante los próximos 20 años. La planta de energía da servicio

a una población de 2 millones de habitantes, y en la actualidad cuesta a la compañía de energía 1.2 millones de dólares al año eliminar el combustible gastado en el estado de Washington. Construir el nuevo complejo costará 800,000 dólares y operarlo 150,000 dólares anuales. El sector de energía paga una tasa de interés de 8% por el dinero tomado en préstamo. La compañía de energía está dispuesta a pagar a la universidad 200,000 dólares anuales por concepto de renta. a) ¿La compañía de energía se ahorrará dinero? b) Si usted fuera el rector de la universidad, decida si éste es un esquema aceptable utilizando para ello: a) b) c) d) e)

Un análisis de rentabilidad Un análisis de costo/beneficio Un análisis de riesgo Un análisis de impacto ambiental Un análisis ético

Si necesita información adicional, suponga valores y condiciones razonables. 2.3 La siguiente información sobre costos se calculó en el caso de una propuesta de construcción de una casita para aves. Costos

Beneficios

La vida esperada de la casita para aves es de 2 años. Suponga un interés de 6%. Calcule la razón de costo/beneficio. ¿Debe construir usted la casita para aves?

Problemas 2.4 Una definición de contaminación es la interferencia excesiva con otro uso benéfico. Sobre la base de esta definición, defienda el uso de un arroyo como conducto para la eliminación de aguas residuales. Utilice cualquiera de las herramientas para la toma de decisiones que se presentaron en este capítulo. Luego argumente en contra de esta definición. 2.5 Se ha asignado a usted la responsabilidad de diseñar un gran troncal de alcantarillado. La trayectoria del mismo pasará por un arroyo que se utiliza como sitio recreativo. Se trata de un lugar popular para realizar comidas campestres y los voluntarios han construido senderos ecológicos a sus orillas, además de que la comunidad local quiere convertirlo a la larga en parte del sistema de parques estatal. El troncal alterará terriblemente el arroyo, destruirá su ecosistema y lo volverá poco atractivo para la recreación. ¿Qué pensamientos tendría usted sobre esta tarea? Redacte una entrada de diario como si llevara un diario personal. 2.6 ¿Atropellaría usted con intención a una tortuga terrapene que trata de cruzar una carretera? ¿Por qué sí o por qué no? Presente un argumento para convencer a los demás de que su planteamiento es correcto. 2.7 Usted ha decidido iniciar un rancho para la cría de demonios de Tasmania. (Tal vez desee investigar un poco sobre estas extrañas criaturas.) Su rancho se ubicará en un barrio residencial y usted ha descubierto que la ordenanza no señala nada sobre la cría de demonios de Tasmania, de modo que usted considera que su rancho estará dentro de la legalidad. Usted proyecta vender los demonios de Tasmania al operador de un vertedero local, quien los utilizará como carroñeros. Exponga su decisión desde el punto de vista: a) Del costo/beneficio para usted b) Del riesgo para usted y los demás c) Del impacto ambiental 2.8 La autoridad responsable del agua en una pequeña comunidad sostiene que se necesitan una

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presa y un lago nuevos, y presenta una estimación inicial de los costos de construcción por 1.5 millones de dólares. La autoridad calcula un beneficio (recreación, turismo, suministro de agua) de 2 millones de dólares. La comunidad acepta el proyecto y emite bonos para pagar la construcción. Sin embargo, conforme ésta avanza y luego de que se ha gastado ya un millón de dólares, se hace evidente que la presa en realidad costará 3 millones, y el costo extra se debe a órdenes de cambios y problemas no previstos que no son responsabilidad del contratista. La mitad de la presa terminada se destina al uso de la comunidad y se necesitan 1.5 millones de dólares como fondo adicional para finalizar el proyecto. Utilice el análisis de costo/beneficio para argumentar si la comunidad debería continuar con este proyecto. 2.9 Mencione un proyecto del Departamento de la Defensa en el que no se haya utilizado la técnica descrita en el problema 2.8 para abogar por su terminación. 2.10 Con frecuencia las decisiones de la ingeniería afectan a las personas de la siguiente generación, e incluso de varias generaciones más. Hay un puente importante que acaba de celebrar su centésimo aniversario y es posible que pueda mantenerse en pie durante otro siglo más. Este puente es nada en comparación con algunas de las proezas de la ingeniería romana, por supuesto. Las decisiones en ingeniería, como la eliminación de residuos nucleares, también afectan a las futuras generaciones pero en un sentido negativo. Heredamos este problema a nuestros hijos, sus hijos e incontables generaciones. Pero, ¿esto debería preocuparnos? Después de todo, ¿qué han hecho las futuras generaciones por nosotros? Los filósofos han enfrentado el problema de la preocupación por las futuras generaciones, pero sin mucho éxito. A continuación aparece una lista de algunos argumentos que se encuentran en la bibliografía sobre por qué no deberíamos preocuparnos por las futuras generaciones. Piense en ellos y elabore otros contrarios si usted discrepa con aquéllos. Prepárese para discutir esto en clase.

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Capítulo 2 Decisiones en ingeniería No tenemos por qué preocuparnos por las futuras generaciones: a) Estas personas ni siquiera existen, así que no gozan de ningún derecho como la consideración moral. No podemos permitir reclamos morales de personas que no existen y que quizá ni siquiera lleguen a existir. b) No tenemos idea de lo que las futuras generaciones quieran y cuáles sean sus problemas, así que no tiene sentido planificar por ellas. Conservar (no usar) los recursos no renovables por si acaso los necesitan tampoco tiene sentido. c) Si habrá personas en el futuro, no tenemos idea de cuántas sean, así que, ¿cómo planificar por ellas? d) Las generaciones futuras estarán mejor que las anteriores en razón de los progresos tecnológicos, así que no tenemos una obligación moral hacia ellas. e) Si descontamos el futuro, descubrimos que las reservas de recursos son de poco uso para las generaciones por venir. Por ejemplo, si un barril de petróleo costará, digamos 100 dólares, dentro de 50 años, ¿cuánto cuesta ese barril en la actualidad? Suponga una tasa de interés de 5%. Sin duda, a partir de su respuesta, no tiene sentido conservar hoy un barril de petróleo que sólo vale los centavos que usted calculó.

2.11 Un libro particularmente rimbombante que describe el movimiento ambientalista como una partida de papanatas es Disaster Lobby.31 El capítulo 6 comienza con este enunciado: “Desde 1802, el Cuerpo de Ingenieros del Ejército de Estados Unidos ha estado muy ocupado ayudando a dar forma a un ambiente habitable, seguro y seco en relación con el páramo salvaje y hostil que otrora era Norteamérica.” Considere el lenguaje empleado en ese enunciado y redacte un análisis de una página sobre los valores que tenía el autor. 2.12 Los cloruros entran en los Grandes Lagos a partir de la actividad humana, pero la fuente más importante es la sal que se arroja en las

calles durante el invierno a fin de lograr que sean seguras para conducir. Las concentraciones elevadas de cloruros (agua salada) son perjudiciales para el ecosistema acuático. Si los Grandes Lagos tuvieran niveles de cloruro de >20 mg/L, ¿por qué esto constituiría un problema? ¿Qué usos del lago se verían amenazados por concentraciones de cloruro tan elevadas? ¿Cómo considera usted que cambiarán los lagos como resultado de esas concentraciones tan altas de cloruro? Suponga que usted es el ingeniero ambiental en jefe a cargo de la Comisión conjunta entre Estados Unidos y Canadá para la Calidad del Agua en los Grandes Lagos. Tiene que establecer límites para los cloruros en el agua, reconociendo que aquellos que usted establezca serían mucho menores a los 20 mg/L y que se necesitarían cambios en el estilo de vida humana si la concentración de cloruro tiene que permanecer por debajo de estos estándares. ¿Qué decisiones tomaría usted? (Tal vez haya más de un tipo y no hay una respuesta “correcta” única a esta pregunta.) 2.13 Una de las opciones para las plantas de energía alimentadas con combustibles fósiles es construir presas en los ríos y utilizar la energía del agua para generar electricidad. Suponga que trabaja para una compañía de energía y debe tomar la decisión de construir uno de tres complejos nuevos: una gran presa en un río escénico, una planta de energía alimentada con carbón o una central de energía nuclear. Suponga que las tres plantas producirían aproximadamente la misma cantidad de electricidad, pero la nuclear es la más costosa, seguida por la presa y al final la alimentada por carbón. ¿Qué factores se considerarían y qué tipo de decisiones es probable que tome la dirección de la compañía de energía para definir qué planta construir? ¿Por qué? 2.14 Una planta de tratamiento de aguas residuales de una ciudad descarga su efluente en un arroyo, pero el tratamiento es inadecuado. Usted está a cargo de las obras públicas de la ciudad y contrata a una asesora especializada en ingeniería para que evalúe el problema y ofrezca soluciones. Ella estima que ampliar la capaci-

Problemas dad de la planta de tratamiento para alcanzar la calidad del efluente necesaria será una propuesta costosa. Determina que la ciudad puede cumplir con la norma de calidad del agua río abajo si construye una gran esclusa receptora para el efluente de la planta (descarga) y contiene las aguas residuales tratadas durante la época de secas (flujo del río bajo) y las descarga sólo durante los flujos de agua abundantes (época de lluvias). La cantidad de contaminación orgánica descargada seguiría siendo la misma, por supuesto, pero se cumplirían las normas para el arroyo y la calidad del agua del río sería aceptable para la vida acuática y la ciudad resolvería la difícil situación. Su asesora en ingeniería realizó algunos cálculos antes de hacer su recomendación, por supuesto. El costo de aumentar la capacidad de la planta es de 1.5 millones de dólares y el de la esclusa receptora es de 1.8 millones de dólares. El costo de operación anual de la expansión de la planta de tratamiento es de 400,000 dólares y el costo de operación del estanque receptor es de 100,000 dólares. La ciudad puede obtener un préstamo a una tasa de interés de 6%; la vida esperada de la expansión de la planta de tratamiento es de 10 años y la del estanque receptor es de 20 años. Sobre la base de la economía únicamente, ¿la ingeniera está en lo correcto? ¿Recomendaría usted esta solución al consejo de la ciudad? ¿Qué tipo de decisiones tomaría usted para determinar su recomendación final? 2.15 Un agricultor que tiene un pozo para irrigar sus campos lo contrata como asesor y le pregunta si puede extraer más agua de la que obtiene en la actualidad. Con honestidad usted responde que sí, puede hacerlo, pero que las reservas subterráneas se agotarán y los pozos de sus vecinos tal vez se sequen. Él le pregunta que si sería posible que alguien se percatara de que extrae por encima de la tasa máxima y usted, de nuevo, le dice con toda sinceridad que es poco probable que alguien se dé cuenta. Entonces él le comenta que proyecta duplicar la tasa de extracción tanto como pueda, y que cuando el agua se agote, abandonará la granja y se mudará a Florida. Al parecer usted es la única persona que conoce los planes del agricultor.

75

Al conducir de regreso a casa toma una decisión al respecto. ¿Qué tipo de decisión tomará y cómo lo hará? 2.16 La ingeniera Diane trabaja para una gran compañía consultora internacional contratada por un organismo federal para que coadyuve en la construcción de un gasoducto en Arizona destinado a la conducción de gas natural. Su labor consiste en diseñar la línea central del conducto de acuerdo con los planes que se desarrollaron en Washington. Al cabo de algunas semanas en el puesto se le acercan los líderes de una aldea navajo local y le dicen que la línea de gas atravesará, según parece, un antiguo cementerio navajo sagrado. Ella revisa el mapa y explica a los líderes que, en el estudio territorial inicial no se identificó ningún cementerio. “Sí, aunque el cementerio no se ha utilizado recientemente, nuestro pueblo cree que en tiempos antiguos éste era un camposanto aunque no podamos comprobarlo. Lo que importa no es que se demuestre por medio de excavaciones arqueológicas que éste fue en efecto un cementerio, sino más bien que el pueblo cree que lo fue. Por tanto, nos gustaría que se modificara el trazo del conducto para que se evitara la montaña.” “No puedo hacer eso. Necesito recibir la aprobación de Washington. Y cualquier cosa que se haga costaría muchísimo dinero. Les sugiero que no continúen con esto”, responde Diane. “Ya hablamos con los de Washington, y como dice usted, insisten en que sin pruebas arqueológicas no pueden aceptar la presencia del cementerio. Sin embargo, para nuestro pueblo esa tierra es sagrada. Nos gustaría que usted trate una vez más de desviar el conducto.” “Pero el conducto estará oculto bajo la tierra. Una vez que se termine la construcción, se restablecerá la vegetación y ustedes podrán olvidar que está ahí”, sugiere Diane. “Oh, sí. Sabremos que está ahí. Y nuestros ancestros también lo sabrán.” Al día siguiente, Diane habla por teléfono con Tom, su jefe en Washington, y le comenta sobre la visita de los navajo. “Ignóralos”, le aconseja Tom.

76

Capítulo 2 Decisiones en ingeniería “No puedo ignorarlos. Ellos en realidad sienten que su tierra sagrada se profana con el gasoducto”, responde Diane. “Si vas a ser tan sensible ante cada capricho y deseo de todos los grupos de presión, tal vez no debas estar en ese puesto”, comenta Tom. ¿Qué responsabilidad tienen los ingenieros respecto a la actitud pública? ¿Deberían tomar en cuenta los sentimientos del público o deberían basarse sólo en datos duros e información cuantitativa? ¿Debería Diane decirles simplemente a los líderes navajo que llamó a Washington y que por desgracia el trazo no puede modificarse? Si ella considera que se ha tratado al pueblo navajo de manera injusta, ¿qué cursos de acción se le presentan? ¿Cuánto debería arriesgarse? Responda estas preguntas redactando un trabajo de dos cuartillas en el que analice la ética de este caso.

2.17 La elección de lo que los científicos estudian es tema de un ensayo magistral de León Tolstoi, “Las supersticiones de la ciencia”, que se publicó en un inicio en 1898.32 El autor narra como …un trabajador simple y sensible sostiene en forma anticuada y sensible que si la gente que estudia durante toda su vida y, a cambio de la comida y sustento que él les da, piensa por él, entonces esos pensadores probablemente se ocupen de lo que es necesario para la gente, y él espera que la ciencia dé solución a esas preguntas de las que depende su bienestar y el bienestar de toda la gente. Espera que la ciencia le enseñe cómo vivir, cómo actuar con los miembros de su familia, con sus vecinos, con los extranjeros; cómo luchar con sus pasiones, en qué debería o no creer, y mucho más. ¿Y qué le dice nuestra ciencia sobre todas estas interrogantes? Ésta le informa majestuosamente a cuántos kilómetros está el Sol de la Tierra, cuántos millones de vibraciones etéreas por segundo constituyen la luz, cuántas vibraciones en el aire hacen el sonido; le cuenta de la constitución química de la Vía Láctea, del nuevo elemento llamado helio, de los microorganismos y su tejido de desecho, de los puntos en la mano en los que se concentra la electricidad, de los rayos X, etc. Pero, protesta el trabajador, necesito saber ahora, en esta generación, las respuestas relacionadas con cómo vivir.

Hombre tonto e ignorante, responde la ciencia, él no entiende que la ciencia no atiende a otra utilidad más que la ciencia misma. La ciencia estudia lo que se le presenta para estudio y no elige los temas de estudio. La ciencia estudia todo. Este es el carácter de la ciencia. Y los hombres de ciencia están convencidos realmente de que esta cualidad de ocuparse de nimiedades y desatender lo que es más real e importante es una cualidad no de ellos, sino de la ciencia; pero la persona simple y sensible empieza a sospechar que esta cualidad no pertenece a la ciencia, sino a las personas que se inclinan a ocuparse de nimiedades y a atribuir a estas nimiedades una gran importancia.

En la formulación y planificación de su carrera como ingeniero y no como científico, ¿cómo respondería usted a Tolstoi? 2.18 Lea el segundo capítulo del Génesis. En un trabajo de una cuartilla, exprese sus pensamientos en relación con el concepto de “administración” de la ética ambiental. 2.19 ¿Cómo estimaría usted los datos necesarios para el ejemplo 2.1? 2.20 En la sección 2.2 aparece el enunciado siguiente: “Obviamente, la opción del costo total más bajo (en razón de todos los datos sobre los costos) sería la decisión más razonable”. ¿Qué se entiende por “todos los datos sobre los costos”? 2.21 Usted, como ingeniero de la ciudad, revisa el trabajo de Chris, el nuevo empleado del Departamento de Obras Públicas, quien realizó los cálculos del ejemplo 2.2 para que usted los utilice en su presentación ante el consejo de la ciudad. ¿Está de acuerdo o en desacuerdo con los cálculos de Chris? 2.22 ¿Marcará alguna diferencia en su análisis de riesgo si esa persona en un millón que posiblemente resulte perjudicada fuera usted o alguien que ama? 2.23 Haga una lista de otros impactos que podrían incluirse en el ejemplo 2.9.

Notas finales

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NOTAS FINALES 1. Gray, R. G. (2000). Carta al editor: Education system isn’t working. ASCE News, 25, núm. 9:8. 2. La historia se atribuye a Garrett Hardin, Tragedy of the commons, Science, 162 (1968, diciembre). 3. MacLean, D. (1986) (ed.) Values at Risk. Totowa, NJ: Rowman and Littlefield. 4. National Research Council (NRC) (1983). Risk Assessment in the Federal Government: Understanding the Process, Washington DC: National Academy Press. 5. O’Brien, Mary (2000). Making Better Environmental Decisions: An Alternative to Risk Assessment. Cambridge, MA: MIT Press. 6. California Green Chemistry Initiative Final Report (2008, diciembre). California Environmental Protection Agency. Disponible en http:// www.dtsc.ca.gov/PollutionPrevention/GreenChemistryInitiative/index.cfm, 8 de enero de 2009. 7. Disponible en http://www.epa.gov/dfe/pubs/flameret/ffr-alt.htm, septiembre de 2008. 8. Disponible en http://www.cleanproduction.org/ library/Green%20Screen%20Report.pdf, septiembre de 2008. 9. Petulla, J. M. (1980). American Environmentalism. College Station. TX: Texas A&M University Press. 10. Buena parte de este análisis se basa en Gunn, A. S. y P. A. Vesilind (1986). Environmental Ethics for Engineers. Chelsea, MI: Lewis Publishers. 11. Immanuel Kant. Duties toward animals and spirits. Lecture on ethics (p. 240). Citado por Mary Midgley, en “Duties concerning islands”, en Elliot R. y A. Gare (eds.) (1983). Environmental Philosophy. State College, PA: Pennsylvania State University Press. 12. Baxter, William F. (1974). People or Penguins: The Case for Optimal Pollution (p. 5). Nueva York: Columbia University Press. 13. Leopold, A. (1966). A Sand County Almanac, Nueva York: Oxford University Press. 14. Watson, Richard A. (1979). Self-consciousness and the rights of nonhuman animals and nature, Environmental Ethics, 1, núm. 2: 99-129. 15. McClosky, H. J. (1983). Ecological Ethics and Politics, Totowa, NJ: Rowman and Littlefield, p. 29.

16. Locke, John (1967). Two Treatises on Government (2a. ed.). Editado por Peter Laslett. Cambridge, Reino Unido: Cambridge University Press. 17. Hobbes, Thomas (1885). Leviathan. Editado por Henry Morley, Londres: Routledge. 18. Bentham, Jeremy (1948). An Introduction to the Principles of Morals and Legislation. Editado por Laurence J. LaFleur. Nueva York: Hafner Press. 19. Singer, Peter (1979). Practical Ethics (p. 50). Cambridge, Reino Unido: Cambridge University Press. 20. Schweitzer, Albert (1933). Out of My Life and Thought: An Autobiography. Nueva York. 21. Thompson, Janna (1983). Preservation of wilderness and the good life. En Environmental Philosophy (p. 97). Editado por R. Elliot y A. Gare. State College, PA: Pennsylvania State University Press. 22. Taylor, Paul W. (1986). Respect for Nature: A Theory of Environmental Ethics. Princeton, NJ: Princeton University Press. 23. Thompson, Janna (1990). “A refutation of environmental ethics”, Environmental Ethics, 12, núm. 4: 147-60. 24. Routley, Val y Richard (1987). Against the inevitability of human chauvinism. En Ethics and the Problems of the 21st Century. Editado por Kenneth Goodpaster y Kenneth Sayre. Notre Dame, IN: University of Notre Dame Press. 25. Rolston, Holmes III (1988). Environmental Ethics. Philadelphia: Temple University Press. 26. Regan, Tom (1981). The nature and possibility of an environmental ethic. Environmental Ethics, 3, núm. 1: 31-2. 27. Naess, Arne (1985). Basic principles of deep ecology. En Deep Ecology. Editado por Bill Devall y George Sessions, Salt Lake City: Gibbs Smith. 28. Berry, Wendell (1973). A secular pilgrimage. En Western Man and Environmental Ethics. Editado por Ian Barbour, Reading, MA: AddisonWesley. 29. Collis, John Stewart (1954). The Triumph of the Tree. Nueva York: William Sloane Associates.

78

Capítulo 2 Decisiones en ingeniería

30. Routley, Richard y Val (1980). Human chauvinism and environmental ethics. En Environmental Philosophy (p. 130). Editado por D. Mannison, M. McRobbie y R. Routley. Canberra: Research School of Social Sciences, Australian National University. 31. Grayson, M. J. y T. R. Shepard, Jr. (1973). Disaster Lobby. Chicago: Follett Publishing Co.

32. Tolstoi, León (1898). The superstitions of science. En The Arena, 20. Reimpreso en The New Technology and Human Values. Editado por J. G. Burke (1966). Belmont, CA: Wadsworth Publishing Co.

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A

P

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T

U

L

O

3

© Susan Morgan

Cálculos en la ingeniería

© Keith Morgan

Arco Gateway, Missouri

Serpiente, Carolina del Sur

Los ingenieros ambientales realizan numerosos cálculos en sus análisis y diseños. Con frecuencia revisan dos o tres veces las etapas más importantes. Pero también prestan atención a esos detalles en apariencia menores, como las unidades, para evitar que los sorprenda un simple error. 79

80

Capítulo 3 Cálculos en la ingeniería En ingeniería, la capacidad para resolver problemas por medio de cálculos representa la esencia misma de esta profesión. Si bien no todos los problemas de esta disciplina pueden resolverse con cálculos numéricos, éstos son absolutamente necesarios para el desarrollo de las soluciones técnicas. Los cálculos en la ingeniería hacen posible la descripción del mundo físico en términos de unidades y dimensiones que todos aquellos con quienes tiene lugar la comunicación puedan comprender. Dedicamos la primera sección de este capítulo a hacer una revisión de las unidades y dimensiones que se emplean en la ingeniería. En la segunda parte estudiamos algunos principios básicos para realizar cálculos generales cuando la información con la que contamos es incompleta o inasequible, y la última sección se refiere al manejo de la misma.

3.1

DIMENSIONES Y UNIDADES EN LA INGENIERÍA Una dimensión fundamental es una cantidad única que describe una característica básica, como fuerza (F), masa (M), longitud (L) y tiempo (T). Las dimensiones derivadas se calculan por medio de la manipulación aritmética de una o más dimensiones fundamentales. Por ejemplo, la velocidad tiene las dimensiones de la longitud por tiempo (L / T ), y el volumen es L3. Las dimensiones son descriptivas, pero no numéricas. No explican cuánto; sólo describen qué. Las unidades y los valores de esas unidades son necesarios para describir algo en forma cuantitativa. Por ejemplo, la dimensión de la longitud (L) puede describirse en unidades como metros, yardas o brazas. Al agregar el valor, tenemos una descripción completa, como sería 3 metros (m), 12.6 yardas (yd) o 600 brazas (br). Hay tres sistemas de unidades de uso común: el sistema internacional (SI), el de ingeniería estadounidense y el cgs. Establecido en 1960 como parte de un acuerdo internacional, el SI (siglas de System International d’Unites; sistema internacional de unidades) se basa en el metro para expresar la longitud, en el segundo para el tiempo, el kilogramo para la masa y el grado Kelvin para la temperatura. La fuerza se expresa en newtons. La enorme ventaja del SI sobre el viejo sistema inglés (y ahora estadounidense) es que funciona sobre una base decimal, en la que los prefijos disminuyen o aumentan las unidades en potencias de 10. Aunque el SI se utiliza en todo el mundo, la mayoría de los ingenieros estadounidenses contemporáneos sigue empleando el viejo sistema de pies, libras (masa) y segundos, en el que la fuerza se expresa en libras. Para garantizar la facilidad y familiaridad, en este libro se utilizan ambos sistemas.

3.1.1

Densidad

La densidad de una sustancia se define como su masa dividida entre una unidad de volumen, o ρ=

donde

M V

ρ = densidad M = masa V = volumen

En el SI la unidad básica para la densidad es el kg/m3, en tanto que en el sistema de ingeniería estadounidense se expresa comúnmente como lbM/pie3 [donde lbM = libras (masa)].

3.1

Dimensiones y unidades en la ingeniería

81

ENFOQUE

Unidades La importancia de mantener un registro para la interpretación de las unidades en los cálculos que uno realiza se ejemplifica con claridad en la fallida misión del Orbitador Climático de Marte (Mars Climate Orbiter) de la Dirección Nacional de Aeronáutica y Espacial de Estados Unidos (NASA; National Aeronautics and Space Administration) que costó 327.6 millones de dólares (figura 3.1).1, 2 Un equipo de ingenieros utilizó el SI (N-s) en el cálculo de la potencia de los propulsores, mientras que otro equipo recurrió al sistema estadounidense (lb-s). La diferencia en las unidades fue suficiente para calcular erróneamente la trayectoria del orbitador en 100 km (60 mi), lo que ocasionó su destrucción por la fricción con la atmósfera de Marte. Aunque en este caso la equivocación dio como resultado la pérdida de una costosa pieza de equipo, esos errores en la práctica de la ingeniería pueden causar pérdidas mucho mayores, como la de vidas. Para no cometer esos fallos que pueden evitarse con facilidad, en la práctica conviene que se adquiera el hábito de establecer en forma

Figura 3.1 Orbitador Climático de Marte colocado para su prueba de rotación. (© NASA Kennedy Space Center (NASA-KSC). KSC-98pc-1723)

explícita todas las unidades en todos los cálculos que uno realice y de darles seguimiento. De hecho, usted descubrirá que muchos de los que se efectúan en la ingeniería ambiental son en esencia conversiones de unidades y son sencillos si usted da seguimiento a sus unidades.

El agua en el SI tiene una densidad de 1 × 103 kg/m3, lo cual es igual a 1 g/cm3. En el sistema de ingeniería estadounidense la densidad del agua es de 62.4 lbM/pie3.

3.1.2

Concentración

La dimensión derivada de la concentración en general se expresa gravimétricamente como la masa de un material A en un volumen de unidad que consta del material A y de algún otro material B. La concentración de A en una mezcla de A y B es

CA =

donde

MA V A + VB

(3.1)

CA = concentración de A MA = masa de material A VA = volumen de material A VB = volumen de material B

En el SI, la unidad básica de concentración es kg/m3. Sin embargo, el término de concentración de uso generalizado en la ingeniería ambiental son los miligramos por litro (mg/L).

82 EJEMPLO 3.1

Capítulo 3 Cálculos en la ingeniería

Problema En un recipiente se colocan unas cuentas de plástico que tienen un volumen de 0.04 m3 y una masa de 0.48 kg, y se vierten 100 litros de agua. ¿Cuál es la concentración de cuentas de plástico en mg/L? Solución Con ayuda de la ecuación 3.1, donde A representa las cuentas y B el agua: CA =

MA V A + VB

CA =

0.48 kg 0.04 m3 + (100 L × 10−3 m3 /L)

C A = 3.43 kg/m3 = 3.43

106 mg/kg = 3,430 mg/L 103 L/m3

Advierta que en el ejemplo anterior el volumen del agua se agrega al volumen de las cuentas. Si las cuentas de plástico con un volumen de 0.04 m3 se colocan en el recipiente de 100 litros y éste se llena de agua hasta el borde, el volumen total es: VA + VB = 100 L y la concentración de cuentas, CA, es de 4,800 mg/L. Esta es mayor porque el volumen total es más bajo. Otro indicador de la concentración son las partes por millón (ppm). Esto es numéricamente equivalente a mg/L si el líquido en cuestión es agua porque un milímetro (mL) de agua pesa 1 g (es decir, la densidad es de 1.0 g/cm3). Este hecho se demuestra con la conversión siguiente: 1 mg 0.001 g 0.001 g 0.001 g 1g = = = = 3 L 1, 000 mL 1, 000 cm 1, 000 g 1, 000, 000 g o 1 gramo en un millón de gramos, o 1 ppm. Algunas concentraciones de materiales se expresan en forma más conveniente como porcentajes, por lo común en términos de masa: A =

MA × 100 MA + MB

(3.2)

donde  A = porcentaje de material A MA = masa de material A MB = masa de material B  A también puede expresarse, por supuesto, como una razón de volúmenes.

EJEMPLO 3.2

Problema Un sedimento de aguas residuales tiene una concentración de sólidos de 10,000 ppm. Exprese esto en sólidos porcentuales (con base en la masa), suponiendo que la densidad de los sólidos es de 1 g/cm3.

3.1

Dimensiones y unidades en la ingeniería

83

Solución 10, 000 ppm =

1 × 10 4 partes 1 = = 0.1 o 1% 6 1 × 10 partes 100

Este ejemplo ilustra una relación útil: 10,000 mg/L = 10,000 ppm (si la densidad = 1) = 1% (por peso)

Se supone que muchas aguas residuales se diluyen, de modo que su densidad quizá sea 1, aproximadamente. En el control de la contaminación del aire, las concentraciones se expresan de manera general en forma gravimétrica como masa de contaminante por volumen de aire a una temperatura y a una presión estándar. Por ejemplo, la norma estadounidense de la calidad del aire en el caso del plomo es 0.15 μg/m3 (un microgramo = 10−6 gramos). En ocasiones la calidad del aire se expresa en ppm, y en este caso los cálculos se expresan en términos de volumen/volumen, o 1 ppm = 1 volumen de contaminante por 1 × 106 volúmenes de aire. La conversión de masa/ volumen (μg/m3) a volumen/volumen (ppm) exige conocimientos del peso molecular del gas. En condiciones normales (0 ºC y 1 atmósfera de presión), 1 mol de gas ocupa un volumen de 22.4 L (a partir de la ley de los gases ideales). Una mol es la cantidad de gas en gramos numéricamente igual a su peso molecular. Por tanto, la conversión es μg/m 3 =

1 m 3 de contaminante peso molecular (g/mol) × × 10 6 μg/g 10 6 m 3 de aire 22.4 × 10 −3 m 3 /mol

o simplificando: μg/m3 = (ppm × peso molecular × 103)/22.4

a

0 ºC y 1 atm

Si el gas está a 25 ºC y a 1 atm, como es común en las normas de calidad del aire, la conversión es μg/m3 = (ppm × peso molecular × 103)/24.45

3.1.3

a

25 ºC y 1 atm

(3.3)

Tasa de flujo

En los procesos de ingeniería, la tasa de flujo puede ser también tasa de flujo gravimétrico (masa) o tasa de flujo volumétrico (volumen). La primera se representa en kg/s o lbM/s, en tanto que la segunda se expresa como m3/s o pies3/s. Las tasas de flujo de masa y volumétrico no son cantidades independientes porque la masa (M) de material que pasa por un punto en una línea de flujo durante una unidad de tiempo se relaciona con el volumen (V) de ese material: Masa = densidad × volumen Por tanto, una tasa de flujo volumétrico (QV) puede convertirse en una de flujo de masa (QM) multiplicándola por la densidad del material: Q M = QV ρ

(3.4)

84

Capítulo 3 Cálculos en la ingeniería donde

QM = índice de flujo de masa QV = índice de flujo de volumen ρ = densidad

El símbolo Q se utiliza casi de manera universal para denotar la tasa de flujo. La relación entre el flujo de masa de un componente A, la concentración de A y el flujo de volumen total (A más B) es Q M A = C A × Q V(A+B)

(3.5)

Observe que la ecuación 3.5 no es igual que la 3.4, que sólo se aplica a un material o componente en una corriente de flujo. La ecuación 3.5 se relaciona con dos materiales o componentes diferentes en un flujo. Por ejemplo, la tasa de flujo de masa de unas pelotas de plástico que se mueven y están suspendidas en una corriente se expresa en términos de los kilogramos que pesan por segundo al pasar por un punto determinado, y que es igual a una concentración (kg de pelotas/m3 de volumen total, pelotas más agua) por el flujo de la corriente (m3/s de pelotas más agua).

EJEMPLO 3.3

Problema Una planta de tratamiento de aguas residuales descarga un flujo de 1.5 m3/s (agua más sólidos) a una concentración de sólidos de 20 mg/L (20 mg de sólidos por litro de flujo, sólidos más agua). ¿Cuántos sólidos descarga la planta diariamente? Solución Use la ecuación 3.5. Flujo de masa = concentración × flujo de volumen QMA = CA × QV(A + B) = (20 mg/L × 1 × 10−6 kg/mg) × (1.5 m3/s × 103 L/m3 × 86,400 s/día) = 2,592 kg/día ≈ 2,600 kg/día

EJEMPLO 3.4

Problema Una planta de tratamiento de aguas residuales descarga un flujo de 34.2 mgd (millones de galones por día) a una concentración de 0.002% de sólidos (por peso). ¿Cuántas libras de sólidos descarga por día? Solución Use la ecuación 3.5. Flujo de masa = concentración × flujo de volumen Q M A = C A × Q V( A+B) Suponga que ρ = 1 g/cm3, de modo que 0.002% = 20 mg/L, y además que la tasa de flujo de volumen establecido comprende sólidos más agua. Entonces Q M A = (20 mg/L × 3.79 L/gal × 2.2 × 10−6 lb/mg) × (34.2 × 106 gal/día) = 5,700 lb/día

3.1

Dimensiones y unidades en la ingeniería

85

El ejemplo 3.4 ilustra otro factor de conversión conveniente: 3.79 L/gal × 2.2 × 10−6 lbM/mg × 106 gal/millón de galones = 8.34 [L/millón de gal][lbM/mg] Este factor, 8.34, es muy útil en las conversiones en las que la tasa de flujo se encuentra en mgd, la concentración en mg/L y la descarga en lb/día: Tasa de flujo de tasa de flujo de concentración = × × 8.34 masa en lb/día volumen en mgd en mg/L

EJEMPLO 3.5

(3.6)

Problema Una planta de tratamiento de agua potable agrega flúor a una concentración de 1 mg/L. La demanda de agua diaria promedio es de 18 millones de galones. ¿Cuánto flúor debe comprar la comunidad? Solución Utilice la ecuación 3.6. 18 mgd × 1 mg/L × 8.34 (L/millones de galones) (lb/mg) = 150 lb/día

3.1.4

Tiempo de retención

Uno de los conceptos más importantes en los procesos de tratamiento es el tiempo de retención, también denominado tiempo de detención, o tiempo de residencia. El tiempo de retención es el lapso que una partícula promedio del líquido pasa en el recipiente por el que fluye el líquido (que es el tiempo en que está expuesto al tratamiento o a una reacción). Una definición alterna es el periodo que toma al recipiente llenarse. Desde el punto de vista matemático, si el volumen de un recipiente, como un gran tanque de almacenamiento, es V (L3) y la tasa de flujo en el tanque es Q (L3/t), entonces el tiempo de residencia es t=

V Q

(3.7)

El tiempo de retención promedio puede aumentarse al reducir la tasa de flujo Q o incrementar el volumen V, y disminuirse si se hace lo contrario.

EJEMPLO 3.6

Problema Una laguna tiene un volumen de 1,500 m3, y el flujo en ella es de 3 m3/h. ¿Cuál es el tiempo de retención en dicha laguna? Solución

Utilice la ecuación 3.7. t =

1, 500 m 3 = 500 h 3 m 3 /h

86

3.2

Capítulo 3 Cálculos en la ingeniería

APROXIMACIONES EN LOS CÁLCULOS DE LA INGENIERÍA A los ingenieros a menudo se les consulta para que proporcionen información no en forma exacta, sino de manera aproximada. Por ejemplo, un cliente, digamos un administrador municipal, quizá pregunte a una ingeniera cuánto costaría construir una nueva planta de tratamiento de aguas residuales para la comunidad. El administrador público no solicita la cifra exacta, sino una estimación. Obviamente, la ingeniera no podrá realizar en cuestión de minutos un cálculo puntualizado de los costos. Reconocería la naturaleza sumamente variable de los costos de los terrenos, de construcción, la eficiencia necesaria en el tratamiento, entre otros aspectos. Sin embargo, el administrador público quiere una aproximación preliminar (una cifra) y ¡la quiere rápido! Ante estos problemas, la ingeniera tiene que recurrir a cualquier información que haya disponible. Por ejemplo, quizá sepa que la población de la comunidad a la que se dará servicio es de unos 100,000 habitantes. Luego de estimar con base en la experiencia que el flujo de aguas residuales doméstico podría ser de 100 galones por persona al día, exigiría una planta con una capacidad de aproximadamente 10 mgd. Dándose cierto margen para ampliar la cifra por razón de efluentes industriales, entrada de agua de lluvia e infiltración de agua subterránea en las alcantarillas, la ingeniera calcularía que tal vez una capacidad de 15 mgd sea adecuada. Después evaluaría el posible tratamiento necesario. Al saber que las vías fluviales disponibles para descargar el efluente son pequeños arroyos que posiblemente se sequen durante los periodos de calor, se requiere un grado elevado de tratamiento. Ella calcula que se necesitará la eliminación de nutrientes. Está consciente de que la construcción de estas plantas de tratamiento cuesta alrededor de 3 millones de dólares por cada millón de galones de flujo entrante, y calcula que la planta costaría unos 45 millones de dólares. Dando cierto margen, respondería diciendo que se necesitan “alrededor de 50 millones de dólares”. Este es exactamente el tipo de información que el administrador público busca. No necesita nada más preciso porque tal vez trate de decidir si solicita una emisión de bonos de alrededor de 100 o 200 millones de dólares. Habrá tiempo suficiente para efectuar cálculos exactos más adelante.

3.2.1 Procedimiento para los cálculos con aproximaciones Los problemas que no exigen soluciones exactas se resuelven 1. 2. 3. 4.

al definir el consumo, en relación con lo planteado por el problema presentar premisas simplificadas establecer alternativas de solución verificar las alternativas de solución, tanto en forma sistemática como realista

Definición del problema A la ingeniera del caso anterior se le pide una estimación, no una cifra exacta. Ella reconoce que el uso de esta cifra se destinaría a fines de planeación preliminar y, por tanto, las aproximaciones válidas son adecuadas. También reconoce que el administrador público quiere una respuesta que represente una cifra en dinero, por tanto, que se establezcan unidades. Simplificación Esta quizá es la etapa más emocionante y difícil de todo el proceso, porque la intuición y el juicio desempeñan una función importante. Por ejemplo, la ingeniera tiene que estimar primero la población a la que se dará servicio y luego considerar el flujo promedio. ¿Qué ignora? Obviamente mucho, como los flujos pasajeros diarios, la variabilidad en los estándares de vida y las variaciones estacionales. Una estimación concienzuda de los posibles flujos de aguas

3.2

Aproximaciones en los cálculos de la ingeniería

87

residuales exige un estudio más profundo. Tiene que simplificar su problema y optar por considerar sólo una estimación de la población y una descarga per cápita promedio. Cálculo En el caso de este problema, los cálculos son sencillos. Verificación Lo más importante es el proceso de verificación. Hay dos tipos, a saber: sistemática y realista. En la verificación sistemática primero se revisan las unidades para ver si tienen sentido. Por ejemplo, galones Personas × = galones personas tiene sentido, en tanto que personas personas 2 = galones/persona galones carece de sentido. Si se verifican las unidades, las cifras pueden recalcularse para comprobar que no haya errores. Es sensato que uno siempre escriba sus unidades al realizar los cálculos y hacer esta revisión conforme se avanza. Al final se necesita una verificación de la realidad. Quizá ningún ingeniero en el ejercicio de su profesión reconozca en forma explícita que a diario realiza verificaciones de la realidad, pero éstas son medulares para la buena ingeniería. Considere, por ejemplo, que la ingeniera del caso anterior cometió un error y pensó (de manera equivocada) que una planta de tratamiento de aguas residuales como la que necesita la comunidad cuesta 3,000 dólares por cada millón de galones de flujo entrante. Sus cálculos pasarían la prueba de la verificación, pero su respuesta habría sido 50,000 dólares en lugar de 50 millones de dólares. Una respuesta así se consideraría absurda de inmediato y se procedería a buscar el error. Las verificaciones de la realidad, cuando se ejecutan de forma rutinaria, ahorran considerables dolores y vergüenzas.

3.2.2

Uso de cifras significativas

Por último, advierta que las cifras significativas en la respuesta reflejan la precisión de los datos y las premisas. Considere lo desafortunado que sería decir que la planta de tratamiento costaría alrededor de 5,028,467.19 dólares. Muchos problemas exigen respuestas sólo a una cifra significativa o incluso a un orden de magnitud. Las cifras que no son significativas tienden a acumularse en el curso de los cálculos como el lodo en una bota y, al final, deben limpiarse.3 Suponga que a usted se le pide calcular los pies lineales de los postes de una cerca necesarios para un pastizal, y se le dice que habrá 87 postes con una altura promedio de 46.3 pulgadas. Usted multiplica y obtiene 335.675 pies. Ahora es el momento de eliminar el lodo porque la más precisa de sus cantidades tiene sólo tres cifras significativas, pero en su respuesta hay seis cifras relevantes. De modo que usted informa 336 pies. O bien, es más probable que diga 340 pies, reconociendo que es mejor errar del lado de un margen ligeramente favorable que quedarse sin los postes necesarios para la cerca. Las cifras significativas son las que transmiten información basada en el valor de los dígitos. Los ceros que aparecen simplemente no son representativos porque pueden eliminarse sin perder información. Por ejemplo, en la cifra 0.0036, los dos ceros sólo ocupan espacio y pueden eliminarse escribiendo 0.0036 = 3.6 × 10−3. Los ceros al final de un número constituyen un problema. Suponga que un periódico informa que 46,200 aficionados asistieron a un juego de fútbol. Los dos últimos dígitos (ceros)

88

Capítulo 3 Cálculos en la ingeniería son significativos si se contó a cada persona y en efecto hubo exactamente 46,200 aficionados en el estadio. Sin embargo, si se estimara la cantidad de personas como 46,200 aficionados, entonces los últimos dos ceros sólo ocupan espacio y no son significativos. Para evitar las confusiones al informar sobre cantidades, conviene decir “cerca de” o “aproximadamente” si eso es lo que se quiere expresar. Al emplear cantidades con cifras significativas desconocidas, equivocarse por el lado de la precaución (menos cifras significativas) es mejor.

EJEMPLO 3.7

Problema Una comunidad de alrededor de 100,000 habitantes tiene un tiradero abandonado de cerca de 5 acres que puede llenarse a una profundidad de aproximadamente 30 pies con desperdicios compactados de entre 600 y 800 lbM/yd3. ¿Cuál es la vida útil restante del tiradero? Solución Con ayuda del procedimiento que acabamos de resumir, el primer paso es definir el problema. Sin duda la respuesta no exige un grado elevado de precisión porque los datos no son exactos. Además, la definición del problema requiere una respuesta en unidades de tiempo. El segundo paso consiste en simplificar el problema. No hay necesidad de considerar los residuos comerciales o industriales, sino sólo determinar la cantidad de los generados por los hogares de manera individual. El tercer paso es calcular una respuesta. Se dispone de todos los datos necesarios, excepto la producción per cápita de residuos. Suponga que una familia de 4 integrantes llena 3 botes de basura a la semana. Si cada bote es de aproximadamente 8 pies3 y suponemos que la basura no compactada equivale aproximadamente a una cuarta parte de la densidad compactada, digamos en 200 lbM/yd3, es razonable calcular la producción per cápita como 8

1 yd 3 3 botes lb 1 semana lb pies 3 × × × 200 M3 × = 6.3 bote 27 pies 3 4 personas yd 7 días persona/día

Si hay aproximadamente 100,000 habitantes, la ciudad produce 6.3

1 yd 3 lb yd 3 × 100, 000 personas × = 900 700 lb M día persona/día

El volumen disponible total es 5 acres × 43, 560

1 yd 3 pies 2 × 30 pies × = 242, 000 yd 3 acre 27 pies 3

Por tanto, la vida útil esperada es 242, 000 yd 3 = 268 días ≈ 270 días 900 yd 3 /día Recuerde el cuarto paso. ¿Es razonable? No, es demasiado. Es posible que en los cálculos se haya sobrestimado la producción de residuos pues la generación per cápita nacional promedio es más cercana a 5 lb/cápita/día, de modo que, en la actualidad, al tiradero tal vez le quede un año de vida útil. Pero si se consideran las dificultades extremas de ubicar tiraderos adicionales, a todas luces la ciudad está ya en una situación de crisis.

3.3

Análisis de la información

89

En el ejercicio profesional de la ingeniería es necesario que lleve consigo a todos lados una “maleta mental” llena de números y aproximaciones. Por ejemplo, la mayoría de las persona quizá sepa que un metro es algunas pulgadas más largo que una yarda. Tal vez no sepamos exactamente cuán largo, pero podríamos hacer una conjetura bastante exacta. De igual modo, sabemos cómo se ven 100 yd (de una línea de anotación a otra en el fútbol). De modo similar, en la práctica un ingeniero ambiental sabe de modo instintivo cómo se ve un flujo de 10 mgd porque ha trabajado en plantas que reciben esa magnitud de flujo. Estos conocimientos se convierten en una segunda naturaleza, y a menudo son la razón por la que los ingenieros evitan los errores tontos y vergonzosos. La posesión de un sentido unitario (o de unidades) forma parte integral de la ingeniería y es el motivo por el que un cambio de unidades de mgd a m3/s en el caso de los ingenieros estadounidenses resulta tan difícil. Sería extraño que alguno de ellos supiera cómo es un flujo de 10 m3/s (sin hacer de manera mental algunas rápidas conversiones aproximadas).

3.3 ANÁLISIS DE LA INFORMACIÓN Los ingenieros no sólo pocas veces sabemos algo con exactitud, ¡rara vez sabemos algo con certeza! Aunque tal vez nunca antes hubiera una inundación en agosto, tan pronto como un proyecto de construcción de un millón de dólares depende del clima seco, es muy probable que llueva durante 40 días y 40 noches. La ley de Murphy (“Si algo puede salir mal, saldrá mal”) y su corolario (“en el peor momento posible”) es tan importante en la ingeniería como las leyes del movimiento de Newton. Los ingenieros nos arriesgamos: asignamos probabilidades a los sucesos de interés y nos decidimos por acciones prudentes. Sabemos que podría ocurrir una inundación en agosto, pero si no ha sucedido en los últimos 100 años, es casi seguro que no ocurrirá el año próximo. Pero, ¿qué pasa si el ingeniero sólo cuenta con los datos de 5 años? ¿Cuánto riesgo asume? ¿Cuán seguro puede estar de que no habrá una inundación el año entrante? El concepto que se ilustró en el ejemplo 3.7 se denomina probabilidad, y los cálculos de probabilidades son medulares en muchas decisiones que se toman en la ingeniería. Relacionado con la probabilidad está el análisis de datos incompletos por medio de la estadística. Una partida de datos (digamos, el flujo de una corriente durante un día) es valiosa en sí, pero cuando se combina con otros cientos de datos puntuales sobre los flujos diarios de la corriente, la información se vuelve aún más útil, pero sólo si de algún modo puede manipularse y reducirse. Por ejemplo, si se decide incautar agua de un arroyo para un suministro de agua, se promediarían las tasas de flujo diarias individuales (estadística) y esto generaría una cifra útil para decidir de cuánta agua se dispondría. En esta sección se presentan en primer lugar las ideas medulares de la probabilidad y la estadística, y luego se describen algunas herramientas útiles de las que los ingenieros disponen para el análisis de la información. Ni la probabilidad ni la estadística se desarrollan aquí a partir de sus principios básicos y, por tanto, es recomendable asistir a un curso apropiado de ambos temas. En esta introducción se presenta el material suficiente para permitir la solución de problemas sencillos de ingeniería ambiental que comprenden las distribuciones de frecuencia. Buena parte del análisis estadístico en la ingeniería se basa en la curva en forma de campana que se aprecia en la figura 3.2. La premisa es que un conjunto de datos (como la precipitación pluvial anual) puede describirse con una curva de campana, y que la ubicación de la misma puede definirse con una media, o promedio, y algún indicador de cuán ampliamente están distribuidos los datos, o la dispersión de la curva. Hay una forma ideal de la función que

90

Capítulo 3 Cálculos en la ingeniería

␴

␴ ␮ x

Figura 3.2 Curva en forma de campana que indica una distribución normal.

describe la curva de campana y que se denomina distribución gaussiana, o distribución normal, la cual se expresa como  

1 x −μ 2 1 exp − Pσ(x) = √ 2 σ σ 2π donde

μ = media, estimada como x x = media de la muestra observada =

x n

σ = desviación estándar, estimada como s  1/2 xi2 (xi )2 s = desviación estándar observada = − n − 1 n(n − 1) n = tamaño de la muestra La desviación estándar es un indicador de la extensión de la curva, definida como el valor de x que abarca 68.3% de todos los valores de x centrados en la media, μ. Una desviación estándar pequeña indica que todos los datos están agrupados de manera estrecha, de modo que hay poca variabilidad en ellos. En contraste, una desviación estándar grande indica que los datos están dispersos. Hay una estadística muy útil en las labores de la ingeniería que se denomina coeficiente de variación y se define como Cv =

σ μ

Cv =

s x

y en la práctica se estima como

donde

s = desviación estándar observada x = estimación de la media

Los ingenieros a menudo trazan los datos que describe una curva en forma de campana como una función acumulativa, en donde se infiere que la ordenada (eje vertical) es la fracción acumulativa de las observaciones. Estas curvas por lo general se emplean en hidrología, ingeniería de suelos y recuperación de recursos. En el ejemplo 3.8 se presenta la elaboración de una curva acumulativa.

3.3 EJEMPLO 3.8

Análisis de la información

91

Problema Se recuperaron 100 kilogramos de vidrio del basurero municipal y se procesaron en una planta de recuperación de recursos. El vidrio se trituró y pasa por una serie de cribas, como se aprecia en la tabla siguiente. Trace la distribución acumulativa de los tamaños de las partículas. Tamaño de la criba (mm)

Peso del vidrio captado (kg)

4 3 2 1 Bandeja (sin orificios)

10 25 35 20 10

Solución Estos datos pueden trazarse como se muestra en la figura 3.3, en la que también se indica una aproximación general a una distribución normal. Luego los datos pueden tabularse como una función acumulativa.

Tamaño de la criba (mm)

4 3 2 1 40

Porcentaje por peso de cada tamaño

15

30

40

15

Porcentaje de recuperación del ciclón para cada tamaño de partículas

20

50

85

95

Porcentaje de recuperación del filtro de bolsa para cada tamaño de partículas

90

92

95

100

a) ¿Cuál es el porcentaje general de recuperación para el ciclón? (Sugerencia: Suponga que se tratan 100 toneladas/día en el ciclón.) b) ¿Cuál sería el porcentaje general de recuperación del filtro de bolsa si éste fuera el único dispositivo de tratamiento? c) ¿Cuál es el porcentaje general de recuperación por este sistema? Recuerde que el ciclón está frente al filtro de bolsa. d) El sistema tiene el ciclón frente al filtro de bolsa. ¿Por qué no habría colocado el filtro de bolsa frente al ciclón? e) Suponiendo que todas las partículas fueran esferas perfectas, ¿un metro cúbico de partículas esféricas de, digamos 5 μm, pesaría más o menos que un metro cúbico de partículas perfectamente esféricas de 40 μm? Muestre los cálculos en los que basa su respuesta.

NOTAS FINALES 1. Basado en Kohn, R. E. (1978). A Linear Programming Model for Air Pollution Control. Cambridge, MA: MIT Press. 2. Se tuvo acceso en http://www.massbalance. org/index.php el 1 de diciembre de 2008. 3. National Research Council (2004). Materials Count: The Case for Material Flows Analyses. Washington, DC: National Academies Press.

Se tuvo acceso en http://www.nap.edu/catalog-php?record_id=10705 el 1 de diciembre de 2008. 4. Luxembourg Office for Official Publications of the European Communities (2001). Economywide Material Flow Accounts and Derived Indicators: A Methodological Guide. Se tuvo acceso en http://epp.eurostat.ec.europa.eu/ca-

142

Capítulo 4 Balances y separaciones de materia

che/ITY_OFFPUB/KS-34-00-536/EN/KS-3400-536-EN.pdf el 30 de diciembre de 2008. 5. Organization for Economic Cooperation and Development reports on Measuring Material Flows and Resource Productivity. Se tuvo acceso en http://www.oecd.org/document/47/0,

3343,en_1571361_40266644_40464047_1_ 1_1_1,00.html el 30 de diciembre de 2009. 6. Este ejemplo se adaptó de Berthourex, B. M. y D. F. Rudd (1977). Strategy for Pollution Control. Nueva York: John Wiley & Sons.

C

A

P

Í

T

U

L

O

5

© Keith y Susan Morgan

Reacciones

© Greg Vaughn/Alamy

Mina de Burra Monster, Australia

Flujo de lava

Los ingenieros ambientales deben tener presente la tercera ley de Newton sobre el movimiento y determinar qué reacciones son posibles, cuáles son probables y si es posible controlarlas. 143

144

Capítulo 5 Reacciones Muchas reacciones, ya sea que ocurran en ambientes naturales o creados por el ser humano, son predecibles. Los ingenieros y los científicos se esfuerzan primero por entenderlas y luego crean modelos matemáticos para describir el comportamiento de los fenómenos. Con estos modelos intentan predecir lo que sucedería si… Dichos modelos pueden ser sencillos o sumamente complejos. Si un conducto, a una determinada presión, descarga cierto gasto de flujo y luego la presión se duplica, es posible predecir el nuevo gasto de flujo con bastante precisión. Estos modelos hidráulicos sencillos son la esencia de la ingeniería civil. Es muy probable que cualquier modelo grande y complejo, como la reducción de la capa de ozono o la formación fotoquímica del esmog, tenga errores. Lo que es preciso evaluar son las consecuencias de no creer en el modelo en comparación con el grado de incertidumbre. Si bien no es posible probar el modelo de la reducción de la capa de ozono en forma concluyente, es razonable y lógico desde los puntos de vista matemático y químico y, por tanto, es muy probable que sea correcto. Ignorar el potencial de un desastre global predicho con base en esos modelos es sencillamente imprudente. [Este concepto es la base del principio precautorio e indica que es mejor prevenir un problema (no correr peligro) que limpiarlo (tener que correr a disculparse).] Debido a que los procesos son complejos, los modelos globales son intrincados y se encuentran interconectados de manera estrecha. Por fortuna, estos poderosos modelos matemáticos comienzan en forma muy modesta. Se supone que cierta cantidad (masa o volumen) cambia con el tiempo y que la cantidad de un componente puede predecirse con ecuaciones de gasto simple y balances de materia. En el capítulo anterior se analizó el flujo de materiales como una operación de estado continuo en la cual el tiempo no constituye una variable. En este capítulo consideraremos el caso en el que las concentraciones de materiales cambian con el tiempo. Para los sistemas de análisis de energía (sistemas por lotes de carga completamente mixta), una expresión matemática general que describa una tasa a la que está cambiando la masa o el volumen de cierto material A en el tiempo t es dA =r dt

donde r = velocidad de reacción. Las reacciones de orden cero se definen como aquellas en las que r es una constante (k) de modo que dA = k dt

(5.1)

Observe que la unidad para la velocidad de reacción constante k en las reacciones de orden cero es masa/tiempo, como sería en el caso de kg/s. Las reacciones de primer orden se definen como aquellas en las que el cambio del componente A es proporcional a la cantidad del componente mismo, de modo que r = kA

y dA = kA dt

(5.2)

Advierta que la unidad de la constante de velocidad de reacción k en las reacciones de primer orden es tiempo1, como en el caso de d1.

5.1

Reacciones de orden cero

145

Las reacciones de segundo orden son aquellas en las cuales el cambio es proporcional al cuadrado del componente, o r = k A2

y

dA = k A2 dt

(5.3)

Observe que en las reacciones de segundo orden, la constante de velocidad de reacción k tiene la unidad de (tiempo × masa)1. En las aplicaciones de la ingeniería ambiental, las ecuaciones 5.1, 5.2 y 5.3 se escriben en términos de concentración, como en el caso de las reacciones de orden cero, dC = k dt

(5.4)

en el caso de las reacciones de primer orden, dC = kC dt

(5.5)

y en el caso de las reacciones de segundo orden, dC = kC 2 dt

(5.6)

5.1 REACCIONES DE ORDEN CERO Hay muchos cambios que ocurren en la naturaleza a un ritmo constante. Considere el sencillo ejemplo de una cubeta que se llena con la manguera que hay en un jardín; el volumen de agua en la cubeta se modifica con el tiempo, y el cambio es constante (suponiendo que nadie abre o cierra la llave). Si, en el momento cero, la cubeta tiene 2 L de agua en su interior, en 2 s tiene 3 L, en 4 s tiene 4 L, y así sucesivamente, el cambio en el volumen de agua en la cubeta es constante, a una tasa de 1 L/2 s = 0.5 L/s

Esto puede expresarse en forma matemática como una reacción de orden cero: dA =r= k dt

donde A es el volumen del agua en la cubeta y k es la constante de velocidad. Se define A = A0, en el tiempo t = t0 y se integra así: A A0

t

dA = k

dt 0

A − A0 = −kt

(5.7)

146

Capítulo 5 Reacciones

C C0

–k

t

Figura 5.1 Trazo de una reacción de orden cero en la que la concentración disminuye.

Esta ecuación es, por supuesto, la forma en que se resuelve el problema del agua en la cubeta. Sustituya A0 = 2 L a t = 0 y A = 3 a t = 2 s: 3 = 2 + k(2) k = 0.5 L/s Cuando el elemento constituyente de interés, A, está en términos de masa, entonces las unidades de la tasa constante k son masa/tiempo, como sería en el caso kg/s. Cuando el elemento constituyente de interés es una concentración, C, lo que ocurre a menudo, la tasa constante en una reacción de orden cero tiene unidades de masa/volumen/tiempo, o mg/L/s si C está en miligramos por litro y t está en segundos. La forma integrada de la reacción de orden cero cuando la concentración aumenta es C = C0 + kt

(5.8)

y si la concentración disminuye, la ecuación es C = C0 + kt

(5.9)

Esta ecuación puede trazarse como se aprecia en la figura 5.1 si el material se destruye o consume de modo que la concentración disminuya. Si, por otra parte, C se produce y aumenta, la pendiente es positiva.

EJEMPLO 5.1

Problema Un oso hormiguero encuentra un hormiguero y empieza a comer. Las hormigas son tantas que lo único que tiene que hacer es dar un lengüetazo y tragarlas a una tasa de 200/min. ¿Cuánto tiempo tomaría que el oso hormiguero ingiriera (tuviera una concentración en su interior de) 1,000 hormigas? Solución C = concentración de hormigas en el oso hormiguero en cualquier momento t, hormigas/oso hormiguero C0 = concentración inicial de hormigas en el momento t = 0, hormigas/oso hormiguero k = tasa de reacción, la cantidad de hormigas consumidas por minuto = 200 hormigas/oso hormiguero/minuto (Nota: k es positiva porque la concentración aumenta.)

5.2

Reacciones de primer orden

147

De acuerdo con la ecuación 5.8: C = C0 + kt 1,000 = 0 + 200(t) t = 5 min

5.2 REACCIONES DE PRIMER ORDEN La reacción de primer orden de un material consumido, o destruido, puede expresarse como dA = r = −kA dt

Esta ecuación puede integrarse entre A0 y A, y t = 0 y t: A A0

ln

dA = −k A

t

dt 0

A = − kt A0

(5.10)

A = e− kt A0 o ln A − ln A0 = − kt o

Este logaritmo se llama logaritmo natural, o de base e. En ocasiones también es útil usar el logaritmo común, o de base 10. La conversión de los logaritmos naturales (base e) en comunes (base 10) puede efectuarse de la siguiente forma: k log A k t = = 0.434 = ln A kt k

Por ejemplo, suponga que A = 10; entonces log 10 1 k = = 0.434 = ln 10 2.302 k

Por tanto: k = (0.434)k kbase 10 = (0.434)kbase e

La ventaja de los logaritmos de base 10 es que pueden trazarse en forma conveniente en papel semilogarítmico común. En la figura 5.2 se aprecia que el trazo del logaritmo C versus t genera una línea recta con una pendiente de 0.434 k. La intercepción es log C0. (No confunda entre A y C. La masa de cierto material es A, y en un volumen determinado V, C es la masa A dividida

148

Capítulo 5 Reacciones

log C 0 log C

0.434k t

Figura 5.2 Trazo de una reacción de primer orden donde la concentración disminuye.

entre el volumen V. Si el volumen es constante, se abandona el término. Por tanto, el argumento anterior podría haber sido en términos de C lo mismo que en términos de A.) La pendiente, por supuesto, en un papel semilogarítmico se encuentra reconociendo que Pendiente =

y x

de donde Δy es el incremento en el eje y (la ordenada) correspondiente al incremento Δx en el eje x (la abscisa). Elegir Δy como un ciclo en la escala logarítmica, como (log10 – log1), hace que el numerador sea 1 y que la pendiente sea Pendiente =

1 xpor un ciclo

Advierta de nuevo que la masa A y la concentración C son intercambiables en las ecuaciones si el volumen es constante.

EJEMPLO 5.2

Problema Un búho come ranas como manjar, y su ingestión de las mismas depende directamente de cuántas estén disponibles. Hay 200 ranas en el estanque y la constante de velocidad de reacción es de 0.1 días1. ¿Cuántas quedan al cabo de 10 días? Solución Como la tasa ocurre en función de la concentración, ésta puede describirse como una reacción de primer orden: C = cantidad de ranas en el estanque en cualquier momento t C0 = población inicial de ranas, 200 ranas por estanque k = tasa constante, 0.1 días1. Con ayuda de la ecuación 5.10: ln

C = − kt C0

ln C − ln (200) = − 0.1(10) ln C = 4.3 C = 73 ranas por estanque

5.2

Reacciones de primer orden

149

Como se describe en el capítulo 8, los búhos que comen ranas forman parte de un ecosistema (las ranas comen adelfas y éstas, a su vez, algas, mismas que crecen en el agua). La vida en un ecosistema así está en equilibrio y permite que todas las especies sobrevivan. Al parecer sólo los seres humanos somos capaces de destruir en forma consciente y deliberada un equilibrio ecológico de esta índole. Estas consideraciones motivaron a un filósofo noruego contemporáneo, Arne Naess, a crear una nueva filosofía ambiental que denominó “ecología profunda”. Propuso que la ética ambiental debía basarse en dos valores fundamentales: la autorrealización y la igualdad biocéntrica. Estos valores se intuyen y no pueden justificarse de manera racional. La autorrealización es el reconocimiento de uno mismo como integrante del universo en su conjunto y no sólo como un individuo aislado o incluso como miembro de una comunidad restringida; puede lograrse, según Naess, por medio de la reflexión y la contemplación. Los principios de la ecología profunda no están ligados de modo inherente a ninguna creencia religiosa en particular, aunque, como el marxismo o cualquier otro conjunto de creencias y valores, puede funcionar como religión para el creyente. En la ecología profunda casi todas las personas han experimentado la sensación (en general, mas no siempre por naturaleza) de que están conectadas con algo superior al yo […] En la medida en que estas sensaciones intensas son religiosas, la ecología profunda tiene un componente religioso […] [una] intuición fundamental que todos deben cultivar si pretenden llevar una vida basada en el valor y no funcionar como una computadora.1

El segundo principio de la ecología profunda es la igualdad biocéntrica. De acuerdo con Naess, ésta se deriva de la autorrealización, ya que una vez que hemos entendido que nosotros mismos formamos una unidad con las demás criaturas y los lugares del mundo, no podemos considerarnos superiores. Todo tiene el mismo derecho a florecer y los seres humanos no somos especiales en este aspecto. Debemos comer y utilizar a otras criaturas de la naturaleza para sobrevivir, por supuesto, pero no debemos rebasar los límites de nuestras necesidades “vitales”. Por tanto, la acumulación de riqueza material o bienes por encima de las necesidades vitales es poco ética para un partidario de la ecología profunda. Si uno acepta estas dos proposiciones fundamentales, entonces debe coincidir con los siguientes tres corolarios.2 1. Toda la vida, humana y no humana, tiene valor en sí al margen de cualquier finalidad, y los seres humanos no tienen derecho a reducir la riqueza y diversidad de la vida excepto por causa de las necesidades vitales. 2. Los seres humanos en la actualidad son demasiado numerosos y molestos respecto a otras formas de vida en la Tierra, lo que tiene consecuencias desastrosas para todos, y es preciso disminuir su población de manera sustancial para permitir el florecimiento de la vida humana y no humana. 3. Para lograr este equilibrio vital es preciso efectuar un cambio significativo en las estructuras económicas, técnicas e ideológicas de los seres humanos que no subraye la grandeza, el crecimiento y los niveles de vida más elevados, sino las sociedades sostenibles que hagan hincapié en la calidad (no material) de la vida. (El último inciso, por supuesto, se incorpora en el diseño sostenible, o ecológico.) Los partidarios de la ecología profunda se oponen al sistema capitalista/industrial que busca crear lo que para ellos es una riqueza innecesaria y perjudicial; desdeñan la idea de la administración porque ésta supone la toma de decisiones humanas y la intervención de los seres humanos en el funcionamiento de los ambientes naturales. Buscan recuperar lo que consideran que era la relación cordial y de apoyo entre las personas y la naturaleza que tenían pueblos como los indígenas americanos antes de la invasión europea. Para un partidario de la ecología

150

Capítulo 5 Reacciones profunda, un páramo o una jungla tienen un valor especial y deben preservarse para beneficio psicológico de los seres humanos lo mismo que como lugar para que otras especies sobrevivan sin ser molestadas por la actividad humana. Los seguidores de la ecología profunda buscan un sentido de pertenencia a un lugar en su vida, una parte de la Tierra que puedan llamar su hogar. Por supuesto, no hay razón para que quien desea adoptar la ecología profunda como una opción personal, como un ideal, no lo haga. En efecto, quizá haya partidarios de esta ideología que consideren que el propósito de la ética es formar un carácter virtuoso. De hecho, algunos filósofos la han criticado precisamente por lo que consideran un enfoque excesivo en el desarrollo espiritual del individuo. Pero la mayoría de los principios de la ecología profunda exigen cambios a gran escala que involucran a toda la población. Estas ideas sacudirán, es obvio, muchas estructuras de la corriente dominante capitalista y política. Los preceptos de la ecología profunda constituyen un desafío para la forma de hacer negocios de la corriente dominante. En consecuencia, se ha caracterizado a veces como una filosofía no humanista porque no considera que los seres humanos merezcan beneficios especiales y, de hecho, menciona que son los explotadores de la naturaleza. Lo que irrita de modo especial a los críticos es el llamado que hacen sus partidarios a despoblar el mundo, objetivo que se ha tildado de fascista3 y deshumanizante. No cabe duda de que, si pretendemos tener un efecto menos adverso en la naturaleza, sería necesario en primer lugar reducir la población humana en una porción significativa, lo que de modo evidente tardaría cierto tiempo si se hace por desgaste natural. Algunos adeptos de la ecología profunda han señalado que es preciso que la población disminuya 90%; es muy probable que este planteamiento no reciba mucho apoyo. Los críticos sostienen que la aceptación de esta ideología como filosofía global haría que la civilización regresara a la etapa de las sociedades de cazadores y recolectores. También sostienen que es elitista en un nivel inaceptable; es decir, aunque su visión de un mundo que regresa a los páramos y en el que hay mucho menos personas acaso atraiga a una pequeña cantidad de personas relativamente ricas e instruidas, no tiene nada que ofrecer a las grandes masas de seres humanos pobres que tratan de sobrevivir. Y como la ecología profunda exige la aceptación voluntaria de una calidad de vida material más baja, es poco probable que sus principios básicos (autorrealización e igualdad biocéntrica) se acepten en forma amplia y voluntaria. Pero regresemos a las reacciones.

5.3

REACCIONES DE SEGUNDO ORDEN Y DE ORDEN NO ENTERO La reacción de segundo orden se define como dA = r = − k A2 dt

Integrada, es A A0

1 A

dA = −k A2 A A0

= kt

1 1 = kt − A A0

t

dt 0

5.4

Vida media y tiempo doble

151

que se traza cual línea recta como se aprecia en la figura 5.3. La reacción de orden no entero (cualquier número) se define como dA = r = − k An dt

donde n es cualquier número. Integrada, es 1− n

A A0

− 1=

(n − 1) kt n) A(1− 0

Estas reacciones no son tan comunes en la ingeniería ambiental.

1 C

k 1 C0 t

Figura 5.3 Trazo de una reacción de segundo orden en la que la concentración disminuye.

5.4 VIDA MEDIA Y TIEMPO DOBLE La vida media se define como el tiempo necesario para convertir la mitad de un componente. En t = t1/2, A es 50% de A0. Al sustituir [A]/[A]0 = 0.5 en las expresiones anteriores, se determinan las vidas medias de varios órdenes de reacción. Primer orden:

t1/2 =

ln 2 0.693 = k k

Segundo orden:

t1/2 =

1 k A0

Orden no entero:

t1/2 =

n [(1/2) 1− n − 1] · A1− 0 (n − 1)k

(5.11)

El uso más común de la vida media es el caso de los radioisótopos, que se analizan más a fondo en el capítulo 15.

EJEMPLO 5.3

Problema El estroncio 90 (Sr90) es un nucleido radiactivo que se encuentra en el agua y en muchos alimentos. Tiene una vida media de 28 años y se descompone (como sucede con todos los demás nucleidos radiactivos) como reacción de primer orden. Suponga que la concentración de Sr90 en una muestra de agua tiene que reducirse en 99.9%. ¿Cuánto tiempo tardaría esto?

152

Capítulo 5 Reacciones Solución Digamos que A0 = 1; entonces A = 0.001 después de una reducción de 99.9%. Con ayuda de la ecuación 5.11, t1/2 = 0.693/k, y estableciendo que t1/2 = 28 años, k = 0.02475 año1. Con la ecuación 5.10: ln

0.001 1

= − 0.02475t t=

− 6.907 = 279 años − 0.02475

Por supuesto, el tiempo doble es la cantidad de tiempo necesaria para duplicar la cantidad de un componente. A t = t2, A es el doble que A0. Al sustituir [A]/[A]0 = 2 en las expresiones, es posible calcular los tiempos dobles de los diversos órdenes de reacción.

5.5

REACCIONES CONSECUTIVAS Por último, algunas reacciones son reacciones consecutivas de modo que AqBqCq… Si la primera reacción es de primer orden, entonces dA = − k1 A dt

De igual modo, si la segunda reacción es de primer orden respecto a B, la reacción general es dB = k1 A − k2 B dt

donde k2 es la tasa constante para la reacción B q C. Observe que parte de B se hace a una tasa de k1A, en tanto que otra parte se destruye a una tasa de k2B. La integración genera B=

k 1 A 0 − k1 t (e − e− k2 t ) + B0 e− k2 t k2 − k1

Esta ecuación se presenta de nuevo en el capítulo 8, donde se analiza el nivel de oxígeno de un arroyo; el déficit de oxígeno es B, que aumenta como resultado del consumo de O2 por parte de los microorganismos, y disminuye por la difusión de O2 en el agua desde la atmósfera. Sin embargo, para que esta reacción tenga más sentido es preciso abordar la cuestión de los ecosistemas de los arroyos y la transferencia de gas.

Problemas

153

PROBLEMAS 5.1 La muerte de los organismos coliformes debajo de un lugar de descarga de aguas residuales puede describirse como una reacción de primer orden. Se ha descubierto que 30% de dichos organismos muere en 8 horas y 55% muere en 16 horas. ¿Aproximadamente cuánto tiempo tardaría en morir el 90%? Utilice papel semilogarítmico para resolver este problema.

5.7 Muchos procesos cotidianos pueden describirse en términos de reactores.

5.2 Un nucleido radiactivo se reduce en 90% en 12 min. ¿Cuál es su vida media?

5.8 En un área de almacenamiento petrolífero abandonada hace 19 años se derramó petróleo en el suelo, y este último se saturó a una concentración probable de 400 mg/kg de suelo. Una cadena de comida rápida quiere construir un restaurante ahí y saca muestras del suelo en busca de contaminantes. Al final del proceso descubre que aún contiene residuos de petróleo a una concentración de 20 mg/kg. El ingeniero de la localidad llega a la conclusión de que, como los microorganismos del suelo deben haber destruido el petróleo a una tasa de 20 mg/kg por año, en un año más el sitio estará libre de toda contaminación.

5.3 En el proceso de primer orden, un tinte azul reacciona para formar un tinte violeta. La cantidad de azul luego de 1 hora es de 480 g y al cabo de 3 horas es de 120 g. Estime en forma gráfica la cantidad de azul que hay al inicio. 5.4 Una reacción de gran importancia social es la fermentación del azúcar con la levadura. Se trata de una reacción de orden cero (en el azúcar), donde la levadura es el catalizador (no entra en la reacción misma). Si una botella de 0.5 L contiene 4 g de azúcar y se requieren 30 minutos para convertir 50% del azúcar, ¿cuál es la tasa constante? 5.5 Integre la ecuación diferencial en la que A se hace a una tasa k1 y se destruye simultáneamente a una tasa k2. 5.6 Se diseñó un reactor por lotes para eliminar una mezcolanza por absorción. A continuación se presentan los datos:

Tiempo (min)

Concentración de mezcolanza (mg/L)

0 5 10 20 30 40

170 160 98 62 40 27

¿De qué orden parece ser esta reacción? Estime en forma gráfica la tasa constante.

a) Proponga un ejemplo de reacción de primer orden aún no descrita en el texto. b) Describa con palabras lo que sucede. c) Trace una gráfica que describa esta reacción.

a) ¿Se trata de una premisa correcta? ¿Por qué sí o por qué no? (Pista: considere la cinética.) b) ¿Cuánto tiempo calcula usted que tarde el suelo en alcanzar la contaminación aceptable de 1 mg/kg? 5.9 Un residuo radiactivo de un laboratorio clínico contiene 0.2 μCi (microcurios) de calcio 45 (45Ca) por litro. La vida media del 45Ca es de 152 días. a) ¿Cuánto tiempo debe permanecer almacenado este residuo antes de que el nivel de radiactividad descienda por debajo del máximo requerido de 0.01 μCi/L? b) El residuo radiactivo puede almacenarse de muchas formas, incluida la inyección en pozos profundos y el almacenamiento en superficie. La inyección en pozos profundos supone bombear el residuo a miles de metros por debajo de la superficie terrestre. El almacenamiento en super-

154

Capítulo 5 Reacciones ficie se da dentro de edificios en áreas aisladas, que luego se resguardan para impedir que la gente se acerque a los residuos. ¿Cuáles serían los factores de riesgo asociados con cada uno de estos métodos de almacenamiento? ¿Qué podría salir mal? ¿Qué sistema de almacenamiento consideraría usted que es superior para un residuo de esta naturaleza?

c) ¿Cómo consideraría un partidario de la ecología profunda el uso de sustancias radiactivas en el campo de la salud, sobre todo el problema del almacenamiento y la eliminación de residuos radiactivos? Al responder, procure pensar como lo haría un adepto de la ecología profunda. ¿Está de acuerdo con la conclusión que obtuvo?

NOTAS FINALES 1. Sale, Kirkpatrick (1988, mayo). Deep ecology and its critics, The Nation 14: 670-5. 2. Véase la nota 1.

3. El término “fascismo ambiental” lo acuñó Tom Regan. desJardins, Joseph (1995). Environmental Ethics. Belmont, CA: Wadsworth Publishing Co., p. 142.

C

A

P

Í

T

U

L

O

6

© Keith y Susan Morgan

Reactores

© Keith y Susan Morgan

Monumento Histórico Nacional Sloss Furnaces, Alabama

Parque costero Bahía de las Islas, Australia

Los ingenieros ambientales diseñan procesos para aprovechar el poder de las reacciones e imitar la naturaleza al convertir una entrada en una salida benéfica, o al menos inofensiva. 155

156

Capítulo 6 Reactores Los procesos pueden analizarse usando una caja negra y escribiendo un balance de materia (capítulo 4): Flujo Flujo ⎞ ⎤ ⎛ ⎡ Cantidad ⎤ ⎡ ⎢ de materiales ⎥ = ⎢ de materiales ⎥ − ⎜ de materiales⎟ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎜ ⎟ ⎢⎣ ACUMULADA ⎥⎦ ⎢⎣ ENTRADA ⎥⎦ ⎝ SALIDA ⎠ ⎛ Cantidad ⎞ ⎛ Cantidad ⎞ + ⎜ de materiales ⎟ − ⎜ de materiales ⎟ ⎟ ⎜ ⎟ ⎜ ⎝ PRODUCIDA⎠ ⎝ CONSUMIDA⎠ En el capítulo 4 consideramos que el primer término [materiales acumulados] era cero, tomando como base la suposición de estado estable. En el capítulo 5 revisamos las reacciones que, por supuesto, dependen del tiempo. Si ocurren en una caja negra ésta se convierte en un reactor y ya no es posible suponer que el primer término de la ecuación de balance de materia es cero. Muchos procesos naturales, al igual que los sistemas creados por la ingeniería, pueden analizarse de manera conveniente usando la noción de los reactores ideales. Una caja negra puede imaginarse como un reactor si tiene volumen y si a través de ella fluyen mezclas o materiales. De acuerdo con ciertas suposiciones sobre sus características de flujo y mezcla, se definen tres tipos de reactores ideales. El reactor mixto por lotes está mezclado por completo y no tiene un flujo que entre o salga de él. Se supone que el reactor de flujo estacionario no tiene una mezcla longitudinal sino una mezcla latitudinal completa. El reactor de flujo completamente mezclado (también conocido como reactor de tanque continuo o completamente mezclado, CSTR; continuosly or completely stirred tank reactor), como su nombre indica, es un reactor con una mezcla totalmente perfecta. Cuando no ocurren reacciones dentro del reactor (en otras palabras, nada se consume ni se produce), el llamado modelo de mezcla en los reactores es adecuado; cuando sí ocurren, algo se produce o se consume. El modelo de reactor describe estas condiciones. Nos enfocamos primero en los reactores sin reacciones, o el modelo de mezcla en los reactores.

6.1

MODELO DE MEZCLA Para exponer el modelo de mezcla se usa un dispositivo conocido como señal conservativa e instantánea. Una señal sólo es un trazador que se coloca en el flujo mientras entra al reactor, que permite la caracterización del reactor al medir la señal (por lo común, la concentración del trazador) con tiempo. El término “conservativa” significa que la señal en sí no reacciona. Por ejemplo, un tinte de color que se introduce en el agua no reaccionaría de modo químico y no perdería ni ganaría color. “Instantánea” quiere decir que la señal (una vez más, como un tinte de color) se introduce al reactor toda al mismo tiempo, es decir, no a lo largo del tiempo. En la vida real esto puede describirse, por ejemplo, como sumergir una taza de tinte en un cubo de agua. Las señales conservativas e instantáneas pueden aplicarse a los tres tipos básicos de reactores: mixtos por lotes, de flujo estacionario y de flujo completamente mezclado.

6.1.1 Reactores mixtos por lotes El reactor mixto por lotes, que se ilustra en la figura 6.1A, se considera primero; recuerde que este reactor no tiene entrada ni salida de flujo. Si se introduce la señal conservativa instantá-

6.1

Modelo de mezcla

157

1 C C0

t A

0 B

Figura 6.1 A) Un receptor mixto por lotes, y B) su curva de distribución C. El símbolo de hélice significa que está perfectamente mezclado, sin gradientes de concentración.

nea, se supone que se mezcla de inmediato (tiempo de mezcla cero). La suposición de mezcla puede ilustrarse usando una curva que se representa en la figura 6.1B. La ordenada indica la concentración en cualquier momento t dividida entre la concentración inicial. Antes de t = 0, no hay señal (tinte) en el reactor. Cuando se introduce la señal, ésta se distribuye de inmediato y en forma uniforme en el recipiente del reactor debido a que se supone que hay una mezcla perfecta. Por tanto, la concentración salta instantáneamente a C0, la concentración a t = 0 después que se introduce la señal. La concentración no cambia durante ese tiempo, ya que no hay flujo que entre o salga del reactor y debido a que el tinte no se destruye (es conservativo). Un diagrama como la figura 6.1B por lo común se denomina distribución C y es una forma útil de representar de modo gráfico el comportamiento de los reactores. Una curva de distribución C puede graficarse sólo como C contra t, pero con más frecuencia se normaliza y se grafica como C/C0 contra t. Para un reactor mixto por lotes, a t = 0, después de que se ha introducido la señal, C = C0 y C/C0 = 1. Aunque los reactores mixtos por lotes son útiles en varias aplicaciones industriales y de control de la contaminación, un reactor mucho más común es aquel en el que el flujo que entra y sale es continuo. Dichos reactores pueden describirse considerando dos tipos ideales: de flujo estacionario y de flujo completamente mezclado.

6.1.2 Reactores de flujo estacionario La figura 6.2A en la siguiente página ilustra las características de un reactor de flujo estacionario (PFR; plug-flow reactor). Imagine un tubo muy largo (como una manguera de jardín) por el que pasa un flujo continuo. Suponga que mientras el líquido está en el tubo no experimenta una mezcla longitudinal. Si se introduce una señal conservativa de manera instantánea en el reactor en el extremo entrante, dos elementos en esa señal que entren juntos en el reactor siempre saldrán en el extremo efluente al mismo tiempo. Todos los elementos de la señal tienen tiempos de retención exactamente iguales, definidos como el tiempo entre la entrada y la salida del reactor y se calcula como t=

donde

V Q

t = tiempo de retención hidráulica, s V = volumen del reactor, m3 Q = flujo volumétrico del reactor, m3/s

158

Capítulo 6 Reactores Q

V A

1 C C0

F

0

0

t

t

t

t

B

C

Figura 6.2 A) Un reactor de flujo estacionario; B) su curva de distribución C, y C) curva de distribución F.

Note que el tiempo de retención en un PFR ideal es el tiempo que cualquier partícula de agua pasa en el reactor. Otra forma de pensar en el tiempo de retención es el lapso necesario para llenar un reactor. Si se trata de un flujo estacionario, es como abrir la llave del agua dentro de una manguera para jardín vacía y esperar a que el agua salga por el otro extremo. La misma definición del tiempo de retención se mantiene para cualquier tipo de reactor. Si se introduce una señal conservativa instantánea en el reactor, ésta se mueve como un tapón (!) a través del reactor, saliendo en el tiempo t . Antes del tiempo t nada de la señal sale del reactor y la concentración de la señal en el flujo es cero (C = 0). Inmediatamente después de , toda la señal ha salido y de nuevo C = 0. La curva de distribución es, por tanto, un máximo instantáneo que se muestra en la figura 6.2B. Otro medio conveniente de describir un reactor de flujo estacionario es usar la distribución F (figura 6.2C). F se define como la fracción de la señal que ha dejado el reactor en cualquier tiempo t: F=

donde

A0 − A R A0

A0 = cantidad (por lo general, masa) de trazador agregado al reactor AR = cantidad de trazador que queda en el reactor

Como se muestra en la figura 6.2C, en t = t toda la señal sale al mismo tiempo, así que F = 1. Para recapitular, el flujo estacionario perfecto ocurre cuando no hay una mezcla longitudinal en el reactor. Es obvio que esto es poco realista en la práctica. Lo mismo aplica para el tercer tipo de reactor ideal, que se expone a continuación.

6.1.3 Reactores de flujo completamente mezclado En un reactor de flujo completamente mezclado (CMF; completely mixed-flow) se supone que hay una mezcla perfecta. No hay gradientes de concentración en ningún momento, y una señal se mezcla por completo y de manera instantánea. La figura 6.3A ilustra un reactor así.

6.1

Modelo de mezcla

159

Q

Q

V A 1 C C0

1 F

0.632

0.368 0

t

0

t

B

t

t

C

Figura 6.3 A) Un reactor de flujo completamente mezclado; B) su curva de distribución C, y C) curva de distribución F.

Puede introducirse una señal conservativa instantánea en la alimentación del reactor CMF y la ecuación de balance de masa escribirse como ⎡ Cantidad ⎤ ⎡ Flujo ⎤ ⎛ Flujo ⎞ ⎢ de la señal ⎥ = ⎢ de la señal ⎥ − ⎜ de la señal⎟ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎜ ⎟ ⎢⎣ ACUMULADA ⎥⎦ ⎢⎣ ENTRADA ⎥⎦ ⎝ SALIDA ⎠ Flujo ⎛ ⎞ ⎛ Cantidad ⎞ + ⎜ de la señal ⎟ − ⎜ de la señal ⎟ ⎟ ⎜ ⎟ ⎜ ⎝ PRODUCIDA⎠ ⎝ CONSUMIDA⎠ Debido a que se supone que la señal es instantánea, el flujo al que se introduce la señal es cero. Del mismo modo, la señal es conservativa y, por consiguiente, el flujo producido y el flujo consumido son cero. Por tanto, Flujo ⎡ ⎤ ⎡ Flujo ⎤ ⎢ de la señal ⎥ = 0 − ⎢ de la señal ⎥ + 0 − 0 ⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎢⎣ ACUMULADA ⎥⎦ ⎢⎣ SALIDA ⎥⎦ Si la cantidad de señal en el reactor en cualquier tiempo t es A, y A0 es la cantidad de señal en t = 0, la concentración de la señal en el reactor a t = 0 es C0 =

donde

A0 V

C0 = concentración de la señal en el reactor en el tiempo cero A0 = cantidad (por ejemplo, masa) de la señal en el reactor en el tiempo cero V = volumen del reactor

160

Capítulo 6 Reactores Después de que se ha introducido la señal en forma instantánea, el líquido claro continúa fluyendo hacia el reactor, de modo que dentro de éste la señal en el reactor se diluye de manera progresiva. En cualquier tiempo t la concentración de la señal es

C= donde

A V

C = concentración de la señal en cualquier momento t A = cantidad de señal en cualquier momento t V = volumen del reactor

Debido a que el reactor es de mezcla perfecta, la concentración de la señal en el flujo que se retira del mismo también debe ser C. La velocidad a la que se retira la señal del reactor es igual a la concentración por la velocidad de flujo (capítulo 3). Al sustituir esto en la ecuación de balance de masa se produce Tasa ⎡ ⎤ ⎢ de la señal ⎥ = −CQ = − ⎛ A ⎞ Q ⎜⎝ ⎟⎠ ⎢ ⎥ C ⎢⎣ ACUMULADA ⎥⎦ donde Q = velocidad de flujo que entra y sale del reactor. Se supone que el volumen del reactor, V, es constante. La velocidad a la que se acumula la señal A es d A/dt, de modo que

dA A =− dt V

Q

Esta ecuación puede integrarse: A A0

dA =− A

t 0

Q dt V

o

ln A − ln A0 = −

Q t V

A = e− ( Qt/V ) A0 El tiempo de retención es

t=

V Q

(Nota: Ahora el tiempo de retención se define como el tiempo promedio que pasa una partícula de agua en el reactor. Esto aún es numéricamente igual al tiempo necesario para llenar el volumen del reactor V con un flujo Q, igual que para el reactor de flujo estacionario.) Al sustituir produce

A = e− (t/t) A0

6.1

Modelo de mezcla

161

Tanto A como A0 se dividen entre V para obtener C y C0; así

C = e− (t/t) C0 Esta ecuación ahora puede ser graficada como la distribución C que se muestra en la figura 6.3B. En el tiempo de retención, t = t ,

C = e− 1 = 0.368 C0 lo que significa que en el tiempo de retención, 36.8% de la señal todavía se encuentra en el reactor y 63.2% ha salido. Esto se ilustra mejor con la distribución F en la figura 6.3C.

6.1.4 Reactores de flujo completamente mezclado en serie La factibilidad del modelo de mezcla de reactores puede aumentar en gran medida al considerar una configuración más: una serie de reactores CMF, como se presenta en la figura 6.4. Cada uno de los n reactores tiene un volumen de V0, de modo que V = n × V0. Llevar a cabo un balance de masa en el primer reactor y usar una señal conservativa instantánea como antes resulta en

Q d A1 =− dt V0 donde

A1

A1 = cantidad de la señal en el primer reactor en cualquier tiempo t, en unidades como kg V0 = volumen del reactor 1, m3 Q = velocidad de flujo, m3/s

y como antes:

A1 = A0 e− ( Qt/V0 )

(6.1)

donde A0 = cantidad de la señal en el reactor en t = 0. Para cada reactor el tiempo de retención es t 0 = V0/Q, de modo que

A1 = e− (t/t 0 ) A0 Q

Q V0

V0

V0

V0

1

2

3

n

Figura 6.4 Una serie de reactores CMF.

162

Capítulo 6 Reactores Para el segundo reactor el balance de masa se lee como antes, y los últimos dos términos de nuevo son cero. Pero ahora el reactor recibe una señal a lo largo del tiempo al igual que realiza la descarga. Además de la acumulación de la señal, también hay un flujo de entrada y uno de salida. En forma diferencial: d A2 Q Q A1 − A2 = dt V0 V0 Al sustituir en A1 (ecuación 6.1): d A2 = dt

Q V0

A0 e− ( Qt/V0 ) −

Q V0

A2

e integrando: A2 =

Qt V0

A0 e− ( Qt/V0 )

Para tres reactores: e− (t/t 0 ) 2!

A3 t = A0 t0

En general, para i reactores: Ai = A0

t t0

i− 1

e− (t/t 0 ) (i − 1)!

Para una serie de n reactores en términos de concentración (obtenida dividiendo tanto Ai como A0 entre el volumen del reactor V0): Cn = C0

t t0

n− 1

e− (t/t 0 )

1 (n − 1)!

(6.2)

La ecuación 6.2 describe la cantidad de una señal conservativa instantánea en cualquiera de una serie de n reactores en el tiempo t, y puede usarse de nuevo para graficar la distribución C. Además, recuerde que nV0 = V, de modo que el volumen total del reactor entero nunca cambia. El volumen del reactor grande sólo se divide entre n volúmenes iguales más pequeños o nt 0 = t =

V Q

Además si se introduce una masa M en un reactor individual de volumen V0, la concentración inicial es C0(1) =

M V0

Si se introduce la misma masa en el primer reactor de una serie de dos reactores CMF, cada uno de volumen V0/2, C0(2) =

2M M = = 2C0(1) V0 /2 V0

6.1

Modelo de mezcla

163

Para n reactores, nM = nC0(1) V0

C0(n) =

La distribución F es un buen descriptor del comportamiento del trazador conforme un reactor CMF se divide en volúmenes CMF individuales más pequeños. M0 − M R M0

F=

La masa del trazador restante en cada uno de los reactores es Mr = M1 + M2 + M3 + . . . + Mn = V0 (C1 + C2 + C3 + . . . + Cn ) M0 = V0 C0 F=

C0 − (C1 + C2 + · · · + Cn ) = 1− C0

C1 C2 Cn + +··· C0 C0 C0

Considere ahora cuál sería la concentración en el primer reactor cuando se aplica la señal. Debido a que el volumen de este primer reactor de una serie de n reactores es V0 = V/n, la concentración en cualquier tiempo debe ser n veces la de un reactor grande (misma cantidad de señal diluida por sólo un n-ésimo del volumen). Si entonces es necesario calcular la concentración de la señal en cualquier reactor subsiguiente, la ecuación debe ser Cn = n C0

(n− 1)

t t0

e− (t/t 0 ) (n − 1)!

= n

nt t

(n− 1)

e− (nt/t) (n − 1)!

(6.3)

donde C0 = concentración de la señal en el primer reactor. El volumen total de un reactor dividido entre n volúmenes debe compararse con base en el tiempo de retención total en el sistema, que es t¯ =

V Q

1 2!

e− nt /t¯ + · · · +

Así,

F = 1 − e− nt /t¯ + = 1 − e− nt /t¯ 1 + = 1 − e− nt /t¯ 1 +

nt − nt /t¯ e + t¯ nt t¯ n

i= 1

+ nt t¯

nt t¯ nt t¯

i− 1

2

2

1 2!

+ ··· +

nt t¯

n− 1

nt t¯

n− 1

1 (n − 1)!

1 (n − 1)!

1 (i − 1)!

La distribución F para varios reactores en serie se representa en la figura 6.5.

e− nt /t¯

164

Capítulo 6 Reactores 1

n=1 n = 10

F

n=∞ n = 20 0 0

t

t

Figura 6.5 Curva de distribución F para una serie de reactores CMF.

Conforme aumenta el número de reactores, la curva de distribución F se vuelve cada vez más parecida a una curva en forma de S. En n = infinito se vuelve exactamente como la curva de distribución F para un reactor de flujo estacionario (figura 6.2C). Esto puede visualizarse con facilidad como una gran cantidad de reactores en serie de modo que un tapón se mueve con rapidez de un reactor muy pequeño a otro, y debido a que cada reactor pequeño tiene un tiempo de residencia muy breve, tan pronto como entra en un reactor es desalojado hacia el siguiente. Por supuesto, así es justo como se mueve el tapón a través del reactor de flujo estacionario.

EJEMPLO 6.1

Problema Se decide estimar el efecto de dividir un estanque de aireación de completamente mezclado (que se usa para el tratamiento de aguas residuales) en 2, 5, 10 y 20 secciones, de modo que el flujo entre en cada sección en serie. Trace las distribuciones C y F para una señal conservativa instantánea para el estanque único y el estanque dividido. Solución Para un solo estanque: C = e− (t/ t ) C0

donde

C = concentración de la señal en el efluente en el tiempo t C0 = concentración en el tiempo t0 t = tiempo de retención

Al sustituir varios valores de t: C/C0 = e− (0.25)

= 0.779

C/C0 = e

− (0.50)

= 0.607

t = 0.75t

C/C0 = e

− (0.75)

= 0.472

t= t

C/C0 = e− 1

= 0.368

t = 2t

C/C0 = e− 2

= 0.135

t = 0.25t t = 0.5t

Estos resultados se grafican en la figura 6.6 y describen un solo reactor, n = 1.

6.1

Cn C0

1.8 1.6 1.4 1.2

Modelo de mezcla

165

n 1 2 5 10 20

n = 20 n = 10 n=1

n=2 0.8 0.6 n=5 0.4 0.2 0 0 t

t

Figura 6.6 Curvas de distribución C reales para el ejemplo 6.1.

Pueden realizarse cálculos similares para una serie de reactores. Por ejemplo, para n = 10, recuerde que 10t 0 = t , y usando la ecuación 6.3: 1 C10 = (10)( 10) 9 e− 10 = 1.25 t= t C0 9! 1 C10 = (10)( 5) 9 e− 5 = 0.36 C0 9!

t = 0.5t

Estos datos también se grafican en la figura 6.6. Ahora para la distribución F; con un reactor: t = 0.25t t = 0.5t t= t

F = 1 − e− 0.25 F = 1 − e− 0.50 F = 1 − e− 1

= 0.221 = 0.393 = 0.632

t = 2t

F = 1 − e− 2

= 0.865

y para los 10 reactores en serie: F = 1 − e− (nt/t) 1 +

nt + t

nt t

2

1 2!

+ ··· +

nt t

n− 1

1 (n − 1)!

A t = 0.5t : F = 1 − e− 5 [1 + 5 + (5) 2 (1/2!) + (5) 3 (1/3!) + · · · + (5) 9 (1/9!)] = 1 − 0.00674[1 + 5 + 12.5 + 12.5 + 20.83 + 26.04 + 26.04 + 21.70 + 15.50 + 9.68 + 5.48] = 1 − 0.969 = 0.031

166

Capítulo 6 Reactores 1

n=1 n = 10

F 0.5 0

n=∞ 0

t

t

Figura 6.7 Curvas de distribución F reales para el ejemplo 6.1.

Del mismo modo, en t/t = 1: F = 1 − e− 10 1 + 10 + (10) 2

1 2!

+ · · · + (10) 9

1 9!

y así sucesivamente. Estos resultados se grafican en la figura 6.7.

Note una vez más que, como muestran claramente las curvas C y F, conforme el número de reactores pequeños (n) aumenta, la serie de reactores completamente mezclados se comportan cada vez más como un reactor de flujo estacionario ideal.

6.1.5 Modelos de mezcla con señales continuas Hasta ahora las señales que se han usado son instantáneas y conservativas. Si se elimina la restricción de instantánea, la señal puede considerarse continua. Una señal conservativa continua aplicada a un PFR ideal produce una curva de distribución C, con una discontinuidad que va desde C = 0 hasta C = C0 en el tiempo t. Para un reactor CMF la curva C para cuando una señal se corta es exactamente como la curva para una señal instantánea. El reactor sólo se descarga con agua limpia y la concentración del tinte disminuye de manera exponencial como antes. Si se introduce una señal continua a un reactor a t = 0 y sigue, ¿cómo se vería la curva C? Comience por escribir una ecuación de balance de masa como antes. Recuerde que el flujo de tinte que entra es fijo mientras que de nuevo los flujos de producción y consumo son cero. La ecuación que describe un reactor CMF con una señal conservativa continua (desde t = 0) se escribe por tanto en forma diferencial como dC = QC0 − QC dt

y después de la integración: C = C0 (1 − e Qt )

6.1.6 Reactores de flujo arbitrario Nada en este mundo es ideal, incluidos los reactores. En los reactores de flujo estacionario es obvio que hay algo de mezcla longitudinal que produce una distribución C más parecida a la

6.2

Real

167

Ideal

Ideal C C0

Modelos de reactores

C C0 Real

t

t

A

t

t

B

Figura 6.8 Curvas de distribución C para reactores ideales y reales; A) reactor de flujo estacionario y B) reactor de flujo completamente mezclado.

que se muestra en la figura 6.8A que a la de la figura 6.2B. Del mismo modo, un reactor de flujo completamente mezclado no puede mezclarse de manera ideal, de modo que su curva de distribución C se comporta más como la que se representa en la figura 6.8B en lugar de la figura 6.3B. Estos reactores no ideales de manera común se denominan reactores de flujo arbitrario. Debería ser evidente que la curva de distribución C real en la figura 6.8B para el reactor CMF no ideal (flujo arbitrario) se ve sospechosamente como la curva C para dos CMF en serie en la figura 6.6. De hecho, viendo la figura 6.6, conforme el número de CMF en serie se incrementa, la curva de distribución C se aproxima a la curva C para el reactor de flujo estacionario perfecto (ideal). Por tanto, parece razonable esperar que todos los reactores de la vida real (de flujo arbitrario) operen en realidad en el modo de mezcla como una serie de reactores CMF. Este análisis permite una observación cuantitativa de las propiedades de flujo del reactor en términos de n reactores CMF en serie, donde n representa el número de CMF en serie y define el tipo de reactor. Un análisis más profundo de los modelos de mezcla está fuera del alcance de esta breve exposición y se canaliza al estudiante a cualquier texto moderno sobre la teoría de reactores para un estudio más avanzado.

6.2 MODELOS DE REACTORES Como se señaló antes, los reactores pueden describirse en dos formas: 1) sólo en términos de sus propiedades de mezcla sin que tengan lugar reacciones, o 2) como reactores verdaderos, en los que ocurre una reacción. En la sección anterior se introdujo el concepto de mezcla, y es tiempo de introducir reacciones en estos reactores. Planteado de otra forma, se elimina la restricción sobre que la señal es conservativa. Una vez más consideramos tres reactores ideales diferentes: mixto por lotes, de flujo estacionario y de flujo completamente mezclado

6.2.1

Reactores mixtos por lotes

Las mismas suposiciones se cumplen aquí como en la sección anterior, a saber, se supone una mezcla perfecta (no hay gradientes de concentración). El balance de masa en términos del material sometido a alguna reacción es

168

Capítulo 6 Reactores

ENFOQUE

El episodio del Valle del Mosa1,2 El río Mosa fluye hacia el norte por el límite de Bélgica. Durante la década de 1930 esta área fue el centro de la industria pesada en la región. Con sus minas de carbón y plantas siderúrgicas y la transportación proporcionada por el río Mosa, ciudades como Lieja se volvieron ricas e importantes desde el punto de vista económico. No había control de la contaminación del aire y las personas de la región habían aprendido a vivir con la atmósfera sucia. El humo significaba empleos y prosperidad. La cuenca del río de 20 km de Huy a Lieja es estrecha (1-2 km) con paredes escarpadas (60-80 m) (figura 6.9). Por lo general un viento barre la contaminación fuera del valle, pero a principios de diciembre de 1930 hubo poco viento y una niebla se asentó sobre la llanura. Ocurrió una inversión de radiación “justo encima de las chimeneas más altas” y no se dispersaba debido a la niebla; ésta

duró cinco días. Las primeras enfermedades comenzaron el 3 de diciembre luego de dos días; las primeras muertes ocurrieron el 4 de diciembre. Al final 60 personas perdieron la vida, la mayoría fueron ancianos que ya tenían mala salud. Pero incluso los individuos sanos más jóvenes tosían y respiraban con dificultad. De hecho algunos de los enfermaron estuvieron al aire libre durante la niebla. Los animales domésticos y silvestres también se vieron afectados por problemas respiratorios, y se informó que el ganado, las aves y las ratas murieron durante el episodio. La causa del desastre fue investigada por una “comisión de expertos... integrada por médicos, químicos y un meteorólogo”.1 Aunque la comisión “identificó alrededor de 30 sustancias liberadas por 27 fábricas”1 en el valle, determinó que la causa más probable era una concentración alta de

N

W

LIEJA

E

20

km

Tilleur

Jemeppe

S

Remake Flemalle Grande Haute Chokia

Engis

Ramet

Seraing

Sclessin Ougree

Grivegnée Angleur

Chenee

Iovz

Clermont Amay Ampsin Ombret-Ransa

HUY

Neuville S/Huy Tihange

Low Tierras bajas Tierras altas Área densamente poblada Cpmplejo industrial o fábrica grande Muertos Límite del área afectada

Figura 6.9 Valle del Mosa, Bélgica. Basado en Nemery, Benoit, Peter H. M. Hoet y Abderrahim Nemmar (2001, 3 de marzo). “The Meuse Valley Fog of 1930: An Air Pollution Disaster.” Lancet, vol. 357, número 9257, figura 1, p. 705.

6.2

dióxido de azufre (SO2) (y los productos que eran resultado de su oxidación, en particular el ácido sulfúrico [H2SO4[), causada por la emisión de los compuestos de azufre de los fuegos de carbón industriales y domésticos. También postularon que quizá las partículas de hollín muy finas que podían absorber irritantes hubiesen contribuido con el problema. Otros mencionaron el flúor como un factor importante en las muertes. Después del episodio no se hizo nada para apoyar a las personas que vivían en el Valle del Mosa, aunque la comisión de expertos advirtió que “el mismo accidente sucedería otra vez” sin cambios y una comisión subsiguiente nombrada para evaluar la legislación de la contaminación del aire industrial recomendó cambios. “La contaminación del aire se consideraba una consecuencia inevitable de la prosperidad.”1

Modelos de reactores

169

Sin embargo, el episodio recibió atención internacional, convirtiéndose en el primero en documentarse por contaminación del aire que involucraba decesos humanos y establecía los efectos de las inversiones de temperatura y la niebla en la contaminación del aire. La experiencia en el Valle del Mosa ayudó a los investigadores a entender mejor la causa y el efecto de la contaminación del aire durante el episodio de Donora 18 años después (capítulo 1). Fuente: Nemery, Benoit, Peter H.M. Hoet y Abderrahim Nemmar (2001, 3 de marzo). “The Meuse Valley Fog of 1930: An Air Pollution Disaster.” Lancet, vol. 357, número 9257, figura 1, pp. 704708; Roholm, Kaj. 1937. “The Fog Disaster in the Meuse Valley, 1930: A Flourine Intoxication”. The Journal of Industrial Hygiene and Toxicology, vol. 19, pp. 126-137.

⎡ Cantidad ⎤ ⎡ Flujo ⎤ ⎡ Flujo ⎤ ⎢ ACUMULADA ⎥ = ⎢ ENTRADA ⎥ − ⎢SALIDA ⎥ ⎦ ⎦ ⎣ ⎦ ⎣ ⎣ ⎡ Cantidad ⎤ ⎡ Cantidad ⎤ +⎢ ⎥ ⎥−⎢ ⎣ PRODUCIDA ⎦ ⎣CONSUMIDA ⎦ Debido a que es un reactor por lotes, no hay flujo de entrada ni de salida, y por tanto ⎡ Cantidad ⎤ ⎡ Cantidad ⎤ ⎡ Cantidad ⎤ ⎢ ACUMULADA ⎥ = ⎢ PRODUCIDA ⎥ − ⎢CONSUMIDA ⎥ ⎦ ⎦ ⎣ ⎦ ⎣ ⎣ Si el material se produce y no hay consumo, esta ecuación puede escribirse como dC V = rV dt

donde

C = concentración del material en cualquier tiempo t, mg/L V = volumen del reactor, L r = tasa de reacción, mg/L/s t = tiempo, s

El término de volumen, V, aparece porque éste es un equilibrio de masa, y recuerde que ⎡ Flujo ⎤ ⎡ Flujo ⎤ ⎢ de masa ⎥ = [Concentración] × ⎢ de volumen ⎥ ⎦ ⎦ ⎣ ⎣

170

Capítulo 6 Reactores Las unidades del término de la izquierda (acumulación) son (mg/L) mg L= s s

y las unidades del lado derecho son (mg/L/s) × (L) =

mg s

El término de volumen, por supuesto, puede cancelarse, de modo que dC =r dt

e integrada C

t

dC = r

C0

dt 0

Para una reacción de orden cero, r = k, donde k = constante de velocidad de la reacción, y por tanto C − C0 = kt

(6.4)

La ecuación 6.4 se cumple cuando el material en cuestión se produce. En la situación donde el reactor destruye el componente, la velocidad de reacción es negativa, así que C − C0 = −kt

(6.5)

En ambos casos: C = concentración del material en cualquier tiempo t C0 = concentración del material en t = 0 k = velocidad de reacción constante Si la reacción es de primer orden: r = kC

así, dC = kC dt

Con la constante de velocidad k teniendo unidades de tiempo–1. Integradas, C C0

ln

dC = k C

t

dt 0

C = kt C0 C = C0 ekt

(6.6)

6.2

Modelos de reactores

171

Si el material se consume, la velocidad de reacción es negativa de modo que

ln

C = − kt C0

(6.7a)

ln

C0 = kt C

(6.7b)

C = C0 e− kt

EJEMPLO 6.2

Problema Un proceso de tratamiento de aguas residuales industriales usa carbón activado para eliminar el color del agua. El color se reduce como una reacción de primer orden en un sistema de absorción por lotes. Si la constante de velocidad (k) es 0.35 día–1, ¿cuánto tiempo tomaría eliminar 90% del color? Solución Sea C0 = concentración inicial del color, y C = concentración del color en cualquier tiempo t. Es necesario alcanzar 0.1 C0. Use la ecuación 6.7b. C0 C

ln

ln

C0 0.1C0

= 0.35t

1 0.1

= 0.35t

ln t=

6.2.2

= kt

2.30 = 6.6 días 0.35

Reactores de flujo estacionario

Las ecuaciones para los reactores mixtos por lotes también se aplican de manera adecuada a los reactores de flujo estacionario, porque se supone que en los reactores de flujo estacionario perfectos un tapón de materiales reactantes fluye a través del reactor y es en sí como un reactor por lotes en miniatura. Por tanto, para una reacción de orden cero que ocurre en un reactor de flujo estacionario en el que se produce material: C = C0 + kt

donde

C = concentración efluente C0 = concentración entrante t = tiempo de retención del reactor = V/Q V = volumen del reactor Q = velocidad de flujo a través del reactor

(6.8)

172

Capítulo 6 Reactores Si el material se consume como una reacción de orden cero: C = C0 − kt

(6.9)

Si el material se produce como una reacción de primer orden: ln

C = kt C0

ln

C = k C0 V=

(6.10) V Q Q k

ln

C C0

y si se consume: ln

C = − kt C0 V= V=

EJEMPLO 6.3

−

(6.11) Q k

ln

C C0

Q C0 ln k C

Problema Una industria desea usar un canal de drenaje largo para eliminar el olor de sus desechos. Suponga que el canal actúa como un reactor de flujo estacionario. La reducción del olor ocurre como una reacción de primer orden, con la constante de velocidad k = 0.35 día–1. La velocidad de flujo es 1,600 L/d. ¿Qué tan largo debe ser el canal si la velocidad del flujo es 0.5 m/s y se desea 90% de reducción del olor? Solución Con la ecuación 6.11: ln ln

C = −kt C0

0.1C0 = −(0.35)t C0

ln(0.1) = −(0.35)t t = 6.58 días Largo del canal = 0.5

m s × 6.58 días × 86, 400 s día

= 2.8 × 105 m(!)

6.2

6.2.3

Modelos de reactores

173

Reactores de flujo completamente mezclado

El balance de masa para el reactor de flujo completamente mezclado puede escribirse en términos del material en cuestión como ⎡ Cantidad ⎤ ⎡ Flujo ⎤ ⎡ Flujo ⎤ ⎢ ACUMULADA ⎥ = ⎢ ENTRADA ⎥ − ⎢SALIDA ⎥ ⎦ ⎦ ⎣ ⎦ ⎣ ⎣ ⎡ Cantidad ⎤ ⎡ Cantidad ⎤ +⎢ ⎥ ⎥−⎢ ⎣ PRODUCIDA ⎦ ⎣CONSUMIDA ⎦ dC V = QC0 − QC + r1 V − r2 V dt

donde

C0 = concentración del material en la entrada, mg/L C = concentración del material en el efluente, y en cualquier lugar y tiempo en el reactor, mg/L r = velocidad de reacción V = volumen del reactor, L

Ahora es necesario suponer de nuevo una operación de estado estable. Aunque una reacción tiene lugar dentro del reactor, la concentración del efluente (y por tanto la concentración en el reactor) no cambia con el tiempo. Es decir: dC V= 0 dt

Si la reacción es de orden cero y el material se produce, r = k, el término de consumo es cero, y 0 = QC0 − QC + kV C = C0 + k

V Q

C = C0 + kt

(6.12)

O, si el material se consume por una reacción de orden cero: C = C0 − kt

(6.13)

Si la reacción es de primer orden y el material se produce, r = kC, y 0 = QC0 − QC + kC V C0 V = 1− k C Q C0 = 1 − kt C C=

QC0 Q − kV

(6.14)

174

Capítulo 6 Reactores Si la reacción es de primer orden y el material se destruye: C0 = 1+ k C

V Q

C0 = 1 + kt C QC0 C= Q + kV V=

Q k

(6.15a) (6.15b)

C0 − 1 C

La ecuación 6.15a tiene sentido común. Suponga que es necesario maximizar el desempeño de un reactor que destruye un componente, es decir, se desea incrementar (C0/C), o hacer C pequeño. Es posible lograr esto al: a) Incrementar el volumen del reactor, V b) Disminuir la velocidad de flujo al reactor, Q c) Incrementar la constante de velocidad, k La constante de velocidad k depende de numerosas variables, como la temperatura y la intensidad de la mezcla. La variabilidad de k con la temperatura por lo común se expresa en forma exponencial como k T = k0 e

donde

EJEMPLO 6.4

T − T0 )

= una constante k0 = la constante de velocidad a la temperatura T0 kT = la constante de velocidad a la temperatura T

Problema Un proceso de desinfección nuevo destruye los organismos coliformes (coli) en el agua usando un reactor de flujo completamente mezclado. La reacción es de primer orden, con k = 1.0 día–1. La concentración a la entrada es 100 coli/mL. El volumen del reactor es de 400 L, y la velocidad de flujo es de 1,600 L/d. ¿Cuál es la concentración efluente de los coliformes? Solución ⎡ Cantidad ⎤ ⎡ Flujo ⎤ ⎡ Flujo ⎤ ⎢ ACUMULADA ⎥ = ⎢ ENTRADA ⎥ − ⎢SALIDA ⎥ ⎦ ⎦ ⎣ ⎦ ⎣ ⎣ ⎡ Cantidad ⎤ ⎡ Cantidad ⎤ +⎢ ⎥ ⎥−⎢ ⎣ PRODUCIDA ⎦ ⎣CONSUMIDA ⎦ 0 = QC0 − QC + 0 − r V

6.2 donde

6.2.4

175

Modelos de reactores

r = kC 0 = (1,600 L/d)(100 coli/mL) – (1,600 L/d)C – (1.0 d–1)(400 L)C C = 80 coli/mL

Reactores de flujo completamente mezclado en serie

Para dos reactores CMF en serie, el efluente del primero es C1, y suponiendo una reacción de primer orden en la que el material se destruye: C0 = 1+ k C1

V0 Q

C1 = 1+ k C2

V0 Q

donde V0 es el volumen del reactor individual. Del mismo modo, para el segundo reactor, la entrada es C1, y C2 es el efluente, y para los dos reactores, C0 C1 C0 · = = 1+ k C1 C2 C2

V0 Q

2

Tabla 6.1 Características de desempeño de los reactores de flujo completamente mezclado Reacción de orden cero, material producido

C = C0 + kt

Reacción de orden cero, material destruido

C = C0 − kt

Reacción de primer orden, material producido

C0 = 1 − kt C

Reacción de primer orden, material destruido

C0 = 1 + kt C

Reacción de segundo orden, material destruido

C=

− 1 + [ 1 + 4ktC0 ] 1/2 2kt

Serie de n reactores CMF, reacción de orden cero, material destruido

C0 = Cn

Serie de n reactores CMF, reacción de primer orden, material destruido

C0 = (1 + kt 0 ) n Cn

1+

kt C0

n

Nota: C = concentración efluente; C0 = concentración entrante;kt = tiempo de retención = V/Q; k = constante de velocidad; Cn = concentración del n-esimo reactor;kt 0 = tiempo de retención en cada uno de los n reactores.

176

Capítulo 6 Reactores Tabla 6.1 Resumen del desempeño del reactor ideal Orden de la reacción Cero Primero Segundo

CMF

Q (C0 − C ) k

V= V= V=

Q k

Q k

Q (C0 − Cn ) k

V=

C0 − 1 C C0 − 1 C

Reactor de flujo estacionario

n reactores

Reactor único

V=

Qn k

1 C

C0 C

V=

Q (C0 − C ) k

1/n

− 1

Complejo

V= V=

Q k

Q C0 ln C k 1 1 − C C0

Material destruido; V = volumen del reactor; Q = velocidad de flujo; k = constante de velocidad de la reacción; C0 = concentración entrante; C = concentración efluente; n = número de reactores CMF en serie.

Para cualquier número de reactores en serie, C0 = 1+ k Cn C0 Cn

1/n

= 1+ k

V0 Q

n

V nQ

donde V = volumen de todos los reactores, igual a nV0 n = número de reactores V0 = volumen de cada reactor Las ecuaciones para reactores de flujo de completamente mezclado se resumen en la tabla 6.1.

6.2.5 Comparación del desempeño del reactor La eficiencia de los reactores ideales puede compararse resolviendo primero todas las ecuaciones descriptivas en términos de volumen del reactor, como se muestra en la tabla 6.2 y el ejemplo 6.5.

EJEMPLO 6.5

Problema Considere una reacción de primer orden que requiere una reducción de 50% en la concentración. ¿Cuál requeriría el menor volumen, un reactor de flujo estacionario o un reactor CMF? Solución De la tabla 6.2: Q C0 − 1 VCMF k C = Q C0 VPF ln k C

Problemas

177

Para una conversión de 50%, C0 = 2 C (2 − 1) VCMF = = 1.44 VPF ln 2

Conclusión: un reactor CMF requeriría 44% más volumen que un PFR.

La resolución a la que se llega en el ejemplo 6.5 es un concepto muy importante que se usa en muchos sistemas de ingeniería ambiental. Planteado en general, para órdenes de reacción mayores o iguales que uno, el reactor de flujo estacionario ideal siempre superará al reactor de flujo completamente mezclado ideal. Este hecho es una herramienta poderosa en el diseño y operación de sistemas de tratamiento.

PROBLEMAS 6.1 Una planta de teñido tiene aguas residuales muy coloreadas con un flujo de 8 mgd. Una sugerencia ha sido usar medios biológicos para tratar estas aguas residuales y eliminar la coloración, y se lleva a cabo un estudio piloto. Al usar un reactor mixto por lotes, resultan los siguientes datos: Tiempo (horas) 0 10 20 40 80

Concentración de tinte (mg/L) 900 720 570 360 230

Se usará una laguna aireada completamente mezclada (reactor por lotes). ¿Qué tan grande debe ser la laguna para lograr un efluente de 50 mg/L? 6.2 Un tanque de sedimentación tiene una velocidad de entrada de 0.6 mgd. Tiene 12 pies de profundidad y un área superficial de 8,000 pies2. ¿Cuál es el tiempo de retención hidráulica? 6.3 Un tanque de lodos activados, de 30 × 30 × 200 pies, está diseñado como un reactor de flujo estacionario, con una demanda bioquímica de oxígeno (DBO) de entrada de 200 mg/L y una velocidad de flujo de 1 mgd. a) Si la eliminación de la DBO es una reacción de primer orden, y la constante de

velocidad es de 2.5 días–1, ¿cuál es la concentración de DBO efluente? b) Si el mismo sistema opera como un reactor de flujo completamente mezclado, ¿cuál debe ser su volumen (para la misma reacción de DBO)? ¿Cuánto más grande es éste como porcentaje del volumen del flujo estacionario? c) Si se construyó el sistema de flujo estacionario y se encontró que tenía una concentración efluente de 27.6 mg/L, el sistema podría caracterizarse como una serie de reactores de flujo completamente mezclado. ¿Cuántos? (n = ?). 6.4 La gerente de la planta tiene que tomar una decisión. Necesita reducir la concentración de sal en el tanque de 8,000 galones de 30,000 mg/L a 1,000 mg/L. Puede hacerlo de dos maneras. 1. Empezar a descargarlo manteniendo el tanque bien mezclado mientras corre en una manguera con agua limpia (cero sal) a una velocidad de flujo de 60 gpm (con un efluente de 60 gpm, obviamente). 2. Puede vaciar algo del agua salina y llenarlo con suficiente agua limpia para obtener 1,000 mg/L. La velocidad máxima a la que el tanque se vaciará es 60 gpm, y el flujo máximo de agua limpia es de 100 gpm.

178

Capítulo 6 Reactores a) Si pretende hacer este trabajo en el tiempo más breve posible, ¿cuál alternativa elegirá? b) Jeremy Rifkin señala que el concepto dominante de los tiempos modernos es la eficiencia. Todo tiene que hacerse de modo que se gaste energía, esfuerzo y tiempo en las menores cantidades posibles. Señala que perdemos nuestra perspectiva del tiempo, que se ve en una forma digital (como los números digitales en un reloj) y no en forma análoga (las manecillas en un reloj convencional). Con los dígitos no podemos ver dónde estuvimos, y tampoco ver a hacia adónde vamos: perdemos toda la perspectiva del tiempo. ¿Por qué, en efecto, la gerente de la planta desearía vaciar el tanque en el menor tiempo posible? ¿Por qué está tan preocupada por el tiempo? La cuestión de tenerlo (y no desperdiciarlo) se vuelve un valor dominante en nuestra vida, en ocasiones aplastando nuestros otros valores. Escriba un artículo de una página sobre cómo valora el tiempo en su vida y cómo este valor influye en sus otros valores.

6.5 Una reacción de primer orden se emplea en la destrucción de cierta clase de microorganismo. Se usa ozono como desinfectante, y se encuentra que la reacción es

dC = − kC dt donde C = concentración de microorganismos, microbios/mL k = constante de velocidad, 0.1 min–1 t = tiempo, min El sistema presente emplea un reactor de flujo completamente mezclado, y se ha considerado un poco deflexionarlo para crear una serie de reactores CMF. a) Si el objetivo es incrementar el porcentaje de destrucción de microorganismos de 80 a 95%, ¿cuántos reactores CMF se necesitan en serie? b) En forma rutinaria matamos microorganismos y no pensamos en ello. Pero,

¿los microorganismos tienen el mismo derecho a existir que los organismos más grandes, como las ballenas por ejemplo? ¿O como las personas? ¿Deberíamos proporcionarles protección moral? ¿Un microorganismo puede convertirse en una especie en peligro de extinción? Como parte de esta asignación, escriba una carta al editor del periódico de su escuela a nombre de Microbio Coliforme, un microorganismo típico que está harto de que no se le dé igual protección y consideración dentro de la sociedad humana, y que demanda derechos microbianos. ¿Qué argumentos filosóficos pueden esgrimirse para defender los derechos del microbio? No haga una carta ridícula; considere la cuestión con seriedad, debido a que reflexiona sobre el problema entero de la ética ambiental. 6.6 Un reactor de flujo completamente mezclado, con un volumen V y una velocidad de flujo Q, tiene una reacción de orden cero, d A/dt = k, donde A es el material que se produce y k es la constante de velocidad. Derive una ecuación que permitiría el cálculo directo del volumen requerido del reactor. 6.7 Un biorreactor de completamente mezclado que se usa para cultivar penicilina opera como un sistema de orden cero. El insumo, glucosa, se convierte en varias levaduras orgánicas. La velocidad de flujo para este sistema es de 20 L/min y la velocidad de conversión constante es de 4 mg/(min-L). La concentración de la glucosa a la entrada es de 800 mg/L y el efluente debe ser menos que 100 mg/L. ¿Cuál es el reactor más pequeño capaz de producir esta conversión? 6.8 Supong a que va a diseñar un tanque de cloración para matar microorganismos en el efluente de una planta de tratamiento de aguas residuales. Es necesario matar 99.99% en un flujo de aguas residuales de 100 m3/h. Suponga que la desinfección es una reacción de primer orden con una constante de velocidad de 0.2 min–1. a) Calcule el volumen del tanque de contacto si es un reactor CMF.

Problemas b) Calcule el volumen del tanque de contacto si es un reactor de flujo estacionario. c) ¿Cuál es el tiempo de retención de ambos reactores? 6.9 Un reactor de flujo completamente mezclado, operando en un estado estable, tiene un flujo de entrada de 4 L/min y una concentración de entrada de pringue de 400 mg/L. El volumen es de

179

60 L; la reacción es de orden cero. La concentración de pringue en el reactor es de 100 mg/L. a) ¿Cuál es la constante de velocidad de reacción? b) ¿Cuál es el tiempo de retención hidráulica? c) ¿Cuál es el flujo de salida (efluente) de la concentración de pringue?

C

A

P

Í

T

U

L

O

7

© D. Hurst/Alamy

Flujos y balances de energía

© Susan Morgan

Sembradío de maíz

Camino inundado, Illinois

Los ingenieros ambientales necesitan considerar la energía que requieren los diseños, así como los cambios de energía, aun si son involuntarios, que los diseños producen. 180

7.1

Unidades de medición

181

Una persona llena de energía es la que está continuamente en movimiento, que tiene mucho qué hacer y siempre está activa. Pero algunos individuos llenos de energía al parecer nunca logran hacer todo lo que tienen qué hacer; dedican un gran esfuerzo que se traduce en pocos resultados. Obviamente, no basta con estar lleno de energía; también se espera que uno sea eficiente. La energía disponible, para que sea útil, debe canalizarse en forma eficiente hacia un uso productivo. En este capítulo consideramos la energía en términos de cantidades, flujos y usos, y las eficiencias de cada uso.

7.1 UNIDADES DE MEDICIÓN Una de las mediciones más antiguas de la energía, que los ingenieros estadounidenses todavía usan en forma generalizada, es la unidad térmica británica (BTU; British thermal unit), que se define como la cantidad de energía necesaria para calentar una libra de agua en un grado Fahrenheit. La unidad de energía que se acepta en el ámbito internacional es el joule. Otras unidades de energía comunes son la caloría y el kilovatio-hora (kWh); la primera se usa en las ciencias naturales, la segunda en la ingeniería. En la tabla 7.1 se aprecian los factores de conversión de dichas unidades y se destaca el hecho de que todas son medidas de energía y, por tanto, intercambiables.

EJEMPLO 7.1

Problema Un galón de gasolina tiene un valor de energía de 126,000 BTU. Exprese esto en: a) calorías; b) joules, y c) kWh. Solución a) 126,000 BTU × 252 cal/BTU = 3.17 × 107 cal b) 126,000 BTU × 1,054 J/BTU = 1.33 × 108 J c) 126,000 BTU × 2.93 × 10-4 kWh/BTU = 37 kWh

Tabla 7.1 Factores de conversión de energía Para convertir BTU

Calorías

a calorías joules kWh BTU joules kWh

Joules

BTU calorías kWh

Kilovatios-horas

BTU calorías joules

multiplique por 252 1,054 0.000293 0.00397 4.18 0.00116 0.000949 0.239 2.78 × 10–7 3,413 862 3.6 × 106

182

7.2

Capítulo 7 Flujos y balance de energía

BALANCES DE ENERGÍA Y CONVERSIÓN Por supuesto, hay diversas formas de energía, como química, térmica y potencial debido a la elevación. Con frecuencia la forma de energía que se encuentra disponible no es la más útil y debe convertirse en otra modalidad. Por ejemplo, el agua en un lago montañoso tiene una energía potencial y puede pasar por una turbina para convertirse en energía eléctrica que, a su vez, se convierte en calor o luz, ambas formas de energía útil. La energía química en la materia orgánica, almacenada en los enlaces de carbono-carbono y carbono-hidrógeno formados por las plantas, puede romperse por medio de un proceso como la combustión, que libera energía térmica y que, a su vez, puede usarse de manera directa o indirecta para producir vapor e impulsar los generadores eléctricos. La energía del viento es cinética y un molino de viento la convierte en mecánica, que puede convertirse en eléctrica para producir energía térmica, como la que sirve para la calefacción de las casas. La conversión de energía es, por tanto, un importante y antiguo proceso de la ingeniería. Por desgracia, siempre tiene una eficiencia menor que 100 por ciento. La energía (de cualquier tipo), cuando se expresa en unidades comunes, puede representarse como una cantidad que fluye y, por tanto, es posible analizar sus flujos empleando los mismos conceptos que se usan en el caso de los flujos y balances de materia. Como antes, un modelo de caja negra es cualquier proceso u operación en los que entran ciertos flujos y de los que salen otros. Si todos los flujos pueden contarse en forma correcta, entonces debe haber un balance. Observe la figura 7.1 y advierta que en una caja negra la energía que entra tiene que ser igual a la energía que sale (energía desperdiciada en la conversión + energía útil) más la energía acumulada en dicha caja. Esto puede expresarse como ⎡ Cantidad ⎤ ⎡ Flujo ⎤ ⎡ Flujo ⎤ ⎡ Cantidad ⎤ ⎡ Cantidad ⎤ ⎢ de energía ⎥ = ⎢ de energía ⎥ − ⎢ de energía ⎥ + ⎢ de energía ⎥ − ⎢ de energía ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎢⎣ ACUMULADA ⎥⎦ ⎢⎣ ENTRADA ⎥⎦ ⎢⎣ SALIDA ⎥⎦ ⎢⎣ PRODUCIDA ⎥⎦ ⎢⎣CONSUMIDA ⎥⎦ Por supuesto, la energía nunca se produce o consume en sentido estricto; sólo cambia de forma. Además, así como los procesos que suponen materiales pueden estudiarse en su condición de estado estable, que se define como la ausencia de cambio en el tiempo, también es posible pensar que los sistemas de energía se encuentran en un estado estable. Obviamente, si no hay cambio en el tiempo no puede haber una acumulación continua de energía, de modo que la ecuación debe leerse

Figura 7.1 Modelo de caja negra para los flujos de energía.

7.2

Balances de energía y conversión

183

[Flujo de energía ENTRADA] = [Flujo de energía SALIDA]

Recuerde que la energía que sale tiene dos términos (energía desperdiciada en la conversión y energía útil), de modo que

[Flujo de energía ENTRADA] = [Flujo de energía útil SALIDA] + [Flujo de energía desperdiciada SALIDA]

Si se conocen la entrada y la salida útil de una caja negra, la eficiencia del proceso puede calcularse como

Eficacia (%) =

EJEMPLO 7.2

energía útil SALIDA × 100 energía ENTRADA

Problema Una central eléctrica alimentada por carbón utiliza 1,000 Mg de carbón al día. (Nota: 1 Mg equivale a 1,000 kg, lo que en general se denomina tonelada métrica, o sencillamente tonelada.) El valor energético del carbón es de 28,000 kJ/kg. La central produce 2.8 × 106 kWh de electricidad cada día. ¿Cuál es la eficiencia de la central eléctrica? Solución Energía ENTRADA = (28,000 kJ (kg)(1,000 Mg/día)(1,000 kg/Mg) = 28 × 109 kJ/día

Salida de energía útil = (2.8 × 106 kWh/día)(3.6 × 106 J/kWh)(10-3 kJ/J) = 10.1 × 109 kJ/día

Eficiencia (%) = [10.1 × 109 kJ/día]/[28 × 109 kJ/día] × 100 = 36%

Otro ejemplo de cómo una forma de energía puede convertirse en otra es el calorímetro, el recurso estándar para medir el valor de la energía térmica de los materiales cuando entran en combustión. La figura 7.2 muestra el esquema de una bomba calorimétrica. La bomba es en esencia una bola de acero inoxidable que se atornilla por separado. Dentro de la bola hay un espacio vacío en el que se coloca la muestra que entrará en combustión, por ejemplo una

184

Capítulo 7 Flujos y balance de energía

Figura 7.2 Esquema simplificado de una bomba calorimétrica.

pequeña pieza de carbón, y se cierran las dos mitades atornilladas. Luego se inyecta oxígeno a alta presión en la bomba y ésta se coloca en un baño de agua adiabática con alambres que van desde ella hasta una fuente de corriente eléctrica. Por medio de una chispa producida por los alambres, el material que está dentro de la bola de acero entra en combustión y calienta la bomba que, a su vez, calienta el agua. El aumento de la temperatura en el agua se mide con un termómetro y se registra como una función de tiempo. La figura 7.3 muestra el trazo de una curva calorimétrica común. Observe que, desde el momento cero, el agua se calienta debido al calor que impera en el recinto. En t = 5 min, el interruptor está cerrado y ocurre la combustión en la bomba. El aumento de la temperatura continúa en t = 10 min, periodo en el que el agua empieza a enfriarse. El aumento neto debido a la combustión se calcula al extrapolar las líneas tanto de calor inicial como de enfriamiento y determinar la diferencia en la temperatura.

29

ΔT 18

0

5

10

Figura 7.3 Resultados de una prueba en una bomba calorimétrica.

7.2

Balances de energía y conversión

185

Ahora imagine el calorímetro como una caja negra y suponga que el recipiente está aislado de forma adecuada, de modo que la energía térmica no escapa del sistema. Debido a que ésta es una operación por lotes sencilla, no hay acumulación. La [energía que ENTRA] se debe por completo al material que entró en combustión y esto debe ser igual a la [energía que SALE], o la energía expresada como calor y medida como temperatura con el termómetro. Recuerde también que sólo se considera la energía térmica, por lo que, al suponer que no se pierde calor en la atmósfera, no se desperdicia energía. La salida de energía térmica se calcula como el aumento en la temperatura del agua multiplicado por la masa del agua más la bomba. Recuerde que una caloría se define como la cantidad de energía necesaria para elevar la temperatura de 1 g de agua en 1 ºC. Al saber cuántos gramos de agua hay en el calorímetro es posible calcular la acumulación de energía en calorías. Una cantidad de energía igual debe haberse liberado por la combustión de la muestra, y al conocer el peso de esta última es posible calcular su valor de energía. (Este análisis se simplificó de manera sustancial, y cualquier persona que se interese en los pormenores de la calorimetría debe consultar algún texto moderno de termodinámica para efectuar un análisis más detallado.) EJEMPLO 7.3

Problema Un calorímetro alberga 4 L de agua. La ignición de una muestra de 10 g de combustible derivado de residuos con un valor de energía desconocido genera un aumento de 12.5 ºC en la temperatura. ¿Cuál es el valor energético de este combustible? Ignore la masa de la bomba. Solución

Con ayuda de un balance de materia: [Energía ENTRADA] = [Energía SALIDA] Energía que sale = (4.184 J/g/K) mΔT = (4.184 J/g/K)ρ VΔT = (4.184 J/g/K)(1 g/mL)(4L)(103 mL/L)(12.5 ºC) = 209 × 103 J Energía ENTRADA = Energía SALIDA = 209 × 103 J

Valor energético del combustible = [209 × 103 J]/[10 g] = 20,900 J/g

Es fácil analizar la energía térmica con balances de energía porque la cantidad de aquella en un material es sólo su masa multiplicada por su temperatura absoluta. (Esto aplica si la capacidad térmica es independiente de la temperatura, sobre todo si no ocurren cambios de fase, como en la conversión de agua en vapor. Estas situaciones se estudian en un curso de termodinámica, muy recomendable para todos los ingenieros ambientales.) Un balance de energía para la energía térmica se efectuaría entonces en términos de la cantidad de calor, o ⎡ Energía ⎤ ⎡ Masa ⎤ ⎡ Temperatura absoluta ⎤ ⎥ ⎢ térmica ⎥ = ⎢ de material ⎥ × ⎢ del material ⎦ ⎦ ⎣ ⎦ ⎣ ⎣

186

Capítulo 7 Flujos y balance de energía Esto es análogo a los flujos de masa que ya se han analizado, salvo porque ahora el flujo es de energía. Cuando dos flujos de energía térmica se combinan, por ejemplo, la temperatura del flujo resultante en un estado estable se calcula con el método de la caja negra: 0 = [Energía térmica ENTRADA] – [Energía térmica SALIDA] + 0 – 0 o planteado de otra forma: 0 = [T1Q1 + T2Q2] – [T3Q3] La solución de la temperatura final: T3 =

donde T = Q= 1y2= 3=

T1 Q 1 + T2 Q 2 Q3

(7.1)

temperatura absoluta flujo, tiempo de masa/unidad (o tiempo de volumen/unidad si la densidad es constante) corrientes de entrada corriente de salida

El balance de masa/volumen es Q3 = Q1 + Q2 Aunque la termodinámica estricta exige que la temperatura se exprese en términos absolutos, la conversión de grados Celsius (C) a Kelvin (K) sencillamente se elimina y T puede expresarse en forma conveniente en grados Celsius.

EJEMPLO 7.4

Problema Una central eléctrica alimentada por carbón descarga 3 m3/s de agua de refrigeración a 80 ºC en un río que tiene un flujo de 15 m3/s y una temperatura de 20 ºC. ¿Cuál será la temperatura en el río inmediatamente por debajo de la descarga? Solución Con ayuda de la ecuación 7.1 y considerando la confluencia del agua del río y el agua de refrigeración como una caja negra: T3 =

T1 Q 1 + T2 Q 2 Q3

T3 =

[(80 + 273) K (3 m3 /s)] + [ (20 + 273) K (15 m3 /s)] = 303 K (3 + 15) m3 /s

o 30 ºC. Observe que el uso de temperaturas absolutas no es necesario porque los 273 se anulan.

7.3

Fuentes y disponibilidad de energía

187

7.3 FUENTES Y DISPONIBILIDAD DE ENERGÍA Tiene sentido que los complejos eléctricos utilicen los combustibles más eficientes porque éstos producirán la menor cantidad de ceniza como residuo, y probablemente constituirán el uso más barato en términos de kilovatios-hora de electricidad generada por dólar de costo de combustible. Pero los mejores combustibles, el gas natural y el petróleo, tienen reservas finitas. Las estimaciones varían sobre cuántos combustibles naturales gaseosos y líquidos permanecen en la corteza terrestre a nuestro alcance, pero la mayoría de los expertos coincide en que, si continúa su uso al ritmo creciente actual, las reservas existentes se agotarán al cabo de 50 años. Otras personas afirman que, a medida que las reservas empiecen a disminuir y el precio de estos combustibles aumente, otros combustibles se volverán menos costosos, de modo que las fuerzas del mercado limitarán el uso de los recursos. Si los pesimistas tienen razón y el mundo se queda sin petróleo y gas natural dentro de 50 años, ¿la próxima generación nos culpará por haber usado los recursos naturales de manera insensata? O ¿deberíamos nosotros, en realidad, preocuparnos por la siguiente generación? Es posible presentar un argumento sólido en el sentido de que lo más importante que podemos hacer por las generaciones siguientes es no planificar por ellas. El mundo será tan diferente y el estado de la tecnología habrá cambiado en forma tan marcada que resulta imposible estimar lo que necesitarán las futuras generaciones. Que en la actualidad nosotros nos privemos de los recursos necesarios sólo para que alguna persona en el futuro tenga el beneficio de éstos es, en función de dicho argumento, sencillamente absurdo. Por otra parte, ¿no hay ciertas cuestiones de las que podemos estar seguros en términos de las futuras generaciones? Es posible calcular con certeza que apreciarán y valorarán muchas de las mismas cosas que nosotros: les gustará que haya aire limpio y agua abundante y segura; querrán contar con espacios abiertos y parques naturales; esperarán que no haya residuos peligrosos que constituyan verdaderas bombas de tiempo. Y (esto es discutible) agradecerán que parte de lo que nosotros consideramos como recursos naturales estén ahí para que ellos los utilicen y administren. Pero la pregunta más importante es: ¿por qué deberíamos preocuparnos por las futuras generaciones? ¿Qué han hecho ellas por nosotros? ¿Dónde está la retribución en todo esto? Si ignoramos el problema de la reciprocidad y decidimos conservar los recursos energéticos, ¿cuáles son las fuentes de energía renovable disponibles? Las que se usan en la actualidad son: r
-B
FOFSHÎB
IJESPFMÊDUSJDB
EF
MPT
SÎPT r
-B
FOFSHÎB
IJESPFMÊDUSJDB
EF
MBT
NBSFBT
FO
MPT
FTUVBSJPT r
-B
FOFSHÎB
TPMBS r
-PT
SFTJEVPT
Z
PUSPT
NBUFSJBMFT
EF
EFTFDIP r
&M
WJFOUP r
-B
NBEFSB
Z
PUSBT
GPSNBT
EF
CJPNBTB
DPNP
MB
DBÒB
EF
B[ÙDBS
Z
MB
DÃTDBSB
EFM
BSSP[ Las fuentes de energía no renovable comprenden: r
-B
OVDMFBS r
&M
DBSCÓO
MB
UVSCB
Z
NBUFSJBMFT
TJNJMBSFT r
&M
HBT
OBUVSBM r
&M
QFUSÓMFP Las fuentes de energía no renovables son nuestro capital energético, la cantidad de energía que consumen los bienes que tenemos. Las fuentes renovables son análogas a nuestro ingreso energético, recursos que podemos seguir utilizando mientras el Sol brille y el viento sople. El

188

Capítulo 7 Flujos y balance de energía Otros combustibles fósiles 1.0 Energía nuclear 1.2 Energía consumida para generar electricidad 3.3 17.6 Gas natural 19.7

3.4

2.5

Importaciones netas 0.9

8.7

12.6

Energía perdida en la generación y transmisión de electricidad 11.7 Desperdicio 7.0 43.9 3.4 Casera y 14.5 comercial 16.0 10.7

17.3 Petróleo y líquidos de gas natural 17.4 Importaciones netas 12.4 8.7 Carbón 14.7

Combustible consumido en usos finales 48.0

Transporte 18.1 9.0

26.4 17.3

4.4

Industrial 19.8

Calor y trabajo útil 3.6 21.8 9.2

Exportaciones 1.6 Todas las unidades están en cuatrillones (10 15) BTU

Figura 7.4 Flujo de energía en Estados Unidos. (Según Wagner, R. H., [1978]. Environment and Man. Nueva York: Norton E. Cook.)

uso de la energía previo en Estados Unidos se ilustra en la figura 7.4. Advierta que la mayor parte de las fuentes renovables eran tan pequeñas que ni siquiera figuran en el diagrama. Sin embargo, aún agotamos con rapidez nuestro capital energético y casi no nos basamos en el ingreso de la energía renovable.

7.3.1 Equivalencia de la energía Hay una gran diferencia entre la energía potencialmente disponible y la que puede aprovecharse de manera eficiente. Por ejemplo, las mareas constituyen una de las fuentes más grandes de energía potencial. Sin embargo, la dificultad se encuentra en cómo convertir ese potencial en una forma útil, como la energía eléctrica. Con algunas excepciones notables, tales conversiones no han resultado rentables; es decir, la electricidad que es producto de la energía de las mareas cuesta mucho más que la que se genera por otros medios. Además, algunos tipos de conversiones quizá no sean eficientes en términos de energía, en cuanto a que la producción de la forma energética comercializable requiere más energía que la que se produce al final. Por ejemplo, la energía necesaria para recolectar y procesar los residuos caseros puede ser más (en términos de BTU) que la que se genera al quemar el combustible derivado de los residuos y producir electricidad. Es preciso hacer una distinción importante entre la equivalencia de energía aritmética y la equivalencia de energía de conversión. La primera se calcula sólo sobre la base de la energía, en tanto que la segunda toma en cuenta la pérdida de energía en la conversión. El ejemplo 7.5 ilustra este aspecto.

7.3 EJEMPLO 7.5

Fuentes y disponibilidad de energía

189

Problema ¿Cuáles son los equivalentes de energía aritmético y de conversión entre la gasolina (20,000 BTU/lb) y el combustible derivado de la basura (5,000 BTU/lb)? Solución Equivalencia de energía aritmética =

20, 000 BTU/lb de gasolina 5, 000 BTU/lb de basura

= 4 lb de basura/1 lb de gasolina

Pero el procesamiento de la basura para hacer el combustible también exige energía. Ésta puede estimarse acaso en 50% de la energía del combustible derivada de la basura, de modo que la energía neta real en la basura es de 2,500 BTU/lb. Por tanto, Equivalencia de energía de conversión =

20, 000 BTU/lb de gasolina 2, 500 BTU/lb de basura

= 8 lb de basura/1 lb de gasolina

(Por supuesto, tenemos una gran cantidad de basura disponible.)

Por último, está el problema práctico de hacer funcionar un automóvil con combustible derivado de la basura. Si ésta fuese una verdadera equivalencia, sólo sería cuestión de sustituir un combustible por otro sin problema. Obviamente esto no es posible, y es necesario darse cuenta de que una equivalencia de conversión no significa que un combustible pueda sustituirse con otro. Además, el valor medido de la energía de un combustible, como la gasolina, no es la energía neta de ese combustible. Se trata del valor de la energía medido por un calorímetro, pero el valor neto, o verdadero, debe calcularse al restar el costo de la energía de las inspecciones, la perforación, la producción y el transporte necesarios para generar la gasolina. Baste decir que los cálculos de equivalencias de la energía no son sencillos y, por consiguiente, las declaraciones grandilocuentes de los políticos como “podemos ahorrar miles de barriles de gasolina al año si tan sólo empezáramos a quemar todas las heces fecales de nuestras vacas” deberían tratarse con el debido escepticismo.

7.3.2

Producción de energía eléctrica

Uno de los problemas de conversión más angustiantes es la producción de electricidad a partir de los combustibles fósiles. Las centrales eléctricas actuales tienen una eficiencia menor a 40%. ¿Por qué? En primer lugar, considere el funcionamiento de una central eléctrica. En la figura 7.5 se observa que el agua se calienta hasta evaporarse en un calentador y el vapor se utiliza para hacer funcionar una turbina que, a su vez, impulsa un generador. El vapor residual debe condensarse para convertirse en agua antes de que se transforme de nuevo en vapor de alta presión. Este sistema puede simplificarse como en la figura 7.6 y el esquema resultante se denomina motor térmico. Si el trabajo realizado también se expresa como energía y se supone un estado estable, un balance de energía sobre este motor térmico genera:

190

Capítulo 7 Flujos y balance de energía Gases de combustión calientes

Turbina

Generador

Electricidad

Vapor Agua fría Bomba Agua Agua caliente

Ventilador Condensador

Carbón

Reserva de agua

Aire frío Calentador

Figura 7.5 Esquema simplificado de una central eléctrica alimentada por carbón.

Energía útil, Q U

Vapor

Agua

Flujo de calor en el sistema Q0

Flujo de calor de escape fuera del sistema QW

Figura 7.6 Motor térmico.

⎡ Cantidad ⎤ ⎡ Flujo ⎤ ⎡ Flujo ⎢ de energía ⎥ = ⎢ de energía ⎥ − ⎢ de energía ⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ ⎢⎣ ACUMULADA ⎥⎦ ⎢⎣ ENTRADA ⎥⎦ ⎢⎣ SALIDA 0 = QO – QU – QW donde QO = flujo de energía en la caja negra QU = energía útil fuera de la caja negra QW = energía residual fuera de la caja negra La eficiencia de este sistema, como ya se definió, es Eficiencia (%) =

QU × 100 Q0

⎤ ⎡ Cantidad ⎥ − ⎢ de energía ⎥ ⎢ ⎥⎦ ⎢⎣ SALIDA

⎤ ⎥ ⎥ ⎥⎦

7.3

Fuentes y disponibilidad de energía

191

ENFOQUE

Al pensar en los incineradores de residuos sólidos municipales, ¿qué es lo primero que le viene a la mente? Quizá no sea la belleza. Pero no hay reglas que impidan que el funcionamiento coexista con la belleza en los complejos de la ingeniería. Es imposible cuantificar valores como la belleza, pero son importantes para la sociedad y proporcionan un gran valor a las comunidades. Por ejemplo, en Viena, al famoso y controvertido pintor, escultor y arquitecto Friedensreich Regentag Dunkelbundt Hundertwasser (19282000) se le solicitó que rediseñara el exterior de la Planta de Tratamiento Térmico de Residuos de Spittelau. Hundertwasser era famoso por sus diseños arquitectónicos revolucionarios, que incorporan características naturales del paisaje con formas irregulares en el diseño de los edificios. Al principio, Hundertwasser se opuso a la idea porque tenía objeciones fundamentales hacia una planta de incineración de basura mientras no se agotaran todas las posibilidades de evitar la existencia de esta última. Con el tiempo, Hundertwasser accedió a diseñar el complejo y se le prometió que: r
-B
QMBOUB
TF
FRVJQBSÎB
DPO
MB
UFDOPMPHÎB
NÃT
moderna para la purificación de emisiones. r
4F
QSPQPSDJPOBSÎB
DBMPS
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EFQBSUBmentos con el agua que se calentara en la planta, para evitar las emisiones que de otro modo serían una fuente adicional de contaminación. r
&M
SFTVMUBEP
OFUP
IBSÎB
RVF
FM
BJSF
GVFTF
más limpio. Una metrópoli como Viena necesitaría una planta de incineración de residuos pese a los grandes esfuerzos por evitar la basura. En el complejo se utiliza incluso la reducción catalítica selectiva (SCR; selective catalytic reduction) para hacer que los gases de la combustión reaccionen con amoniaco, agua y oxígeno vaporizados a fin de convertir los óxidos de nitrógeno (NOx) en nitrógeno y vapor. Este paso también genera la destrucción de dioxinas y furanos. Luego el gas de escape se enfría a 115 ºC en el tercer intercambiador térmico, y al final se libera en la atmósfera por conducto de una chimenea de 126 metros de altura.

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Belleza y funcionamiento

Figura 7.7 Planta de Tratamiento Térmico de Residuos de Spittelau.

La forma y el funcionamiento de la Planta de Tratamiento Térmico de Residuos de Spittelau son sorprendentes (figura 7.7). El complejo proporciona calor a un hospital local y a las casas de los ciudadanos. Tiene una ubicación central y maneja aproximadamente 40% de los desechos de Viena. Es significativo que éstos se manejen de manera local, en lugar de embarcarse hacia otra parte. La ciudad asume la responsabilidad de controlar sus propios desechos y convertir lo que podría ser un adefesio contaminante en una atracción de alto desempeño aunque algunas personas, sin importar cómo se vista a un incinerador de residuos sólidos, aún lo consideran un medio de eliminación de basura indeseable. Esto se debe, en parte, a que la incineración destruye el valor material. También genera contaminación del aire y una ceniza que debe administrarse. Fuente: The Spittelau Thermal Waste Treatment Plant. Publicado por Thermische Abfallbehandlungsanlage Spittelau, Spittelauer Lände 45, A-1090 Viena; viaje de campo al complejo de WTE de Spittelau/Fernwaerme Wien GmbH Viena, Austria, 22 de diciembre de 2005, por Werner Sunk.

192

Capítulo 7 Flujos y balance de energía A partir de la termodinámica es posible demostrar que el motor más eficiente (el que genera menor desperdicio de energía) se denomina motor Carnot, y que su eficiencia se establece con base en la temperatura absoluta de los entornos. La eficiencia del motor Carnot se define como E C (%) =

T1 − T0 × 100 T1

donde T1 = temperatura absoluta del calentador T0 = temperatura absoluta del condensador (agua de refrigeración) Como esto es lo mejor posible, ningún sistema real puede ser más eficiente: QU T1 − T0 ≤ Q0 T1

Los calentadores modernos funcionan a temperaturas de hasta 600 ºC. Las restricciones ambientales limitan la temperatura del agua de los condensadores a cerca de 20 ºC. Por tanto, la eficiencia esperada es E C (%) =

(600 + 273) − (20 + 273) × 100 = 66% (600 + 273)

Una central eléctrica real también tiene pérdidas de energía debido a los gases de combustión calientes, la evaporación y las pérdidas por fricción, entre otras. Hasta ahora, la eficiencia de las mejores plantas ronda en 40%. Cuando las diversas pérdidas de energía de las plantas de energía nuclear se restan, las eficiencias de éstas al parecer son aún menores que en el caso de las que se alimentan con combustible fósil. Si 60% de la energía térmica en el carbón no se utiliza, ésta se desperdicia y de algún modo se disipa en el ambiente. La energía térmica desperdiciada se emite desde la central eléctrica de dos formas principales: gases de combustión y agua de refrigeración. El esquema de la central eléctrica que aparece en la figura 7.5 puede reducirse a una caja negra y un balance térmico que se ha realizado, como se aprecia en la figura 7.8. Suponga, en aras de la sencillez, que el calor en el aire frío es insignificante, de modo que el balance de energía en estado estable es Flujo ⎡ ⎤ ⎡ Flujo ⎤ ⎢ ⎥ de energía ⎡ Cantidad ⎤ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥ de energía ⎢ de energía ⎥ = ⎢ ⎥ − ⎢ SALIDA ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ ENTRADA ⎥ ⎢ ⎥ ⎢⎣ ACUMULADA ⎥⎦ ⎢ ⎥ ⎢ en los gases ⎥ en el carbón ⎦ ⎢ ⎣ ⎣ de combustión ⎥⎦ Flujo Flujo ⎡ ⎤ ⎡ ⎤ ⎢ de energía ⎥ ⎢ de energía ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥ − ⎢ SALIDA ⎥ − ⎢ SALIDA ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ en el agua ⎥ ⎢ como energía ⎥ ⎢⎣ de refrigeración ⎥⎦ ⎢⎣ eléctrica útil ⎥⎦ De manera común, la pérdida de energía en los gases de combustión representa 15% de la energía en el carbón, mientras que el agua de refrigeración representa el 45% restante. Esta gran fracción ilustra los problemas asociados con lo que se conoce como contaminación térmica, los aumentos en la temperatura de los lagos y los ríos a causa de las descargas de las aguas de refrigeración.

Carbón Aire frío Agua fría

193

Agua de refrigeración

Fuentes y disponibilidad de energía Gases de combustión

7.3

Central eléctrica

Electricidad

Figura 7.8 La central eléctrica como caja negra. Aire caliente

Aire Agua de refrigeración caliente de los condensadores

Deflectores Persona Aire frío

Aire frío

Agua fría al condensador

Figura 7.9 Torre de refrigeración que se usa en las centrales eléctricas.

La mayoría de los estados restringe las descargas térmicas de modo que el aumento de la temperatura ambiente por encima de los niveles normales de los arroyos sea igual o menor a 1 ºC. Por tanto, parte del calor en el agua de refrigeración debe disiparse en la atmósfera antes de que el agua se descargue. Se emplean varios métodos para disipar esta energía, entre los que se encuentran grandes y profundos estanques y torres de refrigeración. En la figura 7.9 se aprecia un corte transversal de una torre de refrigeración común. Las torres de refrigeración representan un costo adicional enorme para la generación de electricidad; se estima que duplican el costo de la producción de energía de las plantas que se alimentan con combustible fósil, y en el caso de las plantas de energía nuclear, dicho costo se incrementa hasta 2.5 veces. Con todo este gasto, los cursos de agua que se encuentran justo por debajo de las descargas de agua de refrigeración son significativamente más calientes de lo normal; esto da como resultado la ausencia de hielo durante los difíciles inviernos y el crecimiento de peces inmensos. Abundan las anécdotas sobre el tamaño de los peces que se han atrapado en los arroyos y lagos calentados en forma artificial, y estos lugares se convierten no sólo en los sitios de pesca favoritos para las personas, sino también en lugares de descanso para las aves en el invierno.

194

Capítulo 7 Flujos y balance de energía Los animales salvajes utilizan el agua no congelada en forma similar durante esta estación del año cuando otras aguas superficiales están congeladas. En ciertas partes del mundo el agua de refrigeración derivada de la generación de energía se usa para calentar espacios y bombear agua caliente por medio de conductos subterráneos a las casas y los negocios. Con buena parte de este bien potencial del calor residual, ¿por qué es necesario gastar tanto dinero para enfriar el agua antes de descargarla? En Estados Unidos el calor residual no se utiliza para calentar espacios porque las centrales eléctricas se han construido en forma deliberada lo más lejos posible de la civilización. Nuestra falta de disposición para tener centrales eléctricas en las inmediaciones de nuestras viviendas nos priva de la oportunidad de obtener calor “gratuito”. El razonamiento de por qué el agua caliente no debería descargarse en los cursos de agua es menos evidente. Es claro que el calor modifica el ecosistema acuático, pero algunas personas afirmarían que este cambio es para mejorar. Todos parecen beneficiarse del hecho de tener agua caliente. Sin embargo, los cambios en los ecosistemas acuáticos son impredecibles y potencialmente desastrosos. El calor aumenta las probabilidades de que los peces contraigan diversas enfermedades y sin duda restringirá las especies que pueden existir en el agua caliente. Muchos peces de aguas frías, como la trucha, no pueden desovar en aguas más calientes, de modo que morirán y su lugar lo ocuparán los peces que pueden sobrevivir, como el pez gato y la carpa. No se ha definido qué valores se consideran en las restricciones gubernamentales sobre descargas térmicas, como “un aumento de no más de 1 ºC en la temperatura”. Nuestra intención es proteger a la trucha, o ¿sería aceptable tener el arroyo poblado por otro pez? ¿Qué pasa con la ventaja que tienen otras formas de vida cuando el agua está libre de hielo en el invierno? ¿Y qué pasa con las personas a quienes les gusta pescar? En un nivel local, las descargas térmicas al parecer no producen efectos duraderos, así que ¿por qué pagar tanto por nuestra electricidad?

PROBLEMAS 7.1 ¿Cuántas libras de carbón deben quemarse para mantener encendido un foco de 100 W durante una hora? Suponga que la eficiencia de la central eléctrica es de 35%, las pérdidas debido a la transmisión son de 10% de la energía suministrada y el valor de calentamiento del carbón es de 12,000 BTU/lb. 7.2 El carbón es una fuente no renovable, y al mismo tiempo valiosa, de carbono para la fabricación de plásticos y neumáticos, entre otros artículos. Una vez que se agoten sus reservas, no habrá más para extraer. ¿Es nuestra responsabilidad asegurarnos de que queden recursos de carbón para dentro de, digamos, 200 años, a fin de que las personas que vivan entonces puedan utilizarlos? ¿Deberíamos preocuparnos siquiera por esto o usar el carbón tan rápido como sea necesario y prudente para nuestras propias necesidades, calculando que las futuras generaciones podrán cuidar de ellas mis-

mas? Redacte un argumento de una página en favor de no conservar el carbón o de conservarlo para que lo usen las generaciones futuras. 7.3 Una estación de energía nuclear con una vida útil de 25 años produce 750 MW/año como energía útil. El costo de la energía es: 150 MW perdidos en la distribución 20 MW necesarios para extraer el combustible 50 MW necesarios para enriquecer el combustible 80 MW (repartidos durante 25 años) para construir la planta 290 MW perdidos como calor ¿Cuál es la eficiencia de la planta? ¿Cuál es la eficiencia del sistema (incluidas las pérdidas debido a la distribución)? 7.4 Uno de los mayores problemas con la energía nuclear es la eliminación de los residuos

Problemas radiactivos. Si todos recibimos energía eléctrica de una planta de energía nuclear, nuestra aportación personal a los residuos nucleares es de aproximadamente ½ pinta, el equivalente a un pequeño envase de cartón de leche. Esto no parece ser preocupante. Sin embargo, suponga que toda la zona de la ciudad de Nueva York (población de 10 millones de habitantes) recibe su electricidad sólo de plantas de energía nuclear. ¿Cuántos residuos se generarían cada año? ¿Qué debería hacerse con eso? Proponga un método novedoso (?) para la eliminación de los residuos nucleares de alto nivel y defienda su elección con un análisis de una página. Considere a las generaciones humanas actuales y venideras lo mismo que la calidad ambiental, los ecosistemas y el uso de los recursos en el futuro. 7.5 Una muestra de 1 g de un combustible desconocido se pone a prueba en un calorímetro de 2 L (equivalente), con los resultados siguientes: Tiempo (min)

0 5 6 7 8 9 10

Temperatura (ºC)

18.5 19.0 19.8 19.9 20.0 19.9 19.8

¿Cuál es el valor de calentamiento de este combustible en kilojoules por kilogramo?

7.6 Una de las formas más limpias de energía es la hidroeléctrica. Por desgracia, la mayoría de nuestros ríos ya se ha contenido por medio de represas tanto como ha sido posible, y hay pocas probabilidades de que obtengamos más energía hidroeléctrica. Sin embargo, en Canadá, el área de la Bahía James era un lugar ideal para la construcción de nuevas presas a gran escala que proporcionen energía limpia y barata para el nordeste. El llamado proyecto hidroeléctrico de Quebec se inició para aprovechar este hecho. Sin embargo, las represas crearon lagos que inundaron las tierras ancestrales de los indígenas americanos y ellos se molestaron mucho. Debido a éstas y otras preocupaciones ambientales, el estado de Nueva York y otros clientes posibles dieron marcha atrás a los acuerdos de compra originales, lo que colocó una sombra sobre el proyecto. En un trabajo de dos páginas exponga la percepción que tenga de este conflicto de valores. ¿El gobierno canadiense tenía el derecho legítimo de expropiar las tierras? Reconozca que si no se construyera este proyecto, se edificarían otras plantas de energía eléctrica. ¿Cómo debió resolver este problema el gobierno canadiense? 7.7 En la figura 7.10 se aprecia el equilibrio de luz que hay en la Tierra. ¿Qué fracción de la luz es en realidad energía útil absorbida por la superficie terrestre?

100% Atmósfera Cielo azul Reflejada 27% Reflejada desde la 2% superficie terrestre

Nubes

195

14% Absorbida por la atmósfera 6% Dispersa en el espacio 17% Luz dispersa que absorbe la superficie terrestre

Superficie terrestre

Figura 7.10 Flujo de energía global. Véase el problema 7.7.

196

Capítulo 7 Flujos y balance de energía

7.8 La figura 7.4 muestra un balance de energía para Estados Unidos. Todos los valores se encuentran en cuatrillones de BTU (1015 BTU). El diagrama muestra cómo se utilizaron diversas fuentes de energía y que gran parte del presupuesto energético se desperdició. Revise las cifras de esta figura utilizando un balance de energía. 7.9 Las presas hidroeléctricas de Dickey y Lincoln en el río St. John en Maine se planificaron considerando cuidadosamente al gallarito bruñido (Pedicularis furbishiae), especie vegetal en peligro de extinción. Un ingeniero que escribe para World Oil (enero de 1977, p. 5) calificó la preocupación por el “asqueroso gallarito” como una “total tontería”. Con base sólo en esta información, elabore un perfil ético de este ingeniero. 7.10 Usted come con un economista y un abogado, quienes discuten las formas en que las personas pueden reducir el uso de la gasolina en su uso privado. Economista: La forma de resolver este problema es establecer un impuesto tan alto sobre la gasolina y la energía eléctrica que las personas empiecen a conservarlas. ¿Te imaginas que cada galón de gasolina costara 20 dólares? Llenarías el tanque por 300 dólares. Lo pensarías dos veces antes de conducir hacia algún lugar al que podrías ir caminando. Abogado: Eso sería eficaz, pero una ley sería mejor. Imagina una ley federal que prohíba el uso de los automóviles excepto cuando viajen por lo menos cuatro pasajeros en cada vehículo. O bien, podríamos crear una ley que exigiera que los automóviles fueran del mismo tamaño y peso que las motocicletas pequeñas, con un asiento para un solo pasajero. De este modo, aún viajaríamos hacia donde quisiéramos pero triplicaríamos el kilometraje por gasolina. Economista: También podríamos establecer un impuesto enorme sobre las refacciones. Entonces sería probable que los automóviles viejos se desecharan con mayor rapidez y que otros más recientes, limpios y eficientes, ocuparan su lugar. Abogado: A mí me gusta la idea de un límite de velocidad de 45 millas por hora (72.42 ki-

lómetros por hora) en nuestras carreteras interestatales. Esta es la velocidad adecuada para el consumo eficiente de gasolina y también reduciría los accidentes. Además, el estado podría obtener muchos ingresos al cobrar multas a todas las personas que rebasen el límite. Sería una forma de obtener dinero. Ambos continúan en este tenor hasta que se percatan de que usted se ha mantenido fuera de la conversación y le piden su opinión sobre la reducción en el consumo de gasolina. ¿Cómo respondería usted a sus propuestas y qué ideas (de tenerlas) les ofrecería? Escriba una respuesta de una página. 7.11 Las grandes empresas de consultoría por lo general tienen muchas oficinas y con frecuencia la comunicación entre ellas no es tan eficiente. A Stan, un ingeniero en la oficina de Atlanta, lo ha contratado una asociación de vecinos para que redacte un estudio de impacto ambiental en el que se llegó a la conclusión de que los proyectos de una compañía petrolera privada destinados a la construcción de un complejo petroquímico perjudicarían el hábitat de varias especies en peligro de extinción. El cliente, la asociación de vecinos, ya revisó copias del borrador del informe y espera sostener una conferencia de prensa cuando se entregue el informe final. A Stan se le pide que asista a la conferencia de prensa, en su calidad de profesional, y que cobre el tiempo dedicado al proyecto. Bruce, ingeniero y socio en la empresa que trabaja en la oficina de Nueva York, recibe una llamada telefónica. “Bruce, soy J. C. Octane, presidente de Bigness Oil Company. Como sabrás, hemos contratado a tu empresa para todos nuestros negocios y estamos muy satisfechos con su trabajo. Sin embargo, hay un problema menor; tratamos de construir una refinería en la zona de Atlanta y confiamos en recurrir a ustedes como ingenieros de diseño.” “Nos complacería trabajar con ustedes de nuevo”, responde Bruce, contando ya con los honorarios de un millón de dólares por concepto de diseño. “Sin embargo, hay un pequeño inconveniente”, sigue diciendo J. C. Octane. “Al parecer uno de los ingenieros de la oficina que ustedes tienen en Atlanta ha realizado un es-

Problemas tudio para un grupo de vecinos que se opone a nuestra refinería. He recibido una copia del borrador del estudio y, a mi parecer, los ingenieros y los líderes de la organización de vecinos sostendrán una conferencia de prensa dentro de algunos días y han llegado a la conclusión de que habrá un impacto ambiental desfavorable debido a la refinería. No necesito decirte lo decepcionados que nos sentiríamos si esto ocurriera.” Tan pronto como Bruce termina la llamada telefónica con J. C. Octane, llama a Stan en Atlanta. “Stan, debes posponer la conferencia de prensa a toda costa”, espeta Bruce por teléfono. “¿Por qué? Ya está programada”, responde Stan. “Te diré por qué. No tenías forma de saberlo, pero Bigness Oil es uno de los clientes más importantes de esta empresa. El presidente de la compañía petrolera ha averiguado sobre tu informe y amenaza con quitarnos todos sus

197

negocios si el informe se entrega a la asociación de vecinos. Tienes que redactar un nuevo informe de tal modo que muestre que no habría un daño significativo al ambiente.” “No puedo hacerlo”, responde Stan. “Déjame ver si puedo aclarártelo entonces”, responde Bruce. “Puedes redactar un nuevo informe o retirarte del proyecto y escribir una carta dirigida a la asociación de vecinos manifestando que el borrador del informe estaba equivocado y devolverles todo su dinero. ¡No tienes otra opción!” ¿Un consultor en ingeniería es empleado de una empresa y está sujeto a los dictados y órdenes de su superior, o es un profesional independiente que colabora con otros ingenieros de la empresa? ¿Cuánto cuesta la lealtad? Exponga todas las opciones que Stan tendría y las probables ramificaciones de estos cursos de acción, y luego recomiende la acción que debería emprender. Asegúrese de que pueda justificarla.

C

A

P

Í

T

U

L

O

8

© Keith Morgan

Ecosistemas

© Susan Morgan

Oso negro, Carolina del Sur

Bote de basura a prueba de osos en el Parque Nacional Shenandoah

Los ingenieros ambientales necesitan considerar los ecosistemas que reciben el impacto de los diseños, lo que significa incorporar la pericia de los profesionales en otras disciplinas. 198

8.1

Flujos de energía y materia en los ecosistemas

199

Algunos de los reactores más fascinantes que es posible imaginar son los ecosistemas. La ecología, el tema de este capítulo, es el estudio de las plantas, los animales y su ambiente físico; es decir, de los ecosistemas y cómo se comportan en ellos la energía y los materiales. Con frecuencia es difícil definir los ecosistemas específicos debido a que de alguna manera todas las plantas y los animales están relacionados entre sí. Debido a su complejidad total, no es posible estudiar la Tierra como un solo ecosistema (excepto en una forma muy burda), así que es necesario seleccionar los sistemas más simples desde el punto de vista funcional y más pequeños en el aspecto espacial, como los estanques, bosques o incluso los jardines. Sin embargo, cuando el sistema se reduce demasiado, hay en curso diversos procesos externos que influyen sobre el sistema, de modo que no es posible elaborar un modelo significativo. Quizá sea divertido observar la interacción de las ardillas y los azulejos en un comedero para aves, pero para un ecologista no es muy interesante desde el punto de vista científico debido a que el ecosistema (comedero para aves) tiene un alcance muy limitado. Hay muchos organismos y factores ambientales más que adquieren importancia en el funcionamiento del comedero para aves y deben tomarse en cuenta para hacer que este ecosistema sea significativo. El problema es decidir dónde detenerse. ¿El patio trasero es lo bastante grande para estudiarlo o debe incluirse el vecindario entero en el ecosistema? Si esto aún es limitado, ¿dónde se establecen los límites? No hay ninguno, por supuesto, y en verdad todo está conectado con todo lo demás. Con esta advertencia, lo que sigue es una breve introducción al estudio de los ecosistemas, comoquiera que se definan.

8.1 FLUJOS DE ENERGÍA Y MATERIA EN LOS ECOSISTEMAS Tanto la energía como la materia fluyen dentro de los ecosistemas pero con una diferencia fundamental. El flujo de energía se dirige sólo hacia una dirección, mientras que el de la materia es cíclico. Toda la energía en la Tierra tiene su origen en el Sol como energía luminosa. Las plantas atrapan esta energía por medio de un proceso llamado fotosíntesis; usando nutrientes y dióxido de carbono, convierten la energía luminosa en energía química y construyen moléculas de alta energía como almidón, azúcar, proteínas, grasas y vitaminas. De una manera burda es posible describir la fotosíntesis como Luz solar

[Nutrientes] + CO2 −−−−→ O2 + [ Moléculas de alta energía ]

Todos los demás organismos deben usar esta energía para su nutrición y crecimiento por medio de un proceso llamado respiración: [Moléculas de alta energía] + O2 −→ CO2 + [ Nutrientes]

Este proceso de conversión es ineficiente, con aproximadamente 1.6% de la energía total disponible convertida en carbohidratos por medio de la fotosíntesis. Dentro de un ecosistema hay tres grupos principales de organismos. Debido a que las plantas elaboran las moléculas de alta energía, se les llama productores, y los animales que usan estas moléculas como fuente de energía se denominan consumidores. Tanto las plantas como los animales producen desechos y al final mueren. Este material forma una reserva de materia orgánica muerta conocida como detritus, que todavía contiene energía considerable. (¡Es por ello que necesitamos plantas de tratamiento de aguas residuales!) En el ecosistema los organismos que usan estos detritus se conocen como descomponedores.

200

Capítulo 8 Ecosistemas Productor (planta)

Energía

Respiración Consumidor (animal)

Decomposición Nutrientes Energía química residual, no disponible 0

Tiempo

Figura 8.1 Pérdida de energía a lo largo de la cadena alimenticia. (Por P. H. McGaughy (1968). Engineering Management of Water Quality. Nueva York: McGraw-Hill.)

Este flujo unidireccional se ilustra en la figura 8.1. Observe que la tasa a la que se extrae esta energía (que se simboliza con la pendiente de la línea) se reduce en forma considerable conforme el nivel de energía disminuye, un concepto importante en el tratamiento de las aguas residuales (capítulo 11). Debido a que el flujo de energía es unidireccional (del Sol a las plantas, para que con ella los consumidores y descomponedores generen material celular nuevo y lleven a cabo su mantenimiento), la energía no se recicla dentro de un ecosistema, como ilustra el siguiente argumento. Suponga que una planta recibe 1,000 J de energía del Sol. De esa cantidad, 760 J se rechazan (no se absorben) y sólo 240 J se absorben. La mayor parte se libera como calor, y sólo 12 J se usan para la producción, 7 de los cuales deben destinarse a la respiración (mantenimiento) y los restantes 5 J se usarán en la formación de tejido nuevo. Si un consumidor come la planta, 90% de los 5 J irá hacia el mantenimiento del animal y sólo 10% (o 0.05 J) se usará para generar tejido nuevo. Si este animal, a su vez, es comido, entonces de nuevo sólo 10% (o 0.05 J) se usará para tejido nuevo y la energía restante para el mantenimiento. Si el segundo animal es un ser humano, entonces de los 1,000 J que provienen del Sol, sólo 0.05 J o 0.005% se destinan a la formación de tejido; un sistema muy ineficiente. Aunque el flujo de energía sólo se dirige en una dirección, el flujo de nutrientes a través del ecosistema es cíclico, como se representa en la figura 8.2. Comenzando con los orgánicos muertos, o detritus, la descomposición inicial por microorganismos produce compuestos como amoniaco (NH3), dióxido de carbono (CO2) y ácido sulfídrico (H2S) para la materia nitrogenada, carbonácea y sulfurosa, respectivamente. Estos productos, a su vez, se descomponen más hasta que las formas estabilizadas finales, o completamente oxidadas, son nitratos (NO3–), dióxido de carbono, sulfatos (SO2– ) y fosfatos (PO3– ). Por supuesto, las plantas usan el dióxido 4 4 de carbono como una fuente de carbono, mientras que los nitratos, fosfatos y sulfatos se usan como nutrientes, o las piezas fundamentales para la formación de tejido vegetal nuevo. Las plantas mueren o son ingeridas por los consumidores, que al final mueren, con lo que regresamos a la descomposición. Hay tres tipos de descomponedores microbianos: aerobios, anaerobios y facultativos. La clasificación de los microbios se basa en el hecho de que su actividad metabólica requiera o

8.1

Flujos de energía y materia en los ecosistemas

201

Fosforados Nitrogenados Carbonáceos Sulfurosos Orgánicos muertos (detritus)

Residuos Muerte Animales Proteínas vivos Grasas (consumidores) O2 CO2 Vida animal

O2 CO2 Vida vegetal

Productos iniciales

Amoniaco NH3 CO2 H2 S

Muerte

Plantas vivas (productores)

Productos intermedios

–

Nitritos NO2 CO2 CO2 Azufre S

Productos estabilizados finales (nutrientes)

Proteínas Grasas Carbohidratos

Descomposición

Fosfatos Nitratos CO2 Sulfatos

3–

PO4

–

NO3 SO

2– 4

Figura 8.2 Ciclo aeróbico para el fósforo, el nitrógeno, el carbono y el azufre. (Por P. H. McGaughy (1968). Engineering Management of Water Quality. Nueva York: McGraw-Hill.

no oxígeno molecular, es decir, si los microorganismos tienen o no la capacidad para usar el oxígeno disuelto (O2) como el aceptor de electrones en la reacción de descomposición. Las ecuaciones generales para los descomponedores aerobios y anaerobios son Aerobios:

[detritus ] + O2 → CO2 + H2 O + [ nutrientes ]

Anaerobios: [detritus ] → CO2 + CH4 + H2 S + NH3 + · · · + [ nutrientes ]

Los aerobios obligados son microorganismos que deben tener oxígeno disuelto para sobrevivir, debido a que lo usan como aceptor de electrones, de modo que, en términos bastante sencillos, el hidrógeno de los compuestos orgánicos termina combinándose con el oxígeno reducido para formar agua, como en la ecuación aeróbica anterior. Para los anaerobios obligados el oxígeno disuelto es, de hecho, tóxico, así que deben usar procesos de descomposición anaeróbicos. En estos últimos, el aceptor de electrones es un compuesto inorgánico que contiene oxígeno, como los nitratos y los sulfatos. Los nitratos se convierten en nitrógeno o amoniaco (NH3) y los sulfatos en ácido sulfídrico (H2S), como se muestra en la ecuación anaeróbica previa. Los microorganismos encuentran más fácil el uso de nitratos, así que este proceso ocurre con más frecuencia. Los microorganismos facultativos usan oxígeno cuando está disponible, pero si no lo está usan reacciones anaeróbicas. La descomposición que los organismos aerobios llevan a cabo es mucho más completa porque algunos de los productos finales de la descomposición anaeróbica (por ejemplo, el nitrógeno en estado amoniacal) no se encuentran en su estado final completamente oxidado. Por ejemplo, la descomposición aeróbica es necesaria para oxidar el nitrógeno en estado amoniacal hasta el nitrógeno en estado de nitrato completamente oxidado (figura 8.2). En el tratamiento de aguas residuales se usan los tres tipos de microorganismos, como se expone en el capítulo 11.

202

Capítulo 8 Ecosistemas Debido a que el flujo de nutrientes en los ecosistemas es cíclico, es posible analizarlo con las técnicas que ya se presentaron para el análisis de flujo de materiales. ⎡ Cantidad ⎤ ⎡ Flujo ⎤ ⎡ Flujo ⎤ ⎢ de materia ⎥ = ⎢ de materia ⎥ − ⎢ de materia ⎥ ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ ⎢⎣ ACUMULADA ⎥⎦ ⎢⎣ ENTRADA ⎥⎦ ⎢⎣ SALIDA ⎥⎦ ⎡ Cantidad ⎤ ⎡ Cantidad ⎤ + ⎢⎢ de materia ⎥⎥ − ⎢⎢ de materia ⎥⎥ ⎢⎣ PRODUCIDA ⎥⎦ ⎢⎣CONSUMIDA ⎥⎦

EJEMPLO 8.1

Problema Una preocupación importante respecto del amplio uso de los fertilizantes es la lixiviación de nitratos a los mantos freáticos. Medirla es difícil, a menos que sea posible construir un equilibrio de nitrógeno para un ecosistema dado. Considere, por ejemplo, el diagrama que se muestra en la figura 8.3, que representa la transferencia de nitrógeno en un prado fertilizado con 34 g/m2/año de nitrógeno en estado amoniacal + nitrato (17 + 17), y ambos se expresan como nitrógeno. (Recuerde que el peso atómico del N es 14 y del H es 1.0, de modo que 17 g/m2/año de nitrógeno requieren la aplicación de 17 × 17/14 = 20.6 g/m2/año de NH3.) ¿Cuál es el flujo de nitrógeno lixiviado al suelo? Solución Primero observe que el nitrógeno orgánico se obtiene de tres fuentes (vacas, tréboles y la atmósfera). La producción total de N orgánico debe ser igual al insumo, o 22 + 7 + 1 = 30 g/m2/año. El N orgánico se convierte en N amoniacal, y el producto del N amoniacal también debe ser igual al insumo del N orgánico y el N inorgánico (fertilizante), de modo que 17 + 30 = 47 g/m2/año. De estos 47 g/m2/año, el pasto usa 10, dejando la diferencia, 37 g/m2/año, para que se oxide como nitrógeno en forma de nitrato. Al efectuar un balance de masa sobre el nitrógeno en forma de nitrato en g/m2/año y suponer que se encuentra en un estado estable:

[ENTRADA] = [ SALIDA] 37 + 17 + 1 = 8 + 20 + lixiviado lixiviado = 27 g/m2 /año

El proceso por medio del cual un ecosistema permanece en una condición de estado estable se llama homeostasis. Por supuesto, hay fluctuaciones dentro de un sistema, pero el efecto general es un estado estable. Para ilustrar esta idea, considere un ecosistema muy simple que consiste en pasto, ratones de campo y búhos, como se representan de modo gráfico en la figura 8.4. El pasto recibe energía del Sol, los ratones comen las semillas del pasto y los búhos se comen a los ratones. Esta progresión se conoce como cadena alimenticia, y la interacción entre los diversos organismos es una red alimenticia. Se dice que cada organismo ocupa un nivel trófico, dependiendo de su proximidad con los productores. Debido a que el ratón come plantas, está en el nivel trófico 1; el búho está en el 2. También es posible que un saltamontes se coma el pasto (nivel trófico 1), una mantis religiosa se coma al saltamontes (nivel trófico 2) y una musaraña se coma a la mantis religiosa (nivel trófico 3). Si ahora el búho devora a la mu-

Flujos de energía y materia en los ecosistemas

© smereka/ Shutterstock

8.1

A

8

Atmósfera

1

1 8

14

7

7

14

7

Trébol

Pasto

8 7

Vacas

30

7

Leche

20 10 8

–

NO3

37

22 30

+

NH4

N 7 orgánico

Fertilizante

1 17

17 34

? Al manto freático

B

Figura 8.3 A) Un ecosistema que muestra B) un balance de nitrógeno.

203

204

Capítulo 8 Ecosistemas

(Búho) Energía del Sol

Consumidor 2

(Ratón) Productor Descomponedores

(Pasto) Consumidor 1

Figura 8.4 Un ecosistema simple. Los números indican el nivel trófico.

saraña, se desempeña en el nivel trófico 4. La figura 8.5 ilustra la red alimenticia basada en la tierra. Las flechas muestran cómo se recibe la energía del Sol y cómo fluye a través del sistema. Si una especie es libre de crecer sin restricciones de alimento, espacio o depredadores, su crecimiento se describe como una reacción de primer orden: dN = kN dt donde

N = número de organismos de una especie k = constante de velocidad de reacción t = tiempo

Por fortuna, las poblaciones (¡excepto las humanas!) que hay dentro de un ecosistema están restringidas por la disponibilidad de alimento, espacio y depredadores. Si se consideran las primeras dos restricciones, en términos matemáticos es posible describir la población máxima que puede existir como k 2 dN = kN − N dt K

donde K = población máxima posible en el ecosistema. Observe que en estado estable, dN/dt = 0, así que k 2 0 = kN − N K y K= N

o la población es la máxima posible en ese sistema. Si por cualquier razón N queda por debajo de K, la población se incrementa hasta alcanzar el nivel K. Varias especies pueden, por supuesto, afectar el nivel de población de cualquier otra especie. Suponga que hay M organismos de otra especie que compite con la especie de N organismos. Entonces la tasa de crecimiento de la especie original se expresa como dN k 2 = kN − N − sMN dt K

donde s = tasa de crecimiento constante para las especies competitivas M = población de las especies competitivas

8.1

Flujos de energía y materia en los ecosistemas

205

Hacia el espacio exterior

Hacia la atmósfera

Plantas (autótrofos) SOL

Ratón 1

Saltamontes 1

Oso 1, 2, 3, 4 Mantis religiosa 2 Sapos, venado, trucha, etc.

Musaraña 3

Organismos en descomposición Buhó 2, 4 Marta 3, 5 Hacia el suelo

Figura 8.5 Una red alimenticia terrestre. Los números muestran el nivel trófico. (De Turk: Ecosystem, Energy, Population, 1E. © 1975 Brooks/Cole, una marca de Cengage Learning, Inc. Reproducido con autorización. www.cengage.com/permissions.)

206

Capítulo 8 Ecosistemas En palabras, esta expresión se lee como Tasa de ⎤ ⎡ Efectos ⎤ ⎤ ⎡ Efectos de ⎡ Tasa de ⎤ ⎡ ⎢ crecimiento ⎥ = ⎢ crecimiento ilimitado ⎥ − ⎢ autohacinamiento ⎥ − ⎢ competitivos ⎥ ⎦ ⎦ ⎣ ⎦ ⎣ ⎦ ⎣ ⎣ Si s es pequeña, entonces ambas especies deberán ser capaces de existir. Si la sobrepoblación no influye sobre la primera especie de población N, entonces la competencia de la especie competitiva será capaz de mantener a aquella bajo control. Observe de nuevo que en un estado estable (d N/dt = 0): N = K 1−

Ms k

de modo que si M = 0, N = K. La competencia en un ecosistema ocurre en nichos. Un nicho es la mejor adaptación de un animal o planta a su ambiente, donde puede existir mejor en la red alimenticia. Regresando al sencillo ejemplo de pasto/ratón/búho, cada uno de los participantes ocupa un nicho en esta red. Si hay más de una clase de pasto, cada una puede ocupar un nicho muy parecido, pero siempre habrá diferencias en extremo importantes. Al principio parecería que dos clases de trébol, por ejemplo, pueden ocupar el mismo nicho, hasta que se reconoce que una especie florece al principio del verano y la otra al final; por tanto, no compiten en forma directa. Entre mayor sea el número de organismos disponibles para ocupar varios nichos dentro de la red alimenticia, el sistema será más estable. Si, en el ejemplo anterior, las especies individuales de pasto murieran debido a la sequía o la enfermedad, los ratones no tendrían alimento y, al igual que los búhos, morirían de inanición. Sin embargo, si hubiera dos tipos de pasto que el ratón pudiera usar como fuentes de alimento (es decir, ambos llenan casi el mismo nicho respecto a las necesidades del ratón), la muerte de una especie no produciría el colapso del sistema. Este sistema es, por consiguiente, más estable debido a que puede resistir las perturbaciones sin colapsar. Los bosques tropicales y los estuarios son ejemplos de ecosistemas muy estables mientras que la tundra del norte y las profundidades de los océanos se consideran ecosistemas inestables. Algunas de las perturbaciones que afectan los ecosistemas son naturales (lo atestigua la destrucción causada por la erupción del Monte St. Helens en el estado de Washington), en tanto que muchas más son resultado de las actividades humanas. Los seres humanos, por supuesto, han afectado los ecosistemas de manera adversa tanto a una escala pequeña (corrientes y lagos) como a una grande (global). Sus acciones pueden considerarse como dominación de la naturaleza (de acuerdo con el Génesis I), y esta idea ha generado un enfoque filosófico nuevo de la ética ambiental: ecofeminismo. El ecofeminismo es “la postura de que hay conexiones importantes (históricas, simbólicas, teóricas) entre la dominación de las mujeres y la dominación de la naturaleza no humana”.1 La premisa básica es que debería ser posible construir una ética ambiental más adecuada al incorporarla, por analogía, a los problemas de la dominación de las mujeres por parte de los hombres. Si la ciencia es el medio dominante de entender el ambiente, los ecofeministas argumentan que necesita ser transformada por el feminismo. Debido a que las mujeres tienden a ser más cariñosas y bondadosas, esta experiencia puede aplicarse a nuestra comprensión del ambiente. Afirman que la idea entera de la dominación de la naturaleza y la indiferencia hacia ella tiene que cambiar. El ecofeminismo se concentra en la ética del cuidado en oposición a la ética de

8.2

Influencia humana en los ecosistemas

207

la justicia, y por ese medio evitar muchos de los problemas inherentes en la aplicación del pensamiento ético clásico del ambiente. El sufrimiento animal, por ejemplo, no es un problema filosófico para los ecofeministas porque el cuidado de todas las criaturas es lo importante. Los ecofeministas con frecuencia invocan la dimensión espiritual, afirmando que la Tierra siempre se ha considerado femenina (Madre Tierra y Madre Naturaleza) y que la dominación de las mujeres por parte de los hombres tiene un paralelo notable con la dominación de la Tierra. Pero esta semejanza no demuestra una conexión. Además, a lo largo de los años las mujeres han participado con frecuencia en la destrucción de la naturaleza con el mismo vigor que los hombres. Dicha destrucción parece ser un rasgo humano y no necesariamente una característica masculina.

8.2 INFLUENCIA HUMANA EN LOS ECOSISTEMAS Es probable que la mayor diferencia entre las personas y todos los demás componentes vivos y muertos del ecosistema global sea que aquellas son impredecibles. Todas las demás criaturas juegan de acuerdo con reglas bien establecidas. Las hormigas construyen hormigueros, por ejemplo; siempre lo harán. La idea de una hormiga que decide de pronto que desea ir a la Luna o escribir una novela es absurda. Y sin embargo, las personas, criaturas que forman parte del ecosistema global del mismo modo que las hormigas, pueden tomar decisiones impredecibles, como elaborar pesticidas clorados, lanzar bombas nucleares o incluso modificar el clima global. Desde una perspectiva puramente ecológica, en efecto somos diferentes, y tenebrosos. A continuación se mencionan varias de las formas más evidentes en que los seres humanos impredecibles pueden afectar los ecosistemas.

8.2.1

Efecto de los pesticidas en un ecosistema

El uso a gran escala de pesticidas para el control de los organismos indeseables comenzó durante la Segunda Guerra Mundial con la invención y el uso amplio del primer pesticida orgánico eficaz, el DDT. Antes de esa época se utilizaban arsénico y otras sustancias químicas como pesticidas agrícolas, pero su alto costo y su toxicidad para los humanos limitó su uso. Sin embargo, el DDT era barato, duradero y eficaz, y no parecía dañar a los seres humanos. Muchos años después se descubrió que se descompone muy despacio, se almacena en los tejidos grasos de los animales y se transfiere con facilidad de un organismo a otro en la cadena alimenticia. Conforme se mueve por la cadena alimenticia, se bioacumula o se concentra a medida que aumentan los niveles tróficos. Por ejemplo, en la tabla 8.1 se muestra la concentración de DDT en la cadena alimenticia de un estuario. Observe que el factor de concentración del nivel de DDT en el agua para las aves grandes es de alrededor de 500,000. Como resultado de estas concentraciones tan altas (y después también de otros pesticidas de hidrocarburos clorados), diversas aves están en peligro de extinción debido a que el DDT afecta su metabolismo del calcio, lo que da como resultado que pongan huevos con los cascarones muy delgados (y que éstos se rompan con facilidad). Las personas, por supuesto, se encuentran en la cima de la cadena alimenticia y se esperaría que tuvieran niveles muy altos de DDT. Debido a que es imposible relacionar en forma directa este último con alguna enfermedad humana aguda, el incremento de sus niveles en los seres humanos no ha sido un área de preocupación de salud pública durante muchos años. Luego los efectos sutiles de las sustancias químicas como el DDT sobre los sistemas de reproducción humanos ocuparon el lugar central y la preocupación pública finalmente obligó a que

Capítulo 8 Ecosistemas Tabla 8.1 Residuos de DDT en la red alimenticia de un estuario Residuos de DDT (ppm [partes por millón]) Agua

0.00005

Plancton

0.04

Gobios

0.23

Lucio (pez depredador)

1.33

Garza (se alimenta de animales pequeños)

3.57

Gaviota argéntea (carroñera)

6.00

Serreta (pato que come peces)

22.8

Fuente: Datos de Woodell, G. M. et al. (1967). Science, 156: 821-824.

éste se prohibiera cuando se descubrió que ¡la leche materna humana con que se alimentaba a los bebés contenía de 4 a 5 veces el nivel de DDT permisible para el embarque interestatal de leche de vaca! Un ejemplo interesante de cómo el DDT puede perturbar un ecosistema ocurrió en una aldea remota en Borneo. Un trabajador de la Organización Mundial de la Salud, en un intento por mejorar la salud de las personas, roció DDT dentro de las cabañas de palma con el objetivo de matar a las moscas, que él temía que causarían enfermedades. Las moscas moribundas eran presa fácil de las pequeñas lagartijas que vivían dentro de las chozas y se alimentaban con ellas. La gran dosis de DDT, sin embargo, enfermó a las lagartijas y ellas, a su vez, cayeron presa de los gatos de la aldea. Cuando los gatos comenzaron a morir hubo una invasión de ratas y se sospechaba que transmitían la peste bubónica. Como resultado, se lanzaron gatos vivos en paracaídas hacia la aldea para tratar de restablecer el equilibrio alterado por un funcionario de salud bien intencionado.2

8.2.2 Efecto de los nutrientes en un ecosistema lacustre Los lagos representan el segundo ejemplo de un ecosistema afectado por las personas. En la figura 8.6 se muestra el modelo de un ecosistema lacustre. Observe que los productores (algas) reciben energía del Sol y por medio del proceso de fotosíntesis producen biomasa y oxígeno.

N2

O2

Productores N,P

O2

CO2

C,N,P

CO2 O2 N2

CO2 O2

Epilimnion

Consumidores

Metalimnion

C,N,P

CO2 C,N,P

C,N,P CO2 O2 CO2 O2 N,P

Descomponedores

208

Hipolimnion

Figura 8.6 Movimiento de carbono, oxígeno y nutrientes en un lago. (Por Don Francisco, Department of Environmental Science and Engineering, University of North Carolina, Chapel Hill.)

8.2

Influencia humana en los ecosistemas

209

Debido a que los productores (las algas) reciben energía del Sol, obviamente deben estar restringidos a las aguas superficiales en el lago. La mayoría de los peces y otros animales también viven en las aguas superficiales porque gran parte de la comida se encuentra ahí, pero algunos carroñeros están en el fondo. Casi todos los descomponedores habitan en las aguas del fondo porque éstas son la fuente del suministro de su alimento (los detritus). Por medio de la fotosíntesis las algas usan los nutrientes y el dióxido de carbono para producir moléculas de alta energía y oxígeno. Todos los consumidores, incluyendo los peces, el plancton y muchos otros organismos, usan el oxígeno, producen CO2 y transfieren los nutrientes a los descomponedores en la forma de materia orgánica muerta. Los descomponedores, carroñeros como gusanos y varias formas de microorganismos, reducen más el nivel de energía con el proceso de respiración, usando oxígeno y produciendo dióxido de carbono. Entonces los productores usan de nuevo los nutrientes, nitrógeno y fósforo (al igual que otros, que con frecuencia se llaman micronutrientes). Algunos tipos de algas son capaces de fijar el nitrógeno de la atmósfera mientras ciertos descomponedores producen nitrógeno en forma amoniacal que sale como burbujas. (Esta exposición se ha simplificado de manera considerable a partir de lo que en realidad ocurre en un ecosistema acuático. Para una representación más precisa de tales ecosistemas, véase cualquier texto moderno sobre ecología acuática.) El fósforo es el único elemento de importancia que no entra en el sistema desde la atmósfera. Una cantidad dada de fósforo se recicla desde los descomponedores de vuelta hacia los productores. El hecho de que sólo cierta cantidad de fósforo esté disponible para el ecosistema limita la tasa de actividad metabólica. Si no fuera por la cantidad limitada de fósforo, la actividad metabólica del ecosistema se aceleraría y al final se autodestruiría debido a que todas las demás sustancias químicas (y energía) se encuentran en abundancia. Para que el sistema permanezca en homeostasis (estado estable), algún componente clave, en este caso el fósforo, debe limitar la tasa de actividad metabólica actuando como un freno en el proceso. Ahora considere qué ocurriría si se introdujera una fuente externa de fósforo, como del escurrimiento de una granja o del efluente del tratamiento de aguas residuales. El freno en el sistema se liberaría y las algas se reproducirían a una tasa más alta, lo que resultaría en una producción mayor de alimento para los consumidores, que a su vez crecerían a una tasa más alta. Toda esta actividad produciría cantidades cada vez mayores de materia orgánica muerta para los descomponedores, que se multiplicarían en gran medida. Por desgracia, la materia orgánica muerta se encuentra distribuida en todo el cuerpo de agua (como se muestra en la figura 8.6) mientras las algas, que producen el oxígeno necesario para que ocurra la descomposición, sólo viven cerca de la superficie del lago, donde hay luz solar. El otro suministro de oxígeno para los descomponedores proviene de la atmósfera, también en la superficie del agua. El oxígeno, por consiguiente, debe viajar dentro del lago hasta el fondo para abastecer a los descomponedores aerobios. Si el agua estuviera bien mezclada, esto no supondría mucha dificultad, pero por desgracia la mayoría de los lagos está estratificada térmicamente y no se mezcla en toda la profundidad, así que no puede transportarse bastante O2 con suficiente rapidez hasta el fondo del lago. La razón de dicha estratificación se muestra en la figura 8.7. En el invierno, con hielo en la superficie, la temperatura de los lagos del norte es de aproximadamente 4 °C, a la que el agua es más densa. En los climas más cálidos, donde no se forma hielo, las aguas más profundas por lo general todavía se encuentran a esta temperatura. En la primavera el agua superficial se calienta y, por un tiempo, el agua en el lago entero está más o menos a la misma temperatura. Por un tiempo breve el viento puede producir mezclas que se extienden hasta el fondo. Cuando llega el verano, sin embargo, el agua más profunda y más densa se asienta en el fondo

210

Capítulo 8 Ecosistemas Invierno

Primavera

Superficie

Fondo 0 4 Temperatura (°C)

0 4

Verano Termoclina

Epilimnion Metalimnion

Otoño

Hipolimnion 0

4

0 4 Temperatura (°C)

Figura 8.7 Perfiles de temperatura en un lago de clima templado.

mientras el agua superficial continúa calentándose, lo que produce un gradiente pronunciado y tres secciones distintas: epilimnion, metalimnion e hipolimnion. El punto de inflexión se llama termoclina. En esta condición el lago está estratificado térmicamente, de modo que no hay mezcla entre los tres estratos. Durante esta estación, cuando se espera que la actividad metabólica sea mayor, el oxígeno llega al fondo sólo por difusión. Conforme se aproxima el invierno y el agua superficial se enfría, es posible que el agua superior se enfríe lo suficiente como para ser más densa que el agua inferior, y ocurre una rotación de otoño, una mezcla total. Durante el invierno, cuando el agua superior de nuevo es más ligera, el lago está estratificado de nuevo. En los lagos estratificados con un suministro creciente de alimentos, la demanda de oxígeno de los descomponedores aumenta y al final supera el suministro. Los descomponedores aerobios mueren y son reemplazados por formas anaerobias que producen grandes cantidades de biomasa y descomposición incompleta. Al final, con un suministro cada vez mayor de suministro de fósforo, el lago entero se vuelve anaerobio, la mayoría de los peces muere y las algas se concentran en la superficie del agua formando tapetes verdes viscosos llamados floraciones de algas. Con el tiempo el lago se llena con materia orgánica muerta y en descomposición y resulta una turbera. Este proceso se llama eutroficación. En realidad es un fenómeno que tiene lugar en forma natural debido a que todos los lagos reciben algunos nutrientes adicionales del aire y del flujo superficial. Sin embargo, la eutroficación en general es muy lenta, y pueden pasar miles de años antes de que ocurran cambios importantes. Lo que las personas han logrado, por supuesto, es acelerar este proceso con la introducción de grandes cantidades de nutrientes, lo que resulta en una eutroficación acelerada. Por tanto, un ecosistema acuático que en esencia pudo encontrarse en estado estable (homeostasis) ha sido perturbado y resulta una condición indeseable. Incidentalmente, el proceso de eutroficación puede invertirse al reducir el flujo de nutrientes en un lago y descargar o dragar tanto del fósforo como sea posible, pero ésta es una propuesta costosa.

8.2 Q

Influencia humana en los ecosistemas

211

v

Q

v t=0

t=t Tiempo y distancia

Figura 8.8 Una corriente que actúa como un reactor de flujo estacionario.

8.2.3 Efecto de los desechos orgánicos en un ecosistema de corriente La diferencia primaria entre una corriente y un lago es que la primera descarga en forma continua. Por consiguiente, las corrientes, a menos que sean excepcionalmente letárgicas, rara vez son eutroficadas en gran medida. De hecho, desde el punto de vista hidráulico, la corriente puede caracterizarse como un reactor de flujo estacionario, como se describe en la figura 8.8. Un tapón de agua se mueve corriente abajo a la velocidad del flujo, y es posible analizar las reacciones que tienen lugar en este tapón. En forma parecida a los lagos, la reacción de mayor preocupación en la contaminación de las corrientes es el agotamiento del oxígeno. Pensando en el tapón como una caja negra y un reactor mixto por lotes, es posible escribir un balance de materia en términos del oxígeno como ⎡ Cantidad ⎤ ⎡ Flujo ⎤ ⎡ Flujo ⎤ ⎢ de oxígeno ⎥ = ⎢ de oxígeno ⎥ − ⎢ de oxígeno ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎢⎣ ACUMULADO ⎥⎦ ⎢⎣ ENTRADA ⎥⎦ ⎢⎣ SALIDA ⎥⎦ ⎡ Cantidad ⎤ ⎡ Cantidad ⎤ + ⎢⎢ de oxígeno ⎥⎥ − ⎢⎢ de oxígeno ⎥⎥ ⎢⎣ PRODUCIDO ⎥⎦ ⎢⎣CONSUMIDO ⎥⎦ Debido a que ésta no es una situación de estado estable, el primer término no es cero. El oxígeno que ENTRA a la caja negra (la corriente) se llama reoxigenación, y en este caso consiste en la difusión desde la atmósfera. No SALE oxígeno debido a que el agua está menos que saturada con oxígeno. Si la corriente es rápida y las algas no tienen tiempo de crecer, no se PRODUCE oxígeno. El oxígeno que usan los microorganismos en la respiración se llama desoxigenación y es el término del oxígeno CONSUMIDO. La acumulación, como antes, se expresa como una ecuación diferencial, de modo que ⎡Cantidad de O 2 ⎤ dC ⎡Cantidad de O 2 ⎤ −0+0−⎢ =⎢ ⎥ ⎥ dt ⎣ ENTRADA ⎦ ⎣ CONSUMIDO ⎦ donde C = concentración de oxígeno, mg/L. Tanto la reoxigenación como la desoxigenación pueden describirse con reacciones de primer orden. La velocidad del uso del oxígeno, o desoxigenación, puede expresarse como Tasa de desoxigenación = –k1C

212

Capítulo 8 Ecosistemas

ENFOQUE

Cargas de nutrientes En 1900 la ciudad de Seattle comenzó a descargar aguas negras sin tratar en el lago Washington. No fue sino hasta 1926 que la ciudad empezó a dar tratamiento a sus aguas residuales y a desviar el efluente al río Duwamish que descarga en el Estrecho de Puget. Para entonces, el desarrollo rodeaba el lago Washington y se construyeron 10 plantas de tratamiento alrededor de él para manejar las descargas de aguas residuales. Pero ninguna de estas plantas eliminaba los nutrientes, y el nivel de fósforo en el agua del lago aumentaba en forma constante. En 1955, investigadores de la Universidad de Washington descubrieron una nueva especie de alga en el lago, la clásica alga azul-verde reveladora que acompaña la eutroficación acelerada y el deterioro en la calidad del agua. Con base en el conocimiento obtenido de la eutroficación acelerada en los lagos en Suiza, los investigadores concluyeron que el problema era el exceso de fósforo. Conforme los estudios continuaron, la calidad del agua en el lago siguió deteriorándose. El Seattle Times, en un artículo de 1963, se refirió al lago como el “Lago Apestoso”. Pero la solución estaba en camino. Se construyó una alcantarilla colectora principal alrededor del lago para interceptar todas las aguas residuales y llevarlas lejos de su cuenca, con lo que se reducía de manera

significativa el nivel de fósforo que entraba. Para 1971 la calidad del agua mostraba una mejora definida y la claridad medida por el disco Secchi era mejor de lo que había sido en 1955. El lago se convirtió en un modelo de lo que es posible hacer con el compromiso público concertado. En el lado opuesto de Estados Unidos, en la costa sur de Long Island, la industria de la crianza de patos estaba en auge en la década de 1940.3 Se establecían granjas nuevas cada año. Durante este tiempo los residentes notaron un cambio significativo en la calidad del agua de los estrechos de Long Island. Las ostras y los cangrejos de caparazón duro murieron y aparecieron enormes floraciones de algas verdes a lo largo de las costas. Las almejas sobrevivieron, pero los niveles de E. coli eran tan altos que aquellas no eran utilizables en el ámbito comercial. Los estudios mostraron que las algas no crecían en el agua sino que eran arrastradas desde las bahías y tributarios, y que la fuente principal de contaminación eran las granjas de patos. Experimentos subsiguientes confirmaron que el nutriente limitante en las bahías y tributarios no era el fósforo ¡sino el nitrógeno! Los patos producen grandes cantidades de ácido úrico, que contiene nitrógeno, y éste fue el responsable de la producción excesiva de algas.

donde k1 = constante de velocidad de desoxigenación, una función del tipo de descomposición del material de desecho, temperatura, etc., días–1 C = la cantidad de oxígeno por unidad de volumen necesario para la descomposición, que se mide como mg/L El valor de k1, la constante de velocidad de desoxigenación, se mide en el laboratorio con técnicas de análisis que se exponen en el capítulo 9; también se define C como la diferencia entre la demanda bioquímica de oxígeno (DBO) en cualquier tiempo t y la DBO máxima. Por ahora, considere C como el oxígeno necesario para los microorganismos en cualquier momento para completar la descomposición. Si C es alto, entonces la velocidad de uso de oxígeno es grande. La reoxigenación del agua puede expresarse como Velocidad de reoxigenación = k2D

8.2 donde

Influencia humana en los ecosistemas

213

D = déficit en el oxígeno disuelto (OD), o la diferencia entre la saturación (oxígeno disuelto máximo que puede contener el agua) y el OD real, mg/L k2 = constante de velocidad de reoxigenación, días–1

El agua sólo puede contener una cantidad limitada de un gas; la cantidad de oxígeno que puede disolverse en agua depende de la temperatura del agua, la presión atmosférica y la concentración de sólidos disueltos. El nivel de saturación de oxígeno en agua desionizada a una atmósfera y a varias temperaturas se muestra en la tabla 8.2. El valor de k2 se obtiene al realizar un estudio en una corriente con trazadores mediante ecuaciones empíricas que incluyan las condiciones de la corriente o cuadros que describan varios tipos de corrientes. Las constantes pueden ajustarse para la temperatura usando4 k1 = k1 (1.135) T − 20 k2 = k2 (1.024) T − 20

donde T = temperatura del agua, °C. En una corriente cargada con materia orgánica, la acción simultánea de desoxigenación y reoxigenación forma lo que se llama curva de reducción (o caída) del oxígeno disuelto (u OD), Tabla 8.2 Solubilidad del oxígeno en agua fresca a 1 atm* Temperatura (°C)

Oxígeno disuelto (mg/L)

Temperatura (°C)

Oxígeno disuelto (mg/L)

0 1 2 3

14.60 14.19 13.81 13.44

23 24 25 26

8.56 8.40 8.24 8.09

4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22

13.09 12.75 12.43 12.12 11.83 11.55 11.27 11.01 10.76 10.52 10.29 10.07 9.85 9.65 9.45 9.26 9.07 8.90 8.72

27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45

7.95 7.81 7.67 7.54 7.41 7.28 7.16 7.05 6.93 6.82 6.71 6.61 6.51 6.41 6.31 6.22 6.13 6.04 5.95

Fuente: *Para presiones atmosféricas de menos de 1 atm, la concentración de oxígeno disuelto tiene que reducirse debido a que hay menos presión que empuje el oxígeno hacia el agua. Hay disponibles factores de corrección publicados.

214

Capítulo 8 Ecosistemas

Σ Oxígeno restablecido Oxígeno disuelto mg/L

Saturación D0

D DC

Σ Oxígeno usado

t=0

tC Tiempo o distancia corriente abajo

Figura 8.9 La curva de reducción del oxígeno disuelto en una corriente es la diferencia entre el oxígeno que se usa y el oxígeno que se suministra.

descrita por primera vez por Streeter y Phelps en 1925.5 La forma de la curva de reducción del oxígeno disuelto, como se muestra en la figura 8.10, es el resultado de sumar la cantidad de oxígeno utilizado (consumo) y la cantidad de oxígeno suministrado (reoxigenación). Si la cantidad que se usa es grande, como en el ensanchamiento de la corriente inmediatamente después de la contaminación orgánica, el nivel de oxígeno disuelto disminuye porque la cantidad de suministro no puede mantenerse con el uso de oxígeno, lo que crea un déficit. El déficit (D) se define como la diferencia entre la concentración de oxígeno en el agua de manantial (C) y la cantidad total de agua que podría contener, o saturación (S). Es decir: D=S−C

(8.1)

donde D = déficit de oxígeno, mg/L S = nivel de saturación del oxígeno en el agua (la cantidad mayor que puede contener en algún momento), mg/L C = concentración del oxígeno disuelto en el agua, mg/L Después de la alta tasa inicial de descomposición, cuando los microorganismos usan el material que se degrada con facilidad, la cantidad de oxígeno que se usa disminuye debido a que sólo permanecen los materiales que se descomponen con menos facilidad. Debido a que se ha usado mucho oxígeno, el déficit (la diferencia entre el nivel de saturación de oxígeno y el oxígeno disuelto real) es grande, pero el suministro de este gas desde la atmósfera es alto y al final se mantiene con el uso, así que el déficit se estabiliza. Al final, el oxígeno disuelto alcanza una vez más niveles de saturación, creando la curva de reducción del oxígeno disuelto. Este proceso puede describirse en términos de reacciones consecutivas (capítulo 5), la velocidad de uso del oxígeno y la velocidad de reabastecimiento de oxígeno, y expresarse como: dD = k1 z − k2 D dt donde z es la cantidad de oxígeno que los microorganismos que descomponen el material orgánico todavía requieren. La rapidez de cambio en el déficit (D) depende de la concentración de materia orgánica descomponible, o la necesidad restante de oxígeno (z) de los microorga-

8.2

Influencia humana en los ecosistemas

215

nismos y el déficit en cualquier momento t. Como se explica con más detalle en el capítulo 9, la demanda de oxígeno en cualquier momento t puede expresarse como z = Le− k1 t

donde L = demanda máxima de oxígeno, o el máximo de oxígeno requerido, mg/L. De manera parecida a lo que se explicó en el capítulo 5, al sustituir esto en la expresión anterior e integrando obtenemos la ecuación de déficit de Streeter-Phelps: D=

k1 L 0 e − k 1 t − e − k 2 t + D0 e − k 2 t k2 − k1

(8.2)

donde D = déficit de oxígeno en cualquier momento t, mg/L D0 = déficit de oxígeno inmediatamente debajo de la ubicación de la descarga del contaminante, mg/L L0 = demanda de oxígeno máximo inmediatamente debajo de la ubicación de la descarga del contaminante, mg/L La preocupación más seria sobre la calidad del agua es, por supuesto, el punto de la corriente donde el déficit es mayor, que es donde la concentración de oxígeno disuelto es menor. Al establecer d D/dt = 0 (donde la curva de reducción del oxígeno disuelto se aplana y asciende), es posible resolver para el tiempo crítico como tc =

k2 1 ln k2 − k1 k1

1−

D0 (k2 − k1 ) k1 L 0

(8.3)

donde tc = tiempo corriente abajo cuando el oxígeno disuelto está en su concentración menor. EJEMPLO 8.2

Problema Una corriente grande tiene una constante de reoxigenación de 0.4 día–1 y una velocidad de 0.85 m/s. En el punto en que se descarga el contaminante orgánico está saturada con oxígeno a 10 mg/L (D0 = 0). Se encuentra que debajo del desagüe la demanda máxima de oxígeno es de 20 mg/L y la constante de desoxigenación es 0.2 día–1. ¿Cuál es el oxígeno disuelto 48.3 km corriente abajo? Solución Velocidad = 0.85 m/s; por tanto, le toma 48.3 × 103 m = 56.8 × 103 s = 0.66 día 0.85 m/s

recorrer los 48.3 kilómetros. Con la ecuación de déficit de Streeter-Phelps (ecuación 8.2): D=

(0.2 día − 1 )(20 mg/L) −1 −1 (e− 0.2 día (0.66 día ) − e− 0.4 día (0.66 día) ) + 0 −1 −1 (0.4 día ) − (0.2 día )

D = 2.2 mg/L

Si la corriente a 48.3 km todavía está saturada con oxígeno disuelto a 10 mg/L y no hay flujos adicionales, entonces el contenido de oxígeno disuelto a 48.3 km es (ecuación 8.1) 10 – 2.2 = 7.8 mg/L.

216

Capítulo 8 Ecosistemas Una suposición inherente que se hace en el ejemplo 8.2 no siempre es cierta: que el volumen de la corriente contaminada es muy pequeño comparado con el flujo de la corriente y, por tanto, el déficit inicial en la corriente debajo del desagüe es el mismo que el déficit arriba del desagüe. Es más preciso calcular el déficit realizando un balance de materia en el tapón en t = 0 con la suposición de que dentro de este tapón las dos corrientes que entran están bien mezcladas. La figura 8.10 muestra que el flujo de la corriente y su concentración de oxígeno disuelto son Qs y Cs, respectivamente, y que la corriente de contaminación tiene un flujo y oxígeno disuelto de Qp y Cp. Qp Cp Tp Qs + Qp = Q0 C0 T0

Qs Cs Ts

t=0

Figura 8.10 La concentración de oxígeno en el flujo corriente abajo de la fuente de contaminación es una combinación de la concentración de oxígeno en la corriente arriba de la descarga (Cs) y la concentración de oxígeno en la corriente contaminante (Cp).

Por tanto, un balance del flujo de volumen da [ENTRADA] = [SALIDA] Qs + Qp = Q0

donde Qs = flujo corriente arriba Qp = flujo de la fuente de contaminación Q0 = flujo corriente abajo y de acuerdo con el capítulo 3, masa = volumen × concentración, de modo que el balance en términos de masa de oxígeno puede escribirse como Q s Cs + Q p Cp = Q 0 C0

donde C0 = concentración de oxígeno disuelto en la corriente inmediatamente debajo de la confluencia de la contaminación. Reordenada: C0 =

Q s Cs + Q p Cp Qs + Qp

(8.4)

Observe que esto supone una mezcla perfecta en la fuente de contaminación, una idea que no es muy realista, en especial si el río es ancho y letárgico. En este texto ignoramos tales problemas. Una vez que se determina C0, se calcula la temperatura del agua con la ecuación 7.1 (un balance de materia sobre energía calorífica): T0 =

Q s Ts + Q p Tp Qs + Qp

(8.5)

8.2

Influencia humana en los ecosistemas

217

y el valor de saturación S0 en T0 se encuentra en la tabla 8.2. El déficit inicial se calcula entonces como D0 = S0 − C0

(8.6)

La curva de reducción del oxígeno disuelto que incorpora el efecto de la corriente contaminante en el déficit inicial D0 se representa en la figura 8.11. La corriente puede tener también una demanda de oxígeno en el punto en el que alcanza el desagüe. Suponiendo una vez más una mezcla completa, la demanda de oxígeno debajo del desagüe debe calcularse como L s Qs + L p Qp Qs + Qp

L0 =

(8.7)

donde L0 = demanda máxima de oxígeno inmediatamente debajo del desagüe, mg/L Ls = demanda máxima de oxígeno de la corriente inmediatamente arriba del desagüe, mg/L Lp = demanda máxima de oxígeno de la descarga contaminante, mg/L

Qp

Qs

Q0 Nivel de saturación de oxígeno Ds

D0

OD

0

Tiempo

Figura 8.11 El déficit inicial D0 recibe la influencia del déficit en la corriente de contaminante que entra.

EJEMPLO 8.3

Problema Suponga que la corriente de desecho en el ejemplo 8.2 tiene una concentración de oxígeno disuelto de 1.5 mg/L, un flujo de 0.5 m3/s, una temperatura de 26 °C y una demanda bioquímica de oxígeno (DBO) máxima de 48 mg/L. El agua de manantial corre a 2.2 m3/s a una concentración de oxígeno disuelto saturado, una temperatura de 12 °C y una DBO máxima de 13.6 mg/L. Calcule la concentración de oxígeno disuelto 48.3 km corriente abajo. Solución De la tabla 8.2, S = 10.8 mg/L a 12 °C; debido a que la corriente está saturada, S = Cs, así que con las ecuaciones 8.4 y 8.5 C0 =

Q s Cs + Q p Cp 2.2 m3 /s(10.8 mg/L) + 0.5 m3 /s(1.5 mg/L) = 9.1 mg/L = Qs + Qp (2.2 + 0.5) m3 /s

218

Capítulo 8 Ecosistemas T0 =

Q s Ts + Q p Tp 2.2 m3 /s(12°C) + 0.5 m3 /s(26°C) = 14.6 °C = Qs + Qp (2.2 + 0.5) m3 /s

En T0 = 14.6 °C, S0 = 10.2 mg/L de la tabla 8.2; por tanto, con la ecuación 8.6 D0 = S0 − C0 = 10.2 − 9.1 = 1.1 mg/L

Al usar la ecuación 8.7, la DBO máxima en la corriente inmediatamente abajo del desagüe es L0 =

L s Qs + L p Qp 13.6 mg/L(2.2 m3 /s) + 48 mg/L(0.5 m3 /s) = 20 mg/L = Qs + Qp (2.2 + 0.5) m3 /s

Con la ecuación de Streeter-Phelps (ecuación 8.2), el déficit 48.3 km corriente abajo es entonces D=

k1 L 0 (e− k1 t − e− k2 t ) + D0 (e− k2 t ) k2 − k1

calculada como D=

0.2 día − 1 (20 mg/L) − 0.2 día − 1 (0.66 día ) −1 (e − e− 0.4 día (0.66 día )) −1 (0.4 − 0.2) día + 1.1 mg/L(e− 0.4 día

− 1 (0.66 día)

) = 3.0 mg/L

Una vez más, suponiendo que la temperatura 48.3 km corriente abajo todavía es T0 (14.6°) y que no hay flujos adicionales (ecuación 8.1), C = S – D = 10.2 – 3.0 = 7.2 mg/L.

Por supuesto, la razón para calcular el oxígeno disuelto (OD) es determinar si los organismos serán capaces de sobrevivir en el agua. ¿Puede sobrevivir un pez a 7.2 mg/L de OD? La respuesta es sí. El nivel de OD óptimo depende de la especie de pez (en particular si vive en agua fría o caliente) más otros factores diversos (por ejemplo, edad, nivel de actividad y tamaño del pez). Sin embargo, los peces por lo general mueren cuando el OD cae a 2 o 3 mg/L. Entre 3 y 4 mg/L, estarán gravemente estresados. Si el nivel se mantiene en este rango, es probable que mueran. Por lo común, 5 mg/L o más se consideran adecuados. Pero es posible tener demasiado de algo bueno. Los peces en el agua con un nivel muy alto de OD pueden morir porque las burbujas de oxígeno bloquean el flujo de sangre. Obviamente, el impacto de los orgánicos en una corriente no se limita al efecto en el oxígeno disuelto. Conforme el ambiente cambia, la competencia por el alimento y la supervivencia resulta en una modificación en varias especies de los microorganismos que hay en una corriente, y la estructura química también se modifica. La figura 8.12 ilustra el efecto de una carga de contaminante orgánico en una corriente. Observe de manera especial el cambio en las especies de nitrógeno a través del nitrógeno orgánico al amoniacal, al nitrito y al nitrato. Compare esto con la exposición previa del nitrógeno en el ciclo de los nutrientes (figura 8.2). Los cambios en la calidad de la corriente conforme los descomponedores reducen el material demandante de oxígeno, logrando al final una corriente limpia, se conocen como autopurificación. Este proceso no es diferente del que ocurre en una planta de tratamiento de aguas

N

o en óg co itr áni g or

o en óg to itr itri N n de

219

Nitr óg de n eno i t rat o

Influencia humana en los ecosistemas

o en l óg ca itr ia N mon a

Concentración

Fuente de contaminación

8.2

Número

Fuente de contaminación

Tiempo (o distancia corriente abajo)

Organismos

Especies

Tiempo (o distancia corriente abajo)

Figura 8.12 Nitrógeno y organismos acuáticos debajo de una fuente de contaminación de corriente orgánica.

residuales debido a que en ambos casos se desecha energía de modo intencional. Los orgánicos contienen demasiada energía y deben ser oxidados a materiales más inertes. En el capítulo 9 se presentan los medios para caracterizar el agua y su contaminación, y más adelante se expone con mayor detalle la idea del consumo de energía en una planta de tratamiento de aguas residuales.

8.2.4

Efecto del diseño en un ecosistema

Como ilustra la descarga de orgánicos y nutrientes en las vías fluviales, los diseños de los ingenieros con frecuencia tienen impactos importantes en los ecosistemas. Sin embargo, con algo de previsión, los ingenieros pueden usar técnicas para minimizar los impactos negativos. Por ejemplo, el tráfico mata muchos animales cada año además de fragmentar los ecosistemas. En Florida, los ingenieros de transporte han diseñado un muro de contención para la vida silvestre con pasajes subterráneos para reducir el número de animales muertos en las carreteras.6 Un muro de concreto en forma de cuña de 3.5 pies (aproximadamente 1.06 metros) de altura con un filo de 6 pulgadas (15.24 centímetros) en la parte superior, basado en los muros que se usan en las exposiciones de animales, se localiza a 36 pies (10.97 metros) del borde del carril de circulación para desanimar a los animales de entrar a la autopista. Aproximadamente cada 0.5 millas, pasos subterráneos con tragaluces en medio para que entre la luz permiten a los animales pasar de un lado al otro. En otra ubicación, un paso elevado ajardinado (o puente de tierra) proporciona una ruta para que los animales crucen con seguridad una carretera interestatal. Los ingenieros de transporte canadienses también usan pasos subterráneos y pasos elevados, pero junto con cercas de exclusión de la vida silvestre de 2.4 m de alto unidas a un arcén de

220

Capítulo 8 Ecosistemas valla metálica de 1.5 m enterrado a un ángulo de 45° (para prevenir que los animales tenaces lo jalen o caven debajo de la cerca). El costo de construcción promedio de los pasos elevados fue 60 veces mayor que la opción más barata (vías de arroyo dentro de alcantarillas de arco abierto), pero la investigación posterior mostró que casi la mitad de los cruces ocurría en los pasos elevados. El diseño de cercas en combinación con estructuras de cruce de animales logró una impresionante reducción de 97% en las colisiones vida silvestre-vehículo para la mayoría de las especies.7 Obviamente, además de reducir los impactos negativos en los ecosistemas, estos diseños mejoran la seguridad y reducen los costos asociados con los accidentes causados por las colisiones vida silvestre-vehículo. El diseño de estructuras nuevas y el remodelamiento de las existentes ofrecen a los ingenieros muchas oportunidades para incorporar materiales y dispositivos eficientes en el uso de la energía y el agua, además de amigables con el ambiente, un proceso conocido como diseño verde o sostenible. Aunque potencialmente cuestan más, estas opciones con frecuencia tienen como resultado ahorros operativos a largo plazo y espacios más sanos para vivir y trabajar. La ventilación e iluminación diurna naturales proporcionan a los ocupantes de los edificios un control personal sobre su espacio y reducen los costos de energía. Los techos cubiertos de vegetación, o verdes, pueden usarse para reducir los costos de energía y el escurrimiento de las aguas pluviales. Estas aguas pueden mantenerse en el mismo sitio y se les filtra o se utilizan para regar los jardines. La generación de electricidad en el sitio con sistemas solares, energía eólica o pilas de combustible puede reducir los costos eléctricos y la contaminación ambiental. Elegir materiales menos tóxicos y derivados en forma sostenible reduce la generación de residuos y mejora la calidad del aire en los interiores. Aunque estas opciones son un paso (amplio) en la dirección correcta, los ingenieros necesitan considerar también lo que le sucederá a la estructura al final de su vida y diseñarla en consecuencia; por ejemplo, para que su destrucción sea sencilla. Por supuesto, estos diseños significan que los ingenieros tienen que trabajar en equipo, a menudo con personas que ejercen una profesión distinta, como biólogos y arquitectos del paisaje. Y quienes no son ingenieros rara vez hablan el mismo lenguaje que éstos, y por lo común tienen prioridades diferentes, pero pueden brindar percepciones y soluciones que los ingenieros con frecuencia pasan por alto. Así, el trabajo en equipo, las habilidades de comunicación y la paciencia son vitales. El resultado, sin embargo, puede ser un diseño enormemente mejorado.

PROBLEMAS 8.1 Se ha sugerido que el límite de la concentración de fósforo (P) para la eutroficación acelerada está entre 0.1 y 0.01 mg/L. El agua de río típica podría contener 0.2 mg/L P, 50% del cual proviene del escurrimiento de las granjas y urbano, y 50% de los desechos domésticos e industriales. Los detergentes sintéticos contribuyen con 50% del P en desechos municipales e industriales. a) Si todos los detergentes con base de fósforo están prohibidos, ¿qué nivel de P esperaría en un río típico?

b) Si este río fluye dentro de un lago, ¿esperaría que el detergente fosfatado prohibido tuviera mucho efecto en el potencial de eutroficación del agua del lago? ¿Por qué sí o por qué no? 8.2 Una corriente tiene un nivel de oxígeno disuelto de 9 mg/L, una demanda de oxígeno máxima de 12 mg/L y un flujo promedio de 0.2 m3/s. Un desecho industrial en cero oxígeno disuelto con una demanda de oxígeno máxima de 20,000 mg/L y una tasa de flujo de 0.006 m3/s se descarga en la corriente. ¿Cuál es la demanda de oxígeno

Problemas máxima y el oxígeno disuelto en la corriente inmediatamente debajo de la descarga? 8.3 Debajo de la descarga de una planta de tratamiento de aguas residuales, una corriente de 8.6 km tiene una constante de reoxigenación de 0.4 día–1, una velocidad de 0.15 m/s, una concentración de oxígeno disuelto de 6 mg/L y una demanda de oxígeno máxima (L) de 25 mg/L. La corriente está a 15 °C. La constante de desoxigenación se estima en 0.25 día–1. a) ¿Habrá peces en esta corriente? b) ¿Por qué debería importarnos si hay peces en la corriente? ¿Los peces merecen consideración moral y protección? ¿Qué argumentos puede reunir para apoyar esta opinión? 8.4 Una planta de tratamiento de aguas residuales municipales descarga en una corriente que, en algunas épocas del año, no tiene otro flujo. Las características del residuo son Flujo = 0.1 m3/s Oxígeno disuelto = 6 mg/L Temperatura = 18 °C k1 = 0.23 día–1 DBO máxima (L) = 280 mg/L La velocidad en la corriente es de 0.5 m/s, y se supone que la constante de reoxigenación k2 es de 0.45 día–1. a) ¿La corriente mantendrá un OD mínimo de 4 mg/L? b) Si el flujo de agua de manantial arriba del desagüe tiene una temperatura de 18 °C, no tiene demanda de oxígeno y está saturado con OD, ¿qué tan grande debe ser el caudal para asegurar un oxígeno disuelto mínimo de 4 mg/L corriente abajo de la descarga? (Nota: Por favor no trate de hacer esto en forma manual. ¡Use una computadora!) 8.5 Ellerbe Creek, una corriente grande a velocidad normal, es la receptora de los 10 mgd de aguas residuales de la Planta de Tratamiento de Aguas Residuales Durham Northside. En verano tiene un flujo medio de 0.28 m3/s, una temperatura de 24 °C y una velocidad de

221

0.25 m/s. Suponga que el oxígeno disuelto está saturado y que la DBO máxima es 0 mg/L. Las características de las aguas residuales son Temperatura = 28 °C DBO máxima (L) = 40 mg/L k1 = 0.23 día–1 Oxígeno disuelto = 2 mg/L La longitud total de la corriente desde el desagüe hasta el río es de 14 millas, en cuyo punto se vacía en el río Neuse. a) ¿El estado de Carolina del Norte debería preocuparse por el efecto de esta descarga en Ellerbe Creek? b) Aparte de las consideraciones legales, ¿por qué debería el estado preocuparse por los niveles de oxígeno en Ellerbe Creek? No es en sí un riachuelo en realidad, y se vacía en el río Neuse sin ser de mucho uso para nadie. Y sin embargo, el estado ha establecido niveles de oxígeno disuelto de 4 mg/L para el flujo bajo de 10 años 7 días. Escriba una carta al editor de un periódico local ficticio condenando el gasto de ingresos fiscales para las mejoras de la planta de tratamiento Northside sólo para que los niveles de oxígeno disuelto en Ellerbe Creek puedan mantenerse arriba de 4 mg/L. c) Imagine que es un pez en Ellerbe Creek. Usted ha leído la carta al editor de la parte b) anterior y está soberanamente enojado. Toma un bolígrafo en su aleta y responde. Escriba una carta al editor desde el punto de vista del pez; la calidad de su carta será juzgada con base en la fuerza de sus argumentos. 8.6 Una corriente grande con una velocidad de 0.85 m/s, saturada con oxígeno, tiene una constante de reoxigenación k2 = 0.4 día–1 y una temperatura T = 12 °C, con una DBO máxima = 13.6 mg/L y una tasa de flujo Q = 2.2 m3/s. En esta corriente fluye una corriente de aguas residuales con una tasa de flujo de 0.5 m3/s, T = 26 °C y L = 220 mg/L. Corriente abajo la constante de desoxigenación es k1 = 0.2 día–1 y el nivel de oxígeno es de 1.5 mg/L. ¿Cuál es el oxígeno disuelto 48.3 km corriente abajo?

222

Capítulo 8 Ecosistemas

8.7 Si las algas contienen P:N:C, en la proporción de 1:16:100, ¿cuál de los tres elementos limitaría el crecimiento de las algas si la concentración en el agua fuera

Flujo = 0.56 m3/s DBO máxima = 6.5 mg/L OD = 2.0 mg/L Temperatura = 25 °C

0.20 mg/L P? 0.32 mg/L N? 1,00 mg/L C?

El agua en la corriente, corriente arriba de la descarga planeada, tiene las siguientes características:

Muestre sus cálculos.

Flujo = 1.9 m3/s DBO máxima = 2.0 mg/L OD = 9.1 mg/L Temperatura = 15 °C El estado de OD estándar es 4 mg/L. Use: Constante de desoxigenación = 0.2 día–1 Constante de reoxigenación = 0.40 día–1

8.8 Si los equipos de fútbol ofensivos se describen en términos de las posiciones como linieros (L), receptores (R), corredores (C) y mariscales de campo (M) en la proporción de L:R:C:M de 5:3:2:1, y una escuadra tiene la siguiente distribución de jugadores: L = 20, R = 16, C = 6, M = 12, ¿cuántos equipos ofensivos pueden crearse con todas las posiciones ocupadas, y cuál es la “posición limitante”? Muestre sus cálculos. 8.9 Suponga que usted y un amigo ingeniero no ambiental caminan por una corriente en los bosques y él comenta: “Me pregunto si esta corriente está contaminada.” ¿Cómo le respondería y qué preguntas tendría que hacerle antes de responder la pregunta? 8.10 ¿Por qué es posible que un ingeniero ambiental desee conversar con un ecobiólogo durante un proyecto?8 8.11 El Consejo Consultivo Ambiental de Canadá publicó un folleto titulado “An Environmental Ethic—Its Formulation and Implications”9 (Una ética ambiental: su formulación e implicaciones), en el que sugiere lo siguiente como una ética ambiental concisa: Todas las personas se esforzarán por proteger y mejorar la belleza en todas partes en que se sienta su impacto, y por mantener o incrementar la diversidad funcional del ambiente en general.

En un ensayo de una página, critique esta formulación de la ética ambiental. 8.12 La descarga de una planta de tratamiento de aguas residuales potencial puede afectar el nivel de oxígeno disuelto en una corriente. Se espera que las características del desecho sean:

a) ¿La construcción de esta planta causará que el OD descienda por debajo del estado estándar? b) Si durante un día de verano caluroso el flujo en la corriente desciende a 0.2 m3/s y su temperatura se incrementa a 30 °C, ¿se cumplirá el estado estándar? c) En el invierno la corriente está cubierta de hielo, así que no puede haber ninguna reaireación (k2 = 0). Si la temperatura del agua en la corriente es de 4 °C y las otras características son iguales (como en la parte a) anterior), ¿se cumplirá el estado estándar? d) Suponga que sus cálculos mostraron que en la parte c) anterior el oxígeno disuelto descendió a cero durante el invierno, bajo el hielo. ¿Esto es malo? Después de todo, ¿a quién le importa? 8.13 Libby estaba de buen humor; amaba su trabajo como ingeniera asistente para la ciudad y el clima era perfecto para trabajar al aire libre. Había obtenido el empleo de inspectora en el sitio para la nueva red troncal de alcantarillado por gravedad y esto no sólo le daba una responsabilidad considerable, sino que le permitía salir de la oficina. No estaba mal para una joven ingeniera que apenas unos meses antes había egresado de la escuela. La ciudad hacía el trabajo en forma interna, en parte debido a Bud, un capataz experimentado que vería que el trabajo estuviera bien hecho. Era maravilloso trabajar con Bud, sabía

Problemas muchas historias y tenía muchos conocimientos prácticos de construcción. Libby esperaba aprender mucho de él. Esta mañana en particular el trabajo requería el corte y desmonte de una franja de bosque en el derecho de paso. Cuando Libby llegó, la cuadrilla ya se preparaba ruidosamente para el trabajo de la mañana. Ella decidió adelantarse por el derecho de paso para ver cómo era el terreno. A unas 100 yardas (91.44 metros) del derecho de paso encontró un roble enorme, un poco fuera de la línea central, pero aún en el derecho de paso, y por consiguiente destinado a ser cortado. Era un roble magnífico, quizá de 300 años de edad, y de alguna manera había sobrevivido al desmonte que ocurrió en esta tierra a mediados del siglo xix. Difícilmente algunos árboles ahí tenían más de 150 años de edad, habiendo sido derribados todos por la sed de más tierra de los agricultores de tabaco. Pero ahí estaba este magnífico árbol. ¡Asombroso! Libby literalmente llevó a rastras a Bud hasta el árbol y exclamó: “No podemos cortar este árbol. Podemos recorrer la línea alrededor de él y todavía mantenernos en el derecho de paso”. “No. Es preciso derribarlo”, respondió Bud. “En primer lugar, construimos una alcantarilla por gravedad. Simplemente no cambias la alineación de la alcantarilla. Tendríamos que construir registros adicionales y rediseñar la línea entera. Y de mayor importancia, no puedes tener un árbol tan grande en el derecho de paso de una línea de alcantarillado. Las raíces llegarían a la tubería con el tiempo y causarían grietas. En el peor caso, llenarían toda la tubería y esto requiere una limpieza y un posible reemplazo si el problema es grave. Simplemente no podemos permitir que este árbol permanezca aquí.” “Pero piensa en este árbol como un tesoro. Tal vez tenga 300 años de edad. Es probable que no haya ningún otro árbol como éste en el condado”, imploró Libby. “Un árbol es un árbol. Nosotros estamos en el negocio de construir un alcantarillado y el árbol está en el camino”, insistió Bud. “Bueno, yo creo que este árbol es especial e insisto en que lo salvemos. Como yo soy

223

la ingeniera a cargo”, tragó saliva por dentro, sorprendida de su propio valor, “digo que no lo cortaremos.” Miró a su alrededor y vio que algunos de los hombres caminaban hacia ellos y se detenían a su alrededor, con las sierras de cadena en la mano y sonrisas irónicas en sus rostros. Bud se veía muy incómodo. “Está bien”, dijo. “Tú eres la jefa. El árbol se queda.” Esa tarde en su oficina, Libby reflexionó sobre la confrontación y trató de entender sus sentimientos intensos por el viejo árbol. ¿Qué causó que se empecinara así? ¿Para salvar un árbol? ¿Qué tal si era especial? Había muchos otros árboles que se cortaban para instalar el alcantarillado. ¿Qué era especial en éste? ¿Era sólo su edad o algo más? La mañana siguiente Libby regresó al sitio de construcción y se horrorizó al encontrar que el viejo árbol ya no estaba. Entró como un vendaval en el remolque de construcción de Bud y casi gritó: “¡Bud! ¿Qué le pasó al viejo árbol?” “No dejes que se altere tu hermosa cabeza ahora. Llamé al director de Obras Públicas y le comenté lo que hablamos, y dijo que cortara el árbol. Era lo que debíamos hacer. Si no estás de acuerdo, tienes mucho que aprender sobre construcción.” ¿Por qué Libby se sentía tan apegada al viejo árbol? ¿Por qué deseaba salvarlo? ¿Era por ella misma, por otros seres humanos o por el bien del árbol en sí? ¿Qué hará Libby ahora? ¿Tiene algún recurso en absoluto? El árbol ya está muerto, a pesar de sus acciones futuras. Escriba un memorándum de una página de Libby a su jefe relatando los eventos concernientes al árbol y exprese sus (de usted) sentimientos. 8.14 Además de desempeñar funciones importantes en los ecosistemas, los microorganismos también lo hacen en la ingeniería. ¿Cuáles son algunas de ellas? 8.15 ¿Por qué los ingenieros del transporte se preocupan por proporcionar estructuras para el cruce de animales? (Véase la sección 8.2.4.)

224

Capítulo 8 Ecosistemas

NOTAS FINALES 1. Warren, Karen J. (1990). The power and promise of ecological feminism. Environmental Ethics 12: núm. 5: 125. 2. Smith, G. J. C. et al. (1974). Our Ecological Crisis. Nueva York: Macmillan. 3. Law, E. A. (2000). Aquatic Pollution. Hoboken, NJ: Wiley. 4. Metcalf & Eddy, Inc. (1991). Wastewater Engineering: Treatment, Disposal, and Reuse. Nueva York: McGraw-Hill. 5. Phelps, E. B. (1994). Stream Sanitation. Nueva York: John Wiley & Sons.

6. Anonymous (2000). Structures keep animals off roadways in Florida. Civil Engineering 70, núm. 7: 29. 7. Morrall, J. F. y T. M. McGuire (2000). Sustainable highway development in a national park. Transportation Research Record 1702: núm. 3. 8. James Coolbaugh (1976). Environment 18: núm. 6. 9. Morse, Norma H. (1975, 2 de enero). An Environmental Ethic-Its Formulation and Implications. Ottawa: The Environmental Advisory Council of Canada. Informe núm. 20.

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© Susan Morgan

APLICACIONES

Los ingenieros ambientales aplican su conocimiento y su juicio para diseñar procesos y sistemas que mejoren la vida de las personas.

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9

© Nathan Holland/Shutterstock

Calidad del agua

© Jim Hargon/ www.hargononline.com/ Alamy

Bahía St. Louis Mississippi después de Katrina

Cascadas de Agua Blanca, Carolina del Norte

Los ingenieros ambientales protegen la calidad del agua. Aunque podemos enfocarnos en cierto nivel de calidad del agua y mejorarlo quizá no valga la pena el costo de hacerlo. 227

228

Capítulo 9 Calidad del agua ¿Cuándo está contaminada el agua? La respuesta, por supuesto, depende de lo que entendamos por contaminada. Para algunas personas la pregunta es ociosa, como en el caso de un juez rural, quien en el tribunal de un condado, al presidir un juicio por contaminación del agua, dijo que “cualquier tonto sabe si el agua puede beberse”. Pero lo que para ciertos individuos tal vez sea contaminación, quizá para otros sea en realidad un componente vital en el agua. Por ejemplo, los oligoelementos son necesarios para el crecimiento de las algas (y, por tanto, para toda la vida acuática) y los peces necesitan materiales orgánicos como fuente de alimento para sobrevivir; sin embargo, estos mismos componentes pueden ser perjudiciales si el agua se utilizará para el enfriamiento industrial. En este capítulo se analizan en primer lugar los diversos parámetros que se usan para medir la calidad del agua. Luego se considera con mayor profundidad la interrogante de cuál es el agua limpia y cuál la contaminada.

9.1

INDICADORES DE LA CALIDAD DEL AGUA Aunque hay muchos parámetros para medir la calidad del agua, este análisis se limita a los siguientes: r
&M
PYÎHFOP
EJTVFMUP
FT
FM
EFUFSNJOBOUF
QSJODJQBM
EF
MB
DBMJEBE
EFM
BHVB
FO
BSSPZPT
lagos y otros cursos de agua. r
-B
EFNBOEB
EF
PYÎHFOP
TPCSF
UPEP
MB
CJPRVÎNJDB
RVF
TF
QSFTFOUÓ
FO
MB
TFDDJÓO



es un parámetro importante que indica la contaminación potencial de varias descargas en los cursos de agua. r
-PT
TÓMJEPT
DPNQSFOEFO
MPT
TÓMJEPT
TVTQFOEJEPT
RVF
TPO
BOUJFTUÊUJDPT
FO
MBT
BHVBT
naturales, y los sólidos totales, que abarcan los sólidos disueltos, y algunos de ellos podrían ser perjudiciales para la vida acuática o para las personas que beben el agua. r
&M
OJUSÓHFOP
FT
VO
JOEJDBEPS
ÙUJM
EF
MB
DBMJEBE
EFM
BHVB
FO
BSSPZPT
Z
MBHPT r
-B
QSFTFODJB
QPUFODJBM
EF
CBDUFSJBT
Z
WJSVT
JOGFDDJPTPT
FKFSDF
JNQBDUPT
FWJEFOUFT
FO
MB
salud humana.

9.1.1 Oxígeno disuelto &M
PYÎHFOP
EJTVFMUP
0%
TF
NJEF
DPO
VOB
TPOEB
Z
VO
NFEJEPS
àHVSB
 
6OP
EF
MPT
NFEJdores más sencillos (y más antiguos desde el punto de vista histórico) funciona como una celda galvánica, en la que se introducen electrodos de plomo y plata en una solución de electrolito con un micrómetro entre ambos. La reacción ante el electrodo de plomo es: 1C

)− →
1C0

)0

F− Los electrones que se liberan en el electrodo de plomo viajan por el micrómetro hasta el electrodo de plata, donde tiene lugar la siguiente reacción: F−

 0

)0
→
0)−

Indicadores de la calidad del agua

© Susan Morgan

9.1

A

B

Figura 9.1 Oxímetro.

229

230

Capítulo 9 Calidad del agua -B
SFBDDJÓO
OP
PDVSSJSÃ
B
NFOPT
EF
RVF
TF
EJTQPOHB
EF
PYÎHFOP
EJTVFMUP
MJCSF
FO
DVZP
DBTP
FM
micrómetro no registrará ninguna corriente. &M
ÊYJUP
EF
MB
MFDUVSB
DPOTJTUF
FO
DPOTUSVJS
Z
DBMJCSBS
VO
NFEJEPS
EF
UBM
NPEP
RVF
MB
FMFDUSJDJEBE
SFHJTUSBEB
TFB
QSPQPSDJPOBM
B
MB
DPODFOUSBDJÓO
EF
PYÎHFOP
FO
MB
TPMVDJÓO
EF
FMFDtrolitos. En los modelos comerciales los electrodos están aislados entre sí por un plástico no conductivo, y recubiertos por una membrana permeable con algunas gotas de electrolito entre MB
NFNCSBOB
Z
MPT
FMFDUSPEPT
-B
DBOUJEBE
EF
PYÎHFOP
RVF
WJBKB
QPS
MB
NFNCSBOB
FT
QSPQPSDJPOBM
B
MB
DPODFOUSBDJÓO
EF
PYÎHFOP
EJTVFMUP
6OB
DPODFOUSBDJÓO
EF
0%
FMFWBEB
FO
FM
BHVB
crea una fuerza impulsora intensa que atraviesa la membrana, en tanto que una concentración EF
0%
CBKB
TÓMP
IBDF
RVF
BUSBWJFTF
Z
QBSUJDJQF
VOB
DBOUJEBE
MJNJUBEB
EF
0 en la reacción para DSFBS
VOB
DPSSJFOUF
FMÊDUSJDB
1PS
UBOUP
MB
DPSSJFOUF
FT
QSPQPSDJPOBM
BM
OJWFM
EF
PYÎHFOP
EJTVFMUP
en la solución. $PNP
TFÒBMBNPT
FO
FM
DBQÎUVMP

MB
TBUVSBDJÓO
EF
PYÎHFOP
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FM
BHVB
FTUÃ
FO
GVODJÓO
EF
MB
UFNQFSBUVSB
Z
MB
QSFTJÓO
-PT
OJWFMFT
EF
TBUVSBDJÓO
EF
0
FO
FM
BHVB
UBNCJÊO
EFQFOEFO
EF
MB
concentración de sólidos disueltos, ya que las concentraciones elevadas de sólidos reducen MB
TPMVCJMJEBE
EFM
PYÎHFOP
&O
MB
UBCMB

TF
QSFTFOUB
VOB
MJTUB
EF
MPT
OJWFMFT
EF
TBUVSBDJÓO
EF
PYÎHFOP
FO
FM
BHVB
MJNQJB
B
WBSJBT
UFNQFSBUVSBT &M
PYÎNFUSP
P
NFEJEPS
EFM
0%
TF
DBMJCSB
BM
WBMPS
NÃYJNP
EF
TBUVSBDJÓO
FO
DVBMRVJFS
UJQP
EF
BHVB
QBSB
FMMP
TF
JOUSPEVDF
VOB
TPOEB
FO
VOB
NVFTUSB
EF
BHVB
RVF
TF
IB
PYJHFOBEP
MP
TVàDJFOUF
QBSB
HBSBOUJ[BS
MB
TBUVSBDJÓO
EF
0%
-VFHP
EF
FTUBCMFDFS
MPT
WBMPSFT
EF
DFSP
Z
EF
TBUVSBDJÓO
FT
QPTJCMF
VTBS
FM
NFEJEPS
QBSB
MFFS
MPT
OJWFMFT
JOUFSNFEJPT
EF
0%
FO
MBT
NVFTUSBT
desconocidas. Si bien la mayoría de los medidores compensa en forma automática los cambios de temperatura, una variación en los sólidos disueltos requiere una nueva calibración.

9.1.2 Demanda de oxígeno 5BM
WF[
NÃT
JNQPSUBOUF
RVF
MB
EFUFSNJOBDJÓO
EFM
PYÎHFOP
EJTVFMUP
TFB
MB
NFEJDJÓO
EF
MB
UBTB
EF
DPOTVNP
EF
PYÎHFOP
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QBSUF
MPT
NJDSPPSHBOJTNPT
RVF
EFTDPNQPOFO
MB
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PSHÃOJDB
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USFT
UJQPT
EF
EFNBOEB
EF
PYÎHFOP
P
NÊUPEPT
QBSB
EFUFSNJOBSMB
MB
UFÓSJDB
MB
CJPRVÎNJDB
y la química. Demanda de oxígeno teórica -B
EFNBOEB
EF
PYÎHFOP
QBSB
MB
EFTDPNQPTJDJÓO
EF
NBUFSJB
QVSB
QVFEF
FTUJNBSTF
B
QBSUJS
EF
MB
estequiometría, suponiendo que todo el material orgánico se descompone por completo. Pero, yRVÊ
TJHOJàDB
iEFTDPNQPOFSTF
QPS
DPNQMFUPu
4J
FM
DPNQVFTUP
FT
VO
IJESPDBSCVSP
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DPOUJFOF
TÓMP
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F
IJESÓHFOP
P
VO
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UJFOF
PYÎHFOP
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EF
MB
EFTDPNQPTJDJÓO
TPO
$0
Z
)0
4J
FM
DPNQVFTUP
FT
VOB
BNJOB
RVF
DPOUJFOF
DBSCPOP
IJESÓHFOP
Z
OJUSÓHFOP
FOUPODFT
MPT
QSPEVDUPT
EF
MB
EFTDPNQPTJDJÓO
TPO
$0
)0
Z
/). 6OB
WF[
RVF
MB
SFBDDJÓO
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TF
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Z
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MB
EFNBOEB
EF
PYÎHFOP
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%05FP
QVFEF
DBMDVMBSTF
DPNP %05FP

$¢%05FP

/¢%05FP EPOEF
$¢%05FP
TF
EFCF
B
MB
EFTDPNQPTJDJÓO
EFM
NBUFSJBM
DBSCPOPTP
PSHÃOJDP
Z
/¢%05FP
B
MB
FTUBCJMJ[BDJÓO
EFM
NBUFSJBM
OJUSPHFOBEP
/)
B
/0–
DBQÎUVMP
 

9.1 EJEMPLO 9.1

Indicadores de la calidad del agua

231

Problema y$VÃM
FT
MB
EFNBOEB
EF
PYÎHFOP
UFÓSJDB
FO
NH-
QBSB
RVF
VOB
TPMVDJÓO
NPMBS
EF
m HMVDPTB
EF

×
 , C)0, se descomponga por completo? Solución En primer lugar, es preciso balancear la reacción de la descomposición (lo que constituye un ejercicio algebraico): C)0

B0 →
C$0

D)0 como C)0

0 →
$0

)0 &T
EFDJS
QPS
DBEB
NPM
EF
HMVDPTB
EFTDPNQVFTUB
TF
OFDFTJUBO

NPMFT
EF
PYÎHFOP
&TUP
OPT
EB
una constante que podemos utilizar para cambiar las moles por litro de glucosa a miligramos QPS
MJUSP
EFM
0 requerido, una conversión de unidades (relativamente) sencilla. ⎡ 1.67 × 10 −3 moles de glucosa ⎤ ⎡ 6 moles de O 2 ⎤ ⎡ 32 g de O 2 ⎤ ⎡ 1, 000 mg ⎤ mg O 2 ⎢ ⎥ × ⎢ mol de glucosa ⎥ × ⎢ mol de O ⎥ × ⎢ ⎥ = 321 L L g ⎦ ⎣ ⎣ ⎦ ⎣ ⎦ ⎣ 2 ⎦

EJEMPLO 9.2

Problema y$VÃM
FT
MB
EFNBOEB
EF
PYÎHFOP
UFÓSJDB
FO
MJUSPT
EF
BJSF
QBSB
RVF
VOB
TPMVDJÓO
EF

NH-
EF
BDFUPOB
$)$0$), se descomponga por completo? Solución

El primer paso es, de nuevo, balancear la reacción de la descomposición: C)0

B0 →
C$0

D)0

como C)0

0 →
$0

)0 &T
EFDJS
QPS
DBEB
NPM
EF
BDFUPOB
EFTDPNQVFTUB
TF
OFDFTJUBO

NPMFT
EF
PYÎHFOP
6TF
MB
MFZ
EF
MPT
HBTFT
QFSGFDUPT
Z
FM
QPSDFOUBKF
EF
PYÎHFOP
QPS
WPMVNFO
EF
BJSF
QBSB
DBMDVMBS
MPT
MJUSPT
EF
aire requeridos. ⎤ ⎡ mol de acetona ⎤ ⎡ 4 moles de O 2 ⎤ g ⎡ 50 mg de acetona ⎤ ⎡ ×⎢ ⎥×⎢ ⎥× ⎢⎣ ⎥ L ⎦ ⎣ 1, 000 mg ⎦ ⎣ 58.08 g de acetona ⎦ ⎢⎣ mol de acetona ⎥⎦ ⎡ 22.4 L O 2 ⎤ ⎡ L del aire ⎤ L de aire ×⎢ ⎥×⎢ ⎥ ≅ 0.4 L de solución ⎣ mol de O 2 ⎦ ⎣ 0.21 L de O 2 ⎦

0CTFSWF
RVF
FO
BNCPT
FKFNQMPT
%05FP

$m%05FP
&O
PUSBT
QBMBCSBT
/m%05FP


porque no había nitrógeno en la sustancia química orgánica.

232 EJEMPLO 9.3

Capítulo 9 Calidad del agua

Problema y$VÃM
FT
MB
EFNBOEB
EF
PYÎHFOP
UFÓSJDB
FO
MJUSPT
EF
BJSF
QBSB
RVF
VOB
TPMVDJÓO
EF

NH-
EF
NFUJMBNJOB
$)/), se descomponga por completo? Solución El primer paso es balancear la reacción de la descomposición: $)5/

B0 →
C$0

D)0

E/) como $)5/

0 →
$0

)0

/) &T
EFDJS
QPS
DBEB
NPM
EF
NFUJMBNJOB
EFTDPNQVFTUB
TF
OFDFTJUBO

NPMFT
EF
PYÎHFOP
QBSB
MB
$m%05FP ⎤ ⎡ mol de CH 5 N ⎤ g ⎡ 300 mg de CH 5 N ⎤ ⎡ C − DOTeo = ⎢ ×⎢ ⎥×⎢ ⎥ ⎥ L 1, 000 mg ⎦ ⎣ ⎣ ⎦ ⎣ 31.058 g de CH 5 N ⎦ ⎡ 1.5 moles de O2 ⎤ ⎡ 22.4 L de O2 ⎤ ⎡ L de aire ⎤ ×⎢ ⎥×⎢ ⎥×⎢ ⎥ ≅ 1.55 ⎣ mol de CH 5 N ⎦ ⎣ mol de O2 ⎦ ⎣ 0.21 L de O2 ⎦ 1FSP
FM
/)
UBNCJÊO
VUJMJ[BSÃ
0: /)

0 →
)/0

)0 %F
NPEP
RVF
IBCSÃ
VOB
/m%05FP ⎤ ⎡ mol de CH 5 N ⎤ ⎡ 1 mol de NH 3 ⎤ g ⎡ 300 mg de CH 5 N ⎤ ⎡ ×⎢ N − DTeo = ⎢ ⎥×⎢ ⎥×⎢ ⎥ ⎥ L ⎦ ⎣ 1, 000 mg ⎦ ⎣ 31.058 g de CH 5 N ⎦ ⎣ mol de CH 5 N ⎦ ⎣ ⎡ 2 moles de O2 ⎤ ⎡ 22.4 L de O2 ⎤ ⎡ L de aire ⎤ L de aire ×⎢ ⎥×⎢ ⎥×⎢ ⎥ ≅ 2.06 L de solución ⎣ mol de NH 3 ⎦ ⎣ mol de O2 ⎦ ⎣ 0.21 L de O2 ⎦ %F
NPEP
RVF
MB
EFNBOEB
EF
PYÎHFOP
UFÓSJDB
FT %05FP

$¢%05FP

/¢%05FP
≅



≅

-
EF
BJSF
QPS
-
EF
TPMVDJÓO

&T
JNQPSUBOUF
EBSTF
DVFOUB
EF
RVF
QBSB
DBMDVMBS
MB
EFNBOEB
EF
PYÎHFOP
UFÓSJDB
VTUFE
debe conocer la fórmula química del material que se descompone más la reacción estequioNÊUSJDB
2VJ[Ã
QVFEB
NBOFKBS
FTUB
JOGPSNBDJÓO
FO
VO
FOUPSOP
JOEVTUSJBM
FO
FM
RVF
TF
VUJMJDF
una cantidad limitada de materiales. Por desgracia, las aguas residuales municipales pocas WFDFT
TPO
NBUFSJBMFT
QVSPT
Z
OP
FT
QPTJCMF
DBMDVMBS
MB
EFNBOEB
EF
PYÎHFOP
B
QBSUJS
EF
MB
estequiometría. En realidad, es necesario efectuar una prueba en la que en efecto se usen MPT
NJDSPPSHBOJTNPT
RVF
MMFWBO
B
DBCP
MB
DPOWFSTJÓO
Z
TF
NJEB
FM
DPOTVNP
EF
PYÎHFOP
EF
estos organismos.

9.1

Indicadores de la calidad del agua

233

Demanda bioquímica de oxígeno

© Cortesía de P. Aarne Vesilind

-B
UBTB
EF
DPOTVNP
EF
PYÎHFOP
EF
FTUPT
NJDSPPSHBOJTNPT
FO
HFOFSBM
TF
DPOPDF
DPNP
demanda bioquímica de oxígeno
%#0 
-B
%#0
OP
FT
VO
JOEJDBEPS
EF
BMHÙO
DPOUBNJOBOUF
FTQFDÎàDP
TJOP
NÃT
CJFO
EF
MB
DBOUJEBE
EF
PYÎHFOP
RVF
MBT
CBDUFSJBT
BFSÓCJDBT
Z
PUSPT
NJDSPPSHBOJTNPT
necesitan para estabilizar la materia orgánica susceptible de descomponerse. Si a los microorganismos se les pone en contacto con una provisión de alimento (como los desechos humanos), DPOTVNFO
FM
PYÎHFOP
EVSBOUF
MB
EFTDPNQPTJDJÓO
6OB
UBTB
EF
DPOTVNP
NVZ
CBKB
JOEJDBSÎB

RVF
OP
IBZ
DPOUBNJOBDJÓO

RVF
MPT
NJDSPPSHBOJTNPT
QSFTFOUFT
OP
TF
JOUFSFTBO
QPS
DPOTVNJS
MBT
TVTUBODJBT
PSHÃOJDBT
EJTQPOJCMFT
P

RVF
MPT
NJDSPPSHBOJTNPT
FTUÃO
NVFSUPT
P
NPSJCVOEPT
/BEB
EJTNJOVZF
FM
DPOTVNP
EF
PYÎHFOP
QPS
QBSUF
EF
MPT
NJDSPPSHBOJTNPT
BDVÃUJDPT
UBO
CJFO
DPNP
VO
TBMVEBCMF
USBHP
EF
BSTÊOJDP

-B
QSVFCB
%#0
FTUÃOEBS
TF
SFBMJ[B
FO
MB
PTDVSJEBE
B

$
EVSBOUF
DJODP
EÎBT
&TUP
TF
EFàOF
DPNP
%#0
EF
DJODP
EÎBT
%#05


MP
RVF
SFQSFTFOUB
FM
PYÎHFOP
RVF
TF
VUJMJ[B
FO
MPT
QSJNFSPT
DJODP
EÎBT
-B
UFNQFSBUVSB
TF
FTQFDJàDB
QPSRVF
MB
UBTB
EF
DPOTVNP
EF
PYÎHFOP
EFQFOEF
de ella. La reacción debe ocurrir en la oscuridad porque puede haber algas y, si entra la luz, QSPEVDJSÃO
PYÎHFOP
FO
MB
CPUFMMB
-B
QSVFCB
%#0
TF
FGFDUÙB
DBTJ
FO
GPSNB
VOJWFSTBM
FO
VOB
CPUFMMB
EF
%#0
FTUÃOEBS
DPO
VO
WPMVNFO
EF
BQSPYJNBEBNFOUF

N-


DPNP
TF
BQSFDJB
FO
MB
àHVSB

-B
CPUFMMB
FTUÃ
IFDIB
EF
VO
WJESJP
FTQFDJBM
OP
SFBDUJWP
Z
UJFOF
VO
UBQÓO
FTNFSJMBEP
DPO
VO
CPSEF
RVF
DSFB
VO
DJFSSF
IJESÃVMJDP
EF
NPEP
RVF
OP
FOUSF
OJ
TBMHB
PYÎHFOP
EF
MB
CPUFMMB

26

26

Figura 9.2 Botella de DBO hecha de un cristal no reactivo especial y provista de un tapón esmerilado.

234

Capítulo 9 Calidad del agua "VORVF
MB
%#0
EF
DJODP
EÎBT
FT
MB
QSVFCB
FTUÃOEBS
UBNCJÊO
FT
QPTJCMF
QPS
TVQVFTUP
SFBMJ[BS
VOB
EF

EF

P
EF
PUSB
DBOUJEBE
EF
EÎBT
6OB
GPSNB
EF
%#0
RVF
TF
QSFTFOUÓ
FO
FM
DBQÎUVMP

FT
MB
%#0
NÃYJNB
%#0m
P
-


RVF
FT
MB
EFNBOEB
EF
0 luego de un periodo muy prolongaEP
DVBOEP
MPT
NJDSPPSHBOJTNPT
IBO
PYJEBEP
MBT
TVTUBODJBT
PSHÃOJDBT
UBOUP
DPNP
QVFEFO
-B
%#0
NÃYJNB
TF
SFBMJ[B
EVSBOUF

EÎBT
NPNFOUP
FO
FM
RVF
PDVSSJSÃ
NVZ
QPDP
BHPUBNJFOUP
EF
PYÎHFOP
BEJDJPOBM 4J
FM
PYÎHFOP
EJTVFMUP
0%
TF
NJEF
EJBSJBNFOUF
EVSBOUF
DJODP
EÎBT
TF
PCUJFOF
VOB
DVSWB
DPNP
MB
RVF
BQBSFDF
FO
MB
àHVSB

&O
FTUB
àHVSB
MB
NVFTUSB
"
UJFOF
VO
0%
JOJDJBM
EF

NH-
Z
FO
DJODP
EÎBT
FM
0%
CBKB
B

NH-
-B
EFNBOEB
CJPRVÎNJDB
EF
PYÎHFOP
%#0
FT
FM
0%
JOJDJBM
NFOPT
FM
0%
àOBM
RVF
FT
JHVBM
BM
0%
VUJMJ[BEP
QPS
MPT
NJDSPPSHBOJTNPT
&O
FTUF
DBTP
FT

m



NH-
&O
GPSNB
EF
FDVBDJÓO %#0

I – F donde

I

0%
JOJDJBM
NHF

0%
àOBM
NH-

4J
OPT
SFNJUJNPT
EF
OVFWP
B
MB
àHVSB

MB
NVFTUSB
#
UJFOF
VO
0%
JOJDJBM
EF

NH-
QFSP
FM
PYÎHFOP
TF
DPOTVNJÓ
UBO
SÃQJEP
RVF
EFTDFOEJÓ
B
DFSP
FO
EPT
EÎBT
4J
EFTQVÊT
EF
DJODP
EÎBT
MB
NFEJDJÓO
EFM
0%
FT
EF
DFSP
UPEP
MP
RVF
TBCFNPT
FT
RVF
MB
%#0
EF
MB
NVFTUSB
#
FT
EF
NÃT
EF

m



NH-
QPSRVF
MPT
PSHBOJTNPT
QVEJFSPO
VTBS
NÃT
0%
TJ
IVCJFSB
FTUBEP
EJTQPOJCMF
QFSP
OP
TBCFNPT
DVÃOUP
NÃT
EF

NH-
&O
HFOFSBM
FO
FM
DBTP
EF
MBT
NVFTUSBT
DPO
VOB
EFNBOEB
EF
PYÎHFOP
NBZPS
B
MPT

NH-
OP
FT
QPTJCMF
NFEJS
MB
%#0
FO
GPSNB
EJSFDUB
Z
FT
OFDFTBSJP
realizar una dilución de la muestra. 4VQPOHB
RVF
MB
NVFTUSB
$
FO
MB
àHVSB
FT
FO
SFBMJEBE
MB
NVFTUSB
#
EJMVJEB
DPO
BHVB
EFTUJMBEB
B
SB[ÓO
EF

-B
%#0
EF
MB
NVFTUSB
#
FT
QPS
UBOUP

WFDFT
NBZPS
RVF
FM
WBMPS
medido, o %#0


m
 


NH8 7 6 5 4 3 2 1 0 0

C A B 1

2

3

4

5

Figura 9.3 Disminución del oxígeno disuelto en tres botellas diferentes de DBO: A es una prueba válida de DBO de cinco días; B no es válida porque alcanza un nivel de oxígeno disuelto de cero antes del quinto día, y C es lo mismo que B pero con una dilución previa.

9.1

Indicadores de la calidad del agua

235

$PO
MB
EJMVDJÓO
VUJMJ[BOEP
BHVB
TJO
%#0
QSPQJB


MB
FDVBDJÓO
%#0
TF
WVFMWF


%#0

I – F %




donde D

EJMVDJÓO
SFQSFTFOUBEB
DPNP
GSBDDJÓO
Z
EFàOJEB
DPNP D=

volumen total de la botella volumen total de la botella − volumen de agua de dilución

B


que es lo mismo que D=

EJEMPLO 9.4

volumen total de la botella
volumen de la muestra

C

Problema 4F
QSFQBSBSPO
USFT
CPUFMMBT
EF
%#0
DPO
VOB
NVFTUSB
Z
BHVB
EF
EJMVDJÓO
DPNP
TF
aprecia en la tabla siguiente. Botella

Muestra (mL)

Agua de dilución (mL)






  






Calcule la dilución (D) de cada una. Solución
3FDVFSEF
RVF
FM
WPMVNFO
EF
VOB
CPUFMMB
EF
%#0
FTUÃOEBS
FT
EF

N-
&O
FM
DBTP
EF
MB
CPUFMMB

MB
EJMVDJÓO
D
FT
FDVBDJÓO
C  D=

300 = 100 300 − 297

En forma similar, para las otras dos botellas, D TF
DBMDVMB
DPNP

Z


-B
QSFNJTB
FO
FM
NÊUPEP
EF
EJMVDJÓO
FT
RVF
MPT
SFTVMUBEPT
EF
DBEB
EJMVDJÓO
EF
VOB
TPMB
NVFTUSB
HFOFSBSÃO
FM
NJTNP
WBMPS
EF
%#0
&O
PDBTJPOFT
B
NFOVEP
DVBOEP
TF
USBCBKB
DPO
VOB
TFSJF
EF
CPUFMMBT
EF
%#0
DPO
EJGFSFOUFT
EJMVDJPOFT
MPT
DÃMDVMPT
OP
DPOWFSHFO
$POTJEFSF
el ejemplo siguiente.

EJEMPLO 9.5

Problema 4F
SFBMJ[Ó
VOB
TFSJF
EF
QSVFCBT
EF
%#0
DPO
USFT
EJMVDJPOFT
EJTUJOUBT
-PT
SFTVMtados fueron los siguientes: Botella






Dilución

OD inicial (mg/L)

OD final (mg/L)











  

y$VÃM
FT
MB
%#0

236

Capítulo 9 Calidad del agua Solución
&O
QSJNFS
MVHBS
EFCFO
DBMDVMBSTF
MBT
%#0
JOEJWJEVBMFT
-VFHP
IBZ
RVF
DPNQBSBS
MPT
SFTVMUBEPT
3FDVFSEF
MB
FDVBDJÓO
 %#0

I – F)D Por tanto, los resultados de la prueba de laboratorio son Botella






DBO (mg/L)

   

-PT
SFTVMUBEPT
WBSÎBO
QPS

NH-
VOB
DBOUJEBE
DPOTJEFSBCMF
&TUF
QSPCMFNB
SFQSFTFOUB
MP
RVF
TF
EFOPNJOB
VOB
iFTDBMB
NÓWJMu
&O
UÊSNJOPT
JEFBMFT
UPEBT
MBT
QSVFCBT
EFCJFSPO
EBS
DPNP
SFTVMUBEP
MB
NJTNB
P
DBTJ
MB
NJTNB
%#0
DBMDVMBEB
QFSP
FT
DMBSP
RVF
OP
GVF
BTÎ
$PNP
este ejemplo representa una escala móvil bastante benigna, la lectura intermedia podría ser la NFKPS
SFQSFTFOUBOUF
EFM
DPOTVNP
EF
PYÎHFOP
EF
NPEP
RVF
RVJ[Ã
TF
JOGPSNBSÎB
VOB
%#0
EF

NH-
6OB
TPMVDJÓO
NFOPT
QSBHNÃUJDB
TFSÎB
MJNQJBS
MBT
CPUFMMBT
BTFHVSBSTF
EF
RVF
FM
BHVB
EF
EJMVDJÓO
FTUÊ
QFSGFDUBNFOUF
MJNQJB
RVF
OP
UFOHB
VOB
%#0
QSPQJB
Z
QSPCBS
EF
OVFWP
DPO
la esperanza de obtener un resultado más consistente.

1PDBT
WFDFT
TF
DPOPDF
MB
%#0
EF
MB
NVFTUSB
BOUFT
EF
SFBMJ[BS
MB
QSVFCB
EF
NPEP
RVF
FT
QSFDJTP
FTUJNBS
MB
EJMVDJÓO
-B
QSVFCB
OP
FT
NVZ
QSFDJTB
TJ
FM
EFTDFOTP
FO
FM
0%
EVSBOUF
MPT
DJODP
EÎBT
EF
JODVCBDJÓO
FT
NFOPS
B
MPT

NH-
P
TJ
FM
0%
SFTUBOUF
FO
MB
CPUFMMB
FT
EF
NFOPT
EF

NH-
&O
HFOFSBM
VOB
%#0
àOBM
TF
FTUJNB
B
QBSUJS
EF
QSVFCBT
BOUFSJPSFT
P
EFTFDIPT
TJNJMBSFT
Z
BM
NFOPT
EPT
EJMVDJPOFT
FTQFSBOEP
RVF
VOB
UFOHB
QPS
MP
NFOPT

NH-
EF
0%
SFTUBOUFT
Z
TVQPOJFOEP
RVF
PUSB
VUJMJDF
QPS
MP
NFOPT

NH-
EF
0%
-B
EJMVDJÓO
TF
DBMDVMB
FOUPODFT
DPNP
D=

EJEMPLO 9.6

DBO esperada Δ OD



Problema 4F
FTQFSB
RVF
MB
QSVFCB
EF
%#0
EF
DJODP
EÎBT
EFM
áVKP
EF
FOUSBEB
BáVFOUF
B
VOB
QMBOUB
EF
USBUBNJFOUP
EF
BHVBT
SFTJEVBMFT
TFB
EF

NH-
DPO
CBTF
FO
BHVBT
SFTJEVBMFT
TJNJMBSFT
y2VÊ
EJMVDJPOFT
EFCFSÎBO
VTBSTF
FO
VOB
QSVFCB
EF
%#0
EF
DJODP
EÎBT Solución 4VQPOHB
RVF
MB
TBUVSBDJÓO
FT
BQSPYJNBEBNFOUF
EF

NH-
4J
QPS
MP
NFOPT

NH-
QFSNBOFDFO
FO
MB
CPUFMMB
FM
EFTDFOTP
FO
MB
%#0
EFCFSÎB
TFS
EF

m



NH-
EF
NPEP
RVF
MB
EJMVDJÓO
TFSÎB
FDVBDJÓO


D=

800 = 100 8

%F
NPEP
TJNJMBS
TJ
TF
VTBSBO
QPS
MP
NFOPT

NH-
EF
0%
MB
EJMVDJÓO
EF
PUSB
CPUFMMB
EFCF
TFS D=

800 = 400 2

9.1

Indicadores de la calidad del agua

237

1BSB
MB
QSVFCB
TF
EFCFSÎB
USBCBKBS
DPO
EPT
CPUFMMBT
EF
%#0
QPS
MP
NFOPT
VOB
DPO
D


Z
la otra con D


-B
QSVEFODJB
BDPOTFKBSÎB
VTBS
VOB
UFSDFSB
CPUFMMB
DPO
VOB
EJMVDJÓO
FOUSF
estas dos, digamos D



1PS
MP
DPNÙO
MB
NVFTUSB
EF
EFTFDIP
DPOUJFOF
TVàDJFOUFT
NJDSPPSHBOJTNPT
QBSB
GPNFOtar la descomposición. Sin embargo, es posible que esta situación no siempre sea así; por FKFNQMP
FT
QPTJCMF
NFEJS
MB
%#0
EFM
B[ÙDBS
QBSB
FTUJNBS
TV
JOáVFODJB
TPCSF
VO
BSSPZP
RVF
UFOESÎB
BCVOEBOUFT
NJDSPPSHBOJTNPT
B
MPT
RVF
MFT
FODBOUBSÎB
QSPCBS
B[ÙDBS
&M
B[ÙDBS
QVSP
QPS
supuesto, no contiene los microorganismos necesarios para la descomposición, así que para realizar la prueba hay que sembrar la muestra. La siembra es un proceso en el que se agregan MPT
NJDSPPSHBOJTNPT
SFTQPOTBCMFT
EF
MB
BCTPSDJÓO
EF
PYÎHFOP
B
MB
CPUFMMB
EF
%#0
DPO
MB
NVFTUSB
B[ÙDBS
B
àO
EF
RVF
PDVSSB
MB
BCTPSDJÓO
EF
PYÎHFOP 4VQPOHB
RVF
FM
BHVB
RVF
ZB
EFTDSJCJNPT
DPO
MB
DVSWB
"
FO
MB
àHVSB

TF
VUJMJ[B
DPNP
BHVB
EF
TJFNCSB
QPSRVF
PCWJBNFOUF
DPOUJFOF
NJDSPPSHBOJTNPT
UJFOF
VOB
%#0
EF
DJODP
EÎBT
EF

NH- 
4J
BIPSB
QPOFNPT

N-
EF
VOB
NVFTUSB
DPO
VOB
%#0
EFTDPOPDJEB
FO
VOB
CPUFMMB
Z
BHSFHBNPT

N-
EF
BHVB
EF
TJFNCSB
MB
CPUFMMB
EF

N-
FTUBSÃ
MMFOB
-B
EJMVDJÓO D, FT
EF

4VQPOJFOEP
RVF
FM
0%
JOJDJBM
EF
MB
NF[DMB
FT
EF

NH-
Z
FM
0%
àOBM
FT
EF

NH-
FM
PYÎHFOP
UPUBM
RVF
TF
VUJMJ[B
FT
EF

NH-
1FSP
QBSUF
EF
FTUF
EFTDFOTP
FO
FM
0%
TF
EFCF
BM
BHVB
EF
TJFNCSB
QPSRVF
UBNCJÊO
UJFOF
VOB
%#0
BTÎ
RVF
TÓMP
VOB
QBSUF
EFM
EFTDFOTP
FO
FM
PYÎHFOP
EJTVFMUP
TF
EFCF
B
MB
EFTDPNQPTJDJÓO
EFM
NBUFSJBM
EFTDPOPDJEP
-B
BCTPSDJÓO
EF
0%
EFCJEP
BM
agua de siembra es DBOsiembra = 5 mg/L

200 mL 300 mL

= 3.3 mg/L

QPSRVF
TÓMP

EF
MB
CPUFMMB
TPO
BHVB
EF
TJFNCSB
-B
BCTPSDJÓO
EFM
PYÎHFOP
SFTUBOUF

m



NH-
UJFOF
RVF
EFCFSTF
B
MB
NVFTUSB
RVF
TF
EJMVZÓ
B
SB[ÓO
EF

P
D

 
4V
%#0
EFCF
TFS
FOUPODFT
EF

¤



NH- 4J
TF
DPNCJOBO
MPT
NÊUPEPT
EF
TJFNCSB
Z
EF
EJMVDJÓO
TF
VTB
MB
TJHVJFOUF
GÓSNVMB
HFOFSBM
QBSB
DBMDVMBS
MB
%#0 DBOt = ( I − F) − I − F (

EPOEF



X ) D Y



%#0t

EFNBOEB
CJPRVÎNJDB
EF
PYÎHFOP
NFEJEB
FO
BMHÙO
NPNFOUP
t
NHI

0%
JOJDJBM
EF
MB
CPUFMMB
DPO
MB
NVFTUSB
Z
BHVB
EF
EJMVDJÓO
TFNCSBEB
NHF

0%
àOBM
EF
MB
CPUFMMB
DPO
MB
NVFTUSB
Z
BHVB
EF
EJMVDJÓO
TFNCSBEB
NHI′

0%
JOJDJBM
EF
MB
CPUFMMB
TÓMP
DPO
BHVB
EF
EJMVDJÓO
TFNCSBEB
NHF′ 
0%
àOBM
EF
MB
CPUFMMB
TÓMP
DPO
BHVB
EF
EJMVDJÓO
TFNCSBEB
NHX

BHVB
EF
EJMVDJÓO
TFNCSBEB
FO
MB
CPUFMMB
EF
MB
NVFTUSB
NY

WPMVNFO
EF
MB
CPUFMMB
EF
%#0
ND

EJMVDJÓO
EF
MB
NVFTUSB

238 EJEMPLO 9.7

Capítulo 9 Calidad del agua

Problema $BMDVMF
MB
%#05 si la temperatura de la muestra y el agua de dilución sembrada es EF

$
MBT
MFDUVSBT
EF
0%
JOJDJBMFT
TPO
EF
TBUVSBDJÓO
Z
MB
EJMVDJÓO
EF
MB
NVFTUSB
FT
B
SB[ÓO
EF

DPO
BHVB
EF
EJMVDJÓO
TFNCSBEB
&M
0%
àOBM
EFM
BHVB
EF
EJMVDJÓO
TFNCSBEB
FT

NH-
Z
FM
0%
àOBM
EF
MB
NVFTUSB
Z
FM
BHVB
EF
EJMVDJÓO
TFNCSBEB
FT
EF

NH-
3FDVFSEF
RVF
FM
WPMVNFO
EF
VOB
CPUFMMB
EF
%#0
FT
EF

N- Solución
"
QBSUJS
EF
MB
UBCMB

DPO

$
MB
TBUVSBDJÓO
FT
EF

NH-
QPS
UBOUP
ÊTUB
FT
FM
0%
JOJDJBM
EF
MB
NVFTUSB
EJMVJEB
Z
FM
BHVB
EF
EJMVDJÓO
TFNCSBEB
I e I′). Con ayuda de la FDVBDJÓO
C D=

30 30 mL = 1 VM

por tanto VM


N-
Z
X


N-
m

N-


N-B
%#0
TF
DBMDVMB
FOUPODFT
QPS
NFEJP
EF
MB
FDVBDJÓO
 DBO5 = (9.07 mg/L − 2 mg/L) − (9.07 mg/L − 8 mg/L)

290 mL 300 mL

30 = 181 mg/L

3FDVFSEF
RVF
MB
%#0
FT
VO
JOEJDBEPS
EFM
DPOTVNP
EF
PYÎHFOP
P
EFM
DPOTVNP
QPUFODJBM
6O
WFSUJEP
DPO
VOB
%#0
FMFWBEB
QVFEF
TFS
QFSKVEJDJBM
QBSB
VO
BSSPZP
TJ
FM
DPOTVNP
EF
PYÎHFOP
FT
TVàDJFOUFNFOUF
HSBOEF
QBSB
PDBTJPOBS
BM
àOBM
DPOEJDJPOFT
BOBFSÓCJDBT
QPS
FKFNQMP
DVBOEP
MB
DVSWB
EF
SFEVDDJÓO
EFM
0%
TF
BQSPYJNB
B
VO
OJWFM
EF
DFSP
FO
FM
BSSPZP 
&T
PCWJP
RVF
un pequeño hilo de agua residual que desemboque en un río grande quizá no tenga un efecto JNQPSUBOUF
BM
NBSHFO
EF
MPT
NH-
EF
MB
%#0
SFMBDJPOBEB
&O
GPSNB
TJNJMBS
VO
áVKP
HSBOEF
FO
VO
BSSPZP
QFRVFÒP
QVFEF
BGFDUBSMP
HSBWFNFOUF
BVO
DVBOEP
MB
%#0
TFB
CBKB
&O
DPOTFDVFODJB
MPT
JOHFOJFSPT
FTUBEPVOJEFOTFT
IBCMBO
EF
iMJCSBT
EF
%#0u
VO
WBMPS
RVF
TF
DBMDVMB
NVMUJQMJDBOEP
MB
DPODFOUSBDJÓO
QPS
FM
HBTUP
EF
áVKP
DPO
VO
GBDUPS
EF
DPOWFSTJÓO MC
%#0EÎB


¤

¤
0CTFSWF
RVF
FTUB
FT
MB
NJTNB
DPOWFSTJÓO
RVF
TF
QSFTFOUÓ
FO
FM
DBQÎUVMP

QBSB
MB
DPOWFSTJÓO
EF
áVKPT
EF
WPMVNFO
FO
áVKPT
EF
NBTB
m

m
 Los sólidos en el sistema de lodos activados provienen de los sólidos no captados en el clarificador primario, o (1 – k)X

 
MCEÎB
-PT
TÓMJEPT
RVF
TBMFO
EFM
TJTUFNB
TPO
EF
EPT
especies, los sólidos del efluente y el lodo activado de desecho. Los sólidos del efluente son X e = (20 mg/L)( 6 mgd) 8.34

lb mil gal-mg/L

= 1,001 lb/día

El lodo activado de desecho se desconoce. &M
TFEJNFOUP
CJPMÓHJDP
TF
QSPEVDF
B
NFEJEB
RVF
TF
DPOTVNF
MB
%#0
-B
DBOUJEBE
EF
%#0
RVF
FOUSB
FO
FM
TJTUFNB
EF
MPEPT
BDUJWBEPT
FT h S0 = (0.7)( 200 mg/L)( 6 mgd) 8.34

lb mil gal-mg/L

= 7,006 lb/día

&M
TJTUFNB
EF
MPEPT
BDUJWBEPT
UJFOF
VOB
FGFDUJWJEBE
EF

FO
MB
FMJNJOBDJÓO
EF
MB
%#0
P
1 – i


EF
NPEP
RVF
MB
DBOUJEBE
EF
%#0
EFTUSVJEB
EFOUSP
EFM
TJTUFNB
FT

m
i) × hS =  
MCE
4F
TVQPOF
RVF
FM
SFOEJNJFOUP
FT
EF

MC
EF
TÓMJEPT
QSPEVDJEPT
QPS
MJCSB
EF
%#0
destruida, de modo que los sólidos biológicos producidos deben ser Y × ((1 – i) × hS


¤
 

 
MCEÎB Al complementar la información conocida con la desconocida en el balance de masa en libras por día genera





< 
¢
k)X>
¢



¢
 

 
¢


 
¢


o Xw

 
MCEÎB o alrededor de 3 toneladas de sólidos secos por día.

4F
BIPSSBSÎB
NVDIP
EJOFSP
Z
TF
FWJUBSÎBO
QSPCMFNBT
TJ
FM
TFEJNFOUP
QVEJFSB
FMJNJOBSTF
TJO
RVF
IVCJFTF
VO
USBUBNJFOUP
BEJDJPOBM
BTÎ
DPNP
TF
FYUSBF
EFM
USFO
EFM
QSPDFTP
QSJODJQBM
Por desgracia, los sedimentos producidos en el tratamiento de aguas residuales poseen tres características que hacen que esa eliminación sencilla resulte poco probable: son desagradables

11.5

Tratamiento y eliminación de sedimentos

365

desde el punto de vista estético, son potencialmente perjudiciales y contienen demasiada agua. Los dos primeros problemas a menudo se resuelven por medio de la estabilización y el tercero requiere la deshidratación del sedimento. En las tres secciones siguientes se abordan los temas de la estabilización, la deshidratación y la eliminación final.

11.5.1

Estabilización del sedimento

El objetivo de la estabilización del sedimento es reducir los problemas asociados con dos de las características perjudiciales mencionadas: su olor y putrescencia, y la presencia de organismos patógenos. Para ello se usan tres medios primarios: r
DBM r
EJHFTUJÓO
BFSÓCJDB r
EJHFTUJÓO
BOBFSÓCJDB La estabilización por cal
TF
MPHSB
BHSFHÃOEPMB
ZB
TFB
DPNP
DBM
IJESBUBEB
$B 0) 2 o como cal WJWB
$B0
BM
TFEJNFOUP
MP
RVF
FMFWB
FM
Q)
B
DBTJ

P
NÃT
&TUP
SFEVDF
FO
GPSNB
TJHOJàDBUJWB
el olor y ayuda en la destrucción de patógenos. La principal desventaja de la estabilización por cal es su temporalidad. Con el tiempo (días), el pH baja y el sedimento una vez más se vuelve putrescente. La digestión aeróbica
FT
TÓMP
VOB
FYUFOTJÓO
MÓHJDB
EFM
TJTUFNB
EF
MPEPT
BDUJWBEPT
&M
lodo activado de desecho se coloca en los tanques de aireación dedicados durante un periodo muy prolongado y se deja que los sólidos concentrados progresen bien en la fase de respiración endógena, en la que el alimento se obtiene únicamente por la destrucción de otros organismos WJBCMFT
àHVSB
 
&TUP
HFOFSB
VOB
SFEVDDJÓO
OFUB
FO
MPT
TÓMJEPT
UPUBMFT
Z
WPMÃUJMFT
4JO
embargo, los sedimentos digeridos en forma aeróbica son más difíciles de deshidratar que los sedimentos anaeróbicos. La digestión anaeróbica es el tercer método que se usa de manera común para la esUBCJMJ[BDJÓO
EF
TFEJNFOUP
&O
MB
àHVSB

TF
JMVTUSB
MB
CJPRVÎNJDB
EF
MB
EFTDPNQPTJDJÓO
BOBFSÓCJDB
EF
MPT
DPNQPOFOUFT
PSHÃOJDPT
0CTFSWF
RVF
ÊTUF
FT
VO
QSPDFTP
QPS
FUBQBT
FO
FM
RVF
B
MB
EJTPMVDJÓO
EF
MPT
DPNQPOFOUFT
PSHÃOJDPT
QPS
FO[JNBT
FYUSBDFMVMBSFT
TJHVF
MB
QSPEVDDJÓO
de ácidos orgánicos por parte de un grupo grande y abundante de microorganismos anaeróbiOrgánicos insolubles Enzimas extracelulares Orgánicos solubles Bacterias que producen ácido

Células bacterianas

Ácidos volátiles CO2 + H2

Otros productos

Bacterias que producen metano CH4 + CO2 Células bacterianas

Figura 11.27 Dinámica del proceso de digestión anaeróbica de sedimento.

Capítulo 11 Tratamiento de aguas residuales cos conocidos, suficientes, como formadores de ácidos. Los ácidos orgánicos son degradados posteriormente, a su vez, por un grupo de anaerobios obligados llamados formadores de metano
DBQÎUVMP
 
&TUPT
NJDSPPSHBOJTNPT
TPO
MPT
QFSTPOBKFT
QSJODJQBMFT
EFM
USBUBNJFOUP
EF
MBT
BHVBT
SFTJEVBMFT
ZB
RVF
TF
BMUFSBO
BM
NFOPS
DBNCJP
FO
TV
BNCJFOUF
&M
ÊYJUP
EFM
USBUBNJFOUP
anaeróbico se reduce a la creación de una condición adecuada para los formadores de metano. %FCJEP
B
RVF
TPO
BOBFSPCJPT
PCMJHBEPT
TPO
JODBQBDFT
EF
GVODJPOBS
FO
QSFTFODJB
EF
PYÎHFOP
Z
TPO
NVZ
TFOTJCMFT
B
MBT
DPOEJDJPOFT
BNCJFOUBMFT
DPNP
MB
UFNQFSBUVSB
FM
Q)
Z
MBT
UPYJOBT
Cuando un digestor se agria, se debe a que de algún modo se han inhibido los formadores de NFUBOP
4JO
FNCBSHP
MPT
GPSNBEPSFT
EF
ÃDJEP
TJHVFO
BWBO[BOEP
FMBCPSBOEP
NÃT
ÃDJEPT
PSgánicos. Esto tiene como efecto que además disminuye el pH y las condiciones empeoran aun más para los formadores de metano. Por tanto, resulta difícil curar a un digestor enfermo sin que se requieran dosis masivas de cal u otros antiácidos. A menudo la razón de estos problemas es la dificultad para mezclar el sedimento en el EJHFTUPS
/P
TF
IBO
DSFBEP
CVFOBT
UÊDOJDBT
EF
NF[DMBEP
QBSB
MPT
EJHFTUPSFT
RVF
OPSNBMNFOUF
se emplean en las plantas de tratamiento de aguas residuales. La mayoría de estas plantas DVFOUBO
DPO
EPT
UJQPT
EF
EJHFTUPSFT
BOBFSÓCJDPT
QSJNBSJPT
Z
TFDVOEBSJPT
àHVSB
 
&M
digestor primario se cubre, calienta y mezcla para aumentar la tasa de reacción. La temperatura

© Cortesía de EPA

366

Mezclador

Cubierta flotante Gas Capa de suciedad

Sedimento en bruto

Supernadante Sedimento espesado Calor

Supernadante hacia cabeza de planta de tratamiento

Sedimento digerido

Figura 11.28 Digestión anaeróbica en dos etapas: digestores anaeróbicos primario y secundario.

11.5

367

Tratamiento y eliminación de sedimentos

© Cortesía de P. Aarne Vesilind

EFM
TFEJNFOUP
FO
HFOFSBM
FT
EF
VOPT

$

' 
-PT
EJHFTUPSFT
TFDVOEBSJPT
OP
TF
NF[DMBO
o calientan y se emplean para almacenar gas y concentrar el sedimento por asentamiento. A medida que los sólidos se asientan, el líquido sobrenadante se bombea de vuelta a la planta principal para un tratamiento adicional. La cubierta del digestor secundario a menudo flota en sentido ascendente y descendente dependiendo de la cantidad de gas almacenado. El gas es lo suficientemente alto en metano para usarse como combustible y por lo general se aprovecha, de hecho, para calentar el digestor primario. En Europa, los digestores en forma ovalada (figura 11.29) han encontrado una buena recepción principalmente por la facilidad para mezclar. El gas digestor se bombea hacia el fondo y se establece un esquema de circulación eficaz. Los digestores anaeróbicos deben lograr una reducción sustancial de los patógenos porque se hacen circular a temperaturas elevadas, pero el proceso no es perfecto y sobreviven muchos organismos patógenos. Por tanto, un digestor anaeróbico no puede considerarse un método de esterilización.

Gas Ventilador

Figura 11.29 Digestores anaeróbicos en forma ovalada.

Capítulo 11 Tratamiento de aguas residuales

11.5.2

Deshidratación de sedimento

En la mayoría de las plantas de aguas residuales la deshidratación es el método final para la reducción de volumen de los sedimentos antes de su eliminación final. En la actualidad se usan generalmente tres técnicas de deshidratación: los lechos de arena, los filtros de banda y las centrifugadoras. A continuación, analizaremos cada una. Los lechos de arena se han usado durante muchos años y aún son los medios más rentaCMFT
EF
EFTIJESBUBDJÓO
DVBOEP
TF
EJTQPOF
EF
UJFSSB
Z
MPT
DPTUPT
EF
NBOP
EF
PCSB
OP
TPO
FYPSCJUBOUFT
$PNP
TF
BQSFDJB
FO
MB
àHVSB

MPT
MFDIPT
EF
BSFOB
DPOTJTUFO
FO
UVCFSÎBT
EF
EFTBHÛF
BMJDBUBEBT
TPCSF
HSBWB
DVCJFSUB
QPS
VOPT

NFUSPT

QVMH
EF
BSFOB
&M
TFEJNFOUP
RVF
EFCF
EFTIJESBUBSTF
TF
WJFSUF
TPCSF
MPT
MFDIPT
BQSPYJNBEBNFOUF
B

DFOUÎNFUSPT

QVMHBEBT
EF
QSPGVOEJEBE
4F
DPNCJOBO
EPT
NFDBOJTNPT
QBSB
TFQBSBS
FM
BHVB
EF
MPT
TÓMJEPT
àMUSBDJÓO
Z
FWBQPSBDJÓO
-B
àMUSBDJÓO
FO
MB
BSFOB
Z
QPS
NFEJP
EF
MBT
UVCFSÎBT
EF
EFTBHÛF
BMJDBUBEBT
BVORVF
FT
JNQPSUBOUF
FO
DVBOUP
BM
WPMVNFO
UPUBM
EF
BHVB
FYUSBÎEB
EVSB
TÓMP
BMHVOPT
EÎBT
"
NFEJEB
que cesa el drenaje en la arena, entra en juego la evaporación y este proceso es responsable en realidad de la conversión de sedimento líquido a sólido. En algunas zonas del norte, los lechos

© Cortesía de P. Aarne Vesilind

368

Sedimento húmedo

Sedimento seco

Arena

Arena

Grava

Grava

Tuberías de desagüe

Figura 11.30 Lecho de arena secante para la deshidratación de sedimento.

11.5

Tratamiento y eliminación de sedimentos

369

© Cortesía de P. Aarne Vesilind

de arena se encierran bajo invernaderos para fomentar la evaporación lo mismo que para prevenir que la lluvia caiga en los lechos. &O
FM
DBTP
EFM
TFEJNFOUP
EJHFSJEP
FO
GPSNB
NJYUB
FM
EJTFÒP
OPSNBM
QFSNJUF
VO
QFSJPEP
de secado de tres meses. Algunos ingenieros proponen que este lapso se amplíe para dejar que el lecho de arena repose durante un mes después de que se ha eliminado el sedimento, lo cual parece ser un medio eficaz para aumentar la eficiencia de drenaje una vez que los lechos de arena se inundan de nuevo. El sedimento primario bruto no se drenará correctamente sobre lechos de arena y en general tendrá un olor desagradable. Por tanto, pocas veces se seca sobre tales lechos. Los sedimentos secundarios brutos normalmente se filtran por la arena o saturan los poros con tanta rapidez que no ocurre un drenaje eficaz. El sedimento digerido de manera aeróbica puede secarse sobre la arena, pero en general con dificultad. 4J
MB
EFTIJESBUBDJÓO
DPO
MFDIPT
EF
BSFOB
TF
DPOTJEFSB
QPDP
QSÃDUJDB
FT
QSFDJTP
FNQMFBS
UÊDOJDBT
EF
EFTIJESBUBDJÓO
NFDÃOJDBT
6O
NÊUPEP
EF
EFTIJESBUBDJÓO
NFDÃOJDP
FT
FM
filtro de banda, que funciona como un filtro de presión y gravedad (figura 11.31). A medida que el sedimento se introduce en la banda en movimiento, el agua libre que rodea las partículas sólidas del sedimento escurre a través de la banda. Los sólidos se mantienen en la superficie de la banda; luego, ésta se desplaza hacia la zona de deshidratación donde dos bandas oprimen el sedimento, lo que fuerza el filtrado de los sólidos. Entonces, cuando las bandas se separan los sólidos deshidratados, denominados pastel, se descargan.

Lavado

Sedimento polímero Pastel Deshidratación Drenaje Lavado

Figura 11.31 Filtro de banda que se utiliza para la deshidratación de sedimento.

Capítulo 11 Tratamiento de aguas residuales 0USP
NÊUPEP
NFDÃOJDP
EF
EFTIJESBUBDJÓO
EF
VTP
NVZ
HFOFSBMJ[BEP
FT
MB
centrifugadora. La que más se usa es el decantador de tazón sólido, que consiste en un cuerpo en forma de bala que gira en torno a un largo eje. Cuando el sedimento se coloca en el cuenco, los sólidos TF
BTJFOUBO
CBKP
VOB
GVFS[B
DFOUSÎGVHB
RVF
FRVJWBMF
B
FOUSF

Z
 
WFDFT
MB
GVFS[B
EF
HSBvedad. Luego se desechan del cuenco por medio de un transportador helicoidal (figura 11.32). Los sólidos que salen de una centrifugadora se conocen como pastel, igual que en la filtración, pero el líquido decantado se conoce como resultante. El objetivo del proceso de deshidratación es doble: producir un pastel o torta de sólidos con una elevada concentración de éstos y asegurarse de que todos los sólidos, y sólo éstos, terminen en el pastel. Por desgracia, la centrifugadora no es un dispositivo ideal y algunos sólidos aún quedan en el resultante y parte del líquido en el pastel. El desempeño de las centrifugadoras se mide al obtener muestras de la alimentación, el resultante y el pastel que salen de una máquina en operación. La maquinaria es tal que es muy difícil medir la velocidad de flujo del resultante y el pastel, y sólo es posible obtener muestras de las concentraciones de sólidos en el caso de estos flujos. Cuando es preciso calcular la recuperación de sólidos y los sólidos del pastel (la pureza), es necesario recurrir a los balances de masas.

© Cortesía de P. Aarne Vesilind

370

Sedimento entrante

Resultante

Pastel

Figura 11.32 Centrifugadora decantadora de cuenco sólido que se utiliza para la deshidratación de sedimento.

11.5

Tratamiento y eliminación de sedimentos

371

La centrifugadora es una caja negra de dos materiales, como se presentó en el capítulo 3. 4J
TF
TVQPOF
VOB
PQFSBDJÓO
EF
FTUBEP
FTUBCMF
Z
TF
SFDPOPDF
RVF
OP
TF
QSPEVDFO
P
DPOTVNFO
líquidos o sólidos en la centrifugadora, la ecuación del balance de masa es

El balance de volumen en términos del sedimento que fluye para entrar y salir es Q = Qk

Qc y el balance de masa en términos los sólidos del sedimento es QC = QkCk

QcCc donde

Q = flujo de sedimento como alimentación, volumen/unidad de tiempo Qk = flujo de sedimento como pastel, volumen/unidad de tiempo Qc = flujo de sedimento como resultante, volumen/unidad de tiempo

Z
MPT
TVCÎOEJDFT

k y c se refieren a las concentraciones de sólidos de alimentación, pastel y resultante, respectivamente. La recuperación de los sólidos, como ya se definió, es Recuperación de sólidos = =

masa de sólidos secos como pastel masa de sólidos de alimentación

× 100

Ck Q k × 100 C0 Q 0

Al despejar el primer balance de materia para Qc y sustituir en el segundo balance de materia resulta Qk =

Q 0 (C0 − Cc ) Ck − Cc

"M
TVTUJUVJS
FTUB
FYQSFTJÓO
FO
MB
FDVBDJÓO
EF
MB
SFDVQFSBDJÓO
EF
MPT
TÓMJEPT
TF
PCUJFOF Recuperación de sólidos =

Ck (C0 − Cc ) × 100 C0 (Ck − Cc )

&TUB
FYQSFTJÓO
QFSNJUF
FM
DÃMDVMP
EF
MB
SFDVQFSBDJÓO
EF
MPT
TÓMJEPT
VUJMJ[BOEP
TÓMP
MPT
UÊSNJOPT
de la concentración.

EJEMPLO 11.10

Problema 6OB
DFOUSJGVHBEPSB
EF
TFEJNFOUP
EF
BHVBT
SFTJEVBMFT
PQFSB
DPO
VOB
BMJNFOUBDJÓO
EF

HQN
Z
VOB
DPODFOUSBDJÓO
EF
TÓMJEPT
FO
MB
BMJNFOUBDJÓO
EF

-B
DPODFOUSBDJÓO
EF
TÓMJEPT
FO
FM
QBTUFM
FT
EF

Z
MB
DPODFOUSBDJÓO
EF
TÓMJEPT
SFTVMUBOUF
FT
EF

NH-
y$VÃM
FT
MB
SFDVQFSBDJÓO
EF
MPT
TÓMJEPT Solución Las concentraciones de sólidos primero tienen que convertirse a unidades similares. Recuerde que si la densidad de los sólidos es casi uno (una buena premisa en el caso de los TÓMJEPT
EF
MBT
BHVBT
SFTJEVBMFT



EF
MPT
TÓMJEPT

 
NH-

Capítulo 11 Tratamiento de aguas residuales Concentración de sólidos (mg/L)

4ÓMJEPT
EF
MB
BMJNFOUBDJÓO
4ÓMJEPT
EFM
QBTUFM
4ÓMJEPT
EFM
SFTVMUBOUF


    

Recuperación de sólidos =

220, 000(12, 000 − 500) × 100 = 96% 12, 000(220, 000 − 500)

La centrifugadora es un dispositivo de separación de sólidos interesante porque puede funcionar casi con cualquier tipo de pastel y recuperación de sólidos, dependiendo de la condición del sedimento y la velocidad de flujo. En el caso de cualquier sedimento, una centrifugadora tendrá una curva de operación como la que se muestra en la figura 11.33. A medida que la velocidad de flujo aumenta, la recuperación de sólidos comienza a deteriorarse porque el periodo de residencia en la máquina es más breve, pero al mismo tiempo los sólidos del pastel mejoran porque la máquina discrimina entre los sólidos y arroja sólo los que son fáciles de eliminar, lo cual produce una concentración elevada de sólidos en el pastel. Con flujos de alimentación más bajos, los periodos de residencia elevados permiten el asentamiento y la eliminación de sólidos completos, pero el pastel se humedece debido a que también se eliminan todas las partículas suaves y pequeñas que portan mucha agua. Este problema evidentemente es difícil. Parece que uno sólo puede desplazarse hacia arriba o hacia abajo de la curva de operación, intercambiando la recuperación de sólidos por MPT
TÓMJEPT
FO
FM
QBTUFM
4JO
FNCBSHP
IBZ
EPT
GPSNBT
EF
EFTQMB[BS
UPEB
MB
DVSWB
IBDJB
MB
EFSFcha, es decir, obtener una mejor curva de operación de modo que mejoren tanto la recuperación de sólidos como los sólidos en el pastel. El primer método consiste en aumentar la fuerza centrífuga impuesta a los sólidos. -B
DSFBDJÓO
EF
MB
GVFS[B
DFOUSÎGVHB
TF
FYQMJDB
NFKPS
TJ
SFDPSEBNPT
QSJNFSP
MB
MFZ
EF
/FXUPO F = ma donde

F

GVFS[B
/ m

NBTB
LH 2 a = aceleración, m/s 100 % de recuperación de sólidos

372

Condicionamiento de sedimento o velocidades rotativas más elevadas Concentración de sólidos en el pastel

Figura 11.33 Curva de operación de una centrifugadora.

11.5

Tratamiento y eliminación de sedimentos

373

4J
MB
BDFMFSBDJÓO
TF
EFCF
B
MB
HSBWFEBE F = mg donde

2 g = aceleración debida a la gravedad, m/s .

Cuando se hace girar una masa, se requiere una fuerza hacia el centro de la rotación para que no vuele en el espacio. Esta fuerza se calcula como Fc = m(w2r) donde Fc

GVFS[B
DFOUSÎGVHB
/ m

NBTB
LH w = velocidad rotativa, rad/s r = radio de rotación 2 El término w r se denomina aceleración centrífuga y tiene unidades de metros por segundo al cuadrado (m/s2).La cantidad de gravedades, G, producidas por una centrifugadora es

G=

donde

w2r g

w = velocidad rotativa, radianes/s (recuerde que cada revolución es igual a 2π radianes) r = radio interno del cuenco de la centrifugadora

Aumentar la velocidad del cuenco incrementa, por tanto, la fuerza centrífuga y desplaza la cura de operación hacia la derecha. El segundo método para mejorar simultáneamente los sólidos en el pastel y la recuperación de sólidos consiste en condicionar el sedimento con sustancias químicas antes de la deshidratación. Esto en general se realiza por medio de macromoléculas orgánicas llamadas polielectrolitos. Estas grandes moléculas, con pesos moleculares de varios millones, han cargado los sitios en los que parecen unir las partículas del sedimento y tienden un puente con las NÃT
QFRVFÒBT
EF
NPEP
RVF
TF
GPSNBO
HSBOEFT
áÓDVMPT
­TUPT
TPO
DBQBDFT
EF
FYQVMTBS
BHVB
y compactarse en sólidos pequeños, lo que genera un resultante más limpio y un pastel más compacto. Esto, en efecto, desplaza la curva de operación hacia la derecha.

11.5.3

Eliminación final

Las opciones para la eliminación final del sedimento se limitan al aire, el agua y la tierra. Los controles estrictos sobre la contaminación del aire por lo general hacen que la incineración resulte costosa, aunque ésta puede ser la única opción para algunas comunidades. La eliminación de sedimento en aguas profundas (como los mares) está prohibida debido a los efectos perjudiciales para la ecología acuática. La eliminación en la tierra puede lograrse al descargar el sedimento en un relleno sanitario o esparciéndolo sobre la tierra y dejando que la biodegradación natural lo asimile de vuelta en el ambiente. Por último, es posible regalarlo o, mejor aún, venderlo como valioso fertilizante y abono para el suelo. )BCMBOEP
FO
UÊSNJOPT
FYBDUPT
MB
JODJOFSBDJÓO
no es un método de eliminación, sino un paso en el tratamiento del sedimento en el cual los componentes orgánicos se convierten en H20
$02
Z
NVDIPT
PUSPT
DPNQVFTUPT
QBSDJBMNFOUF
PYJEBEPT
Z
MPT
DPNQPOFOUFT
JOPSHÃOJDPT
se eliminan como residuo no putrescente. Hay dos tipos de incineradores para los que se ha encontrado un uso en el tratamiento de sedimentos: el de solera múltiple y el de lecho fluidizado. El incinerador de solera múltiple, como indica su nombre, tiene varios niveles distribuidos de modo vertical, con varios brazos que empujan al sedimento progresivamente hacia abajo por las capas más calientes y, al final, hacia el pozo de cenizas (figura 11.34). El incinerador de

Capítulo 11 Tratamiento de aguas residuales

© Cortesía de P. Aarne Vesilind

374

Descarga de aire frío Amortiguador flotante Entrada de sedimento

Gases de combustión salientes Brazos múltiples en cada piso Zona de secado Retorno de aire de combustión

Zona de combustión

Zona de enfriamiento Impulsión de brazos múltiples Descarga de cenizas

Ventilador de enfriamiento

Figura 11.34 Incinerador de solera múltiple.

11.6

Selección de estrategias de tratamiento

375

lecho fluidizado tiene un caldero hirviente con arena caliente hacia el que se bombea el sedimento. La arena proporciona la mezcla y actúa como un volante térmico para la estabilidad del proceso. El segundo método de eliminación, dispersión terrestre, depende de la capacidad de la tierra para absorber el sedimento y asimilarlo en la matriz del suelo. Esta capacidad de asimilación depende de variables como el tipo de suelo, la vegetación, la lluvia, la pendiente y la composición del sedimento (sobre todo, la cantidad de nitrógeno, fósforo y metales QFTBEPT 
&O
HFOFSBM
MPT
TVFMPT
BSFOPTPT
DPO
WFHFUBDJÓO
FYVCFSBOUF
QPDB
MMVWJB
Z
QFOEJFOUFT
TVBWFT
IBO
EFNPTUSBEP
TFS
MPT
NFKPSFT
-PT
TFEJNFOUPT
EJHFSJEPT
NJYUPT
TF
EJTQFSTBO
DPO
camiones cisterna y los lodos activados se rocían con boquillas fijas y en movimiento. La tasa EF
BQMJDBDJÓO
FT
WBSJBCMF
QFSP

UPOFMBEBT
TFDBT
QPS
BDSF
BM
BÒP
OP
FT
VOB
FTUJNBDJÓO
QPDP
SB[POBCMF
-PT
TJTUFNBT
EF
BQMJDBDJÓO
UFSSFTUSF
NFOPT
FYJUPTPT
TF
BUSJCVZFO
B
VOB
TPCSFDBSHB
EFM
TVFMP
$PO
FM
UJFNQP
TVàDJFOUF
Z
TJO
NBUFSJBMFT
UÓYJDPT


MB
NBZPS
QBSUF
EF
MPT
TÓMJEPT
asimilarán el sedimento líquido rociado. 4JO
FNCBSHP
USBOTQPSUBS
FM
TFEJNFOUP
MÎRVJEP
B
NFOVEP
FT
DPTUPTP
Z
TF
OFDFTJUB
VOB
reducción en su volumen por deshidratación. Entonces el sedimento sólido se deposita en la tierra y se trabaja en el suelo o se coloca en zanjas y se cubre; al parecer se asimila con rapidez, TJO
àMUSBDJÓO
FYDFTJWB
EF
OJUSBUPT
P
UPYJOBT -B
UPYJDJEBE
EFM
TFEJNFOUP
QVFEF
JOUFSQSFUBSTF
EF
WBSJBT
GPSNBT
QBSB
MB
WFHFUBDJÓO
QBSB
los animales que consumen la vegetación (incluidas las personas) y para la contaminación B
MBT
BHVBT
TVCUFSSÃOFBT
-B
NBZPS
QBSUF
EF
MPT
TFEJNFOUPT
EPNÊTUJDPT
OP
DPOUJFOFO
UPYJOBT
TVàDJFOUFT
DPNP
NFUBMFT
QFTBEPT
QBSB
PDBTJPOBS
VO
EBÒP
B
MB
WFHFUBDJÓO
4JO
FNCBSHP
MB
DBSHB
DPSQPSBM
UPUBM
EF
UPYJOBT
BNFSJUB
DJFSUB
QSFPDVQBDJÓO
Z
IB
HFOFSBEP
SFHVMBDJPOFT
MB
QBSUF
EF
MB
3FHMB

RVF
MJNJUBO
MPT
UJQPT
EF
TFEJNFOUPT
RVF
QVFEFO
BQMJDBSTF
B
MB
UJFSSB
DBQÎUVMP
 
-PT
NFEJPT
NÃT
FàDBDFT
QBSB
DPOUSPMBS
FTB
UPYJDJEBE
BM
QBSFDFS
DPOTJTUFO
FO
JNQFEJS
en primer lugar, que estos materiales ingresen en el sistema de alcantarillado, y para ello es preciso reducir la contribución de los residuos industriales. Por tanto, se necesitan ordenanzas estrictas en cuanto a su cumplimiento y que sean rentables.

11.6 SELECCIÓN DE ESTRATEGIAS DE TRATAMIENTO y2VJÊO
EFCF
FMFHJS
DVÃM
FTUSBUFHJB
EF
USBUBNJFOUP
TF
VTBSÃ
QBSB
EFUFSNJOBEBT
BHVBT
SFTJEVBMFT
Z
DPOEJDJPOFT
BDVÃUJDBT
-B
SFTQVFTUB
TFODJMMB
QFSP
FRVJWPDBEB
FT
RVJFOFT
UPNBO
MBT
EFcisiones, esos burócratas anónimos y ambiguos que deciden cómo gastar nuestro dinero. De hecho, las decisiones respecto a qué estrategia de tratamiento adoptar las toman los ingenieros que definen lo que debe lograrse y luego proponen el tratamiento para alcanzar ese objetivo. &TUF
QSPDFTP
OP
FT
NVZ
EJTUJOUP
B
MB
GPSNB
FO
RVF
USBCBKBO
MPT
BSRVJUFDUPT
6O
FEJàDJP
TF
comisiona y el arquitecto en primer lugar dedica mucho tiempo a hablar con el cliente tratando de entender lo que éste pretende hacer con el edificio. Pero, luego, diseña el edificio de acuerdo con sus propios gustos e ideas. De modo similar, los ingenieros de diseño establecen cuáles serán los objetivos del tratamiento y, después, diseñan el complejo de modo que éste cumpla con esos objetivos. En esta función, los ingenieros tienen una libertad (y por tanto, una responsabilidad) considerable. La sociedad les pide que diseñen algo que no sólo funcione, sino que lo haga con el menor costo posible, que no resulte una molestia para sus vecinos y que también se vea bien. En esta labor, se convierten en depositarios de la confianza pública. En virtud de esta responsabilidad pública y ambiental, la ingeniería es una profesión, y como tal cabe esperar que todos los ingenieros se rijan por normas profesionales elevadas.

376

Capítulo 11 Tratamiento de aguas residuales Históricamente, y sobre todo en ultramar, la ingeniería ha sido una profesión honrada y muy SFTQFUBEB
"MFLTBOES
*
4PM[IFOJUTZO
EFTDSJCF
B
MPT
JOHFOJFSPT
SVTPT
EF
TV
UJFNQP
EF
FTUF
NPEP y6O
JOHFOJFSP
:P
DSFDÎ
FOUSF
JOHFOJFSPT
Z
QPESÎB
SFDPSEBSMPT

TV
JOUFMFDUP
BCJFSUP
Z
CSJMMBOUF
su ánimo libre y amable, su agilidad y amplitud de pensamiento, la facilidad con que pasaban de un campo de la ingeniería a otro, y por tal razón, de la tecnología a las preocupaciones sociales y el arte.9

)BZ
NVDIP
RVF
WJWJS
QBSB
FTUBS
B
MB
BMUVSB
yOP
FT
DJFSUP 4J
MPT
JOHFOJFSPT
FO
FGFDUP
TPO
VO
HÊOFSP
FTQFDJBM
yUBNCJÊO
UJFOFO
SFTQPOTBCJMJEBEFT
TPDJBMFT
RVF
SFCBTBO
TVT
GVODJPOFT
DPNP
DJVEBEBOPT
QSJWBEPT
y6O
JOHFOJFSP
FT
TÓMP
VO
SPCPU
que desempeña ciertas labores y después de las cinco de la tarde se convierte en una persona TJO
NÃT
SFTQPOTBCJMJEBEFT
TPDJBMFT
RVF
DVBMRVJFS
PUSB
y0
TV
GPSNBDJÓO
FTQFDJBM
TV
FYQFSJFOcia y condición social en la sociedad es tal que no puede ayudar siendo una persona especial a MB
RVF
MPT
EFNÃT
NJSBSÃO
Z
DVZBT
PQJOJPOFT
TF
SFTQFUBSÃO 4J
TF
USBUB
EF
FTUP
ÙMUJNP
MB
GVODJÓO
EFM
JOHFOJFSP
BNCJFOUBM
BERVJFSF
VOB
USBTDFOEFODJB
especial. Los ingenieros ambientales no sólo son responsables de efectuar un trabajo, también UJFOFO
PUSP
iDMJFOUFu
FM
BNCJFOUF
&YQMJDBS
MPT
DPOáJDUPT
RVF
TVSHFO
DVBOEP
TF
USBCBKB
DPO
preocupaciones ambientales sería una función importante de un ingeniero ambiental, y sus responsabilidades superarían con mucho las de un ciudadano común.

ENFOQUE

Lograr el saneamiento en Bolivia En el mundo desarrollado, la disponibilidad de sanitarios se tiene por segura. Los notamos sólo cuando no están disponibles o funcionan mal. Pero, en gran parte del mundo, los sanitarios apropiados son un lujo y la mayoría de las personas vive sin que haya una manera adecuada de manejar los desechos humanos. Debido a que muchas enfermedades, como el cólera, la tifoidea y la disentería, pueden transmitirse por causa de las condiciones inapropiadas de saneamiento, millones de personas, sobre todo los niños, mueren cada año por falta de instalaciones sanitarias adecuadas. 1PS
FKFNQMP
FO
MB
#PMJWJB
SVSBM
NVDIBT
personas no tienen acceso a mejores servicios de saneamiento. En principio, usted quizá piense que MB
TPMVDJÓO
FT
TÓMP
JS
B
#PMJWJB
F
JOTUBMBS
DBÒFSÎBT
Z
sistemas sanitarios, como los que encontramos en OVFTUSB
TPDJFEBE
/P
FT
UBO
TFODJMMP
"EFNÃT
EF
los aspectos tecnológicos básicos que vienen con la implementación de sistemas sanitarios (como la necesidad de un servicio de agua constante para los sistemas de tuberías), hay muchos otros de la sociedad y culturales que complican la situación. Por ejemplo, muchos bolivianos toman como una

ofensa el hecho de cavar y defecar en la tierra; el planeta se percibe como una entidad receptora, no como un contenedor para los desechos humanos. Y los sanitarios se consideran un artículo de lujo. Dado que muchas personas del campo están contentas con su situación actual, la demanda de mejores condiciones de saneamiento es bastante baja. "EFNÃT
FO
FM
QBOPSBNB
QPMÎUJDP
EF
#PMJWJB
MPT
gobiernos locales deciden cómo asignar los fondos de uso común. Como los sanitarios se consideran un lujo personal, se dispone de pocos fondos para que la gente instale sistemas sanitarios en sus hogares. Estos desafíos no significan que sea impoTJCMF
RVF
#PMJWJB
DPOTUSVZB
JOTUBMBDJPOFT
TBOJUBSJBT
(SVQPT
DPNP
8BUFS
GPS
1FPQMF
Z
MB
6/*$&'
hacen progresos para que la cantidad de personas que carecen de saneamiento se reduzca a la mitad FO
FM
BÒP
11
8BUFS
GPS
1FPQMF
USBCBKB
FYIBVTUJWBNFOUF
FO
#PMJWJB
QBSB
RVF
NFKPSFO
TVT
DPOdiciones sanitarias. La organización ha hecho que haya varias opciones disponibles, entre las que se encuentran mejores letrinas de pozo, una opción basada en el agua y otra en la composta, lo que

Problemas

permite que las comunidades elijan la más adeDVBEB
QBSB
FMMBT
5BNCJÊO
USBCBKBO
EJSFDUBNFOUF
con las comunidades sosteniendo diálogos sobre las nuevas tecnologías que convienen a determinadas zonas y fomentan la idea de que los desechos humanos son un recurso que puede usarse por medio de un saneamiento ecológico. Esta técnica por zonas específicas con la que se trabaja con las per-

377

sonas y se presentan opciones facilitará aún más la mejora de las condiciones de saneamiento para UPEP
FM
QVFCMP
EF
#PMJWJB
Z
PUSBT
QBSUFT
%FCFNPT
recordar que el entendimiento de las diferentes visiones el mundo es tan importante, si no es que más, como el de los aspectos técnicos que hay en torno a los servicios sanitarios. Construir algo no significa que se usará.

En ocasiones, los ingenieros se colocan en posiciones que parecerían contrarias al amCJFOUF
6O
DBTP
DMÃTJDP
FTUBSÎB
SFQSFTFOUBEP
QPS
MPT
RVF
QBSUJDJQBO
FO
MB
DPOTUSVDDJÓO
EF
VOB
planta de tratamiento secundario a gran escala para una ciudad costera grande donde la descarga ocurre en las aguas profundas de la bahía. Aunque la eficiencia del tratamiento que proporciona un complejo primario sea bastante adecuada para cumplir con todas las preocupaciones ambientales sobre la salud pública y la calidad del agua, la situación política quizá requiera el gasto de los fondos públicos para la construcción de instalaciones de tratamiento secundario. Estos miles de millones (sí, miles de millones) de dólares podrían gastarse de modo adecuado TJO
RVF
IVCJFSB
VO
FGFDUP
QFSKVEJDJBM
FO
FM
BNCJFOUF
BDVÃUJDP
4JO
FNCBSHP
MB
OVFWB
QMBOUB
secundaria es una necesidad política. ¿El ingeniero debería de hacerse oír en favor de un menor DPOUSPM
BNCJFOUBM

PROBLEMAS

4F
JOGPSNBSPO
MPT
EBUPT
TJHVJFOUFT
TPCSF
MB
operación de una planta de tratamiento de aguas residuales: Componente







%#0

44

1


Caudal de Efluente entrada (mg/L) (mg/L)






  

a)

y2VÊ
FMJNJOBDJÓO
QPSDFOUVBM
TF
FYQFSJNFOUÓ
FO
DBEB
VOP
EF
FTUPT
DPNQPOFOUFT b)

y2VÊ
UJQP
EF
QMBOUB
EF
USBUBNJFOUP
QSPEVDJSÎB
VO
FáVFOUF
BTÎ
5SBDF
VO
EJBHSBNB
de bloques que muestre una configuración de los pasos de tratamiento que resultarían en ese desempeño. 11.2 Describa la condición de un clarificador primario un día después de que las bombas de los TFEJNFOUPT
FO
CSVUP
TF
EFTDPNQVTJFSPO
y2VÊ
QJFOTB
RVF
TVDFEFSÎB


6O
QSPCMFNB
PQFSBUJWP
DPO
MPT
àMUSPT
QFSDPMBdores es el estancamiento
FM
DSFDJNJFOUP
FYDF-

sivo de cieno en las piedras y el atascamiento posterior de los espacios de modo que el agua deja de fluir a través del filtro. Proponga algunas soluciones para este problema.


6OP
EF
MPT
QSPCMFNBT
DPO
MBT
BMDBOUBSJMMBT
TBOJUBSJBT
TPO
MBT
DPOFYJPOFT
JMFHBMFT
EF
MPT
ESFOBKFT
EF
MPT
UFDIPT
4VQPOHB
RVF
VOB
GBNJMJB
compuesta por cuatro integrantes, que viven FO
VOB
DBTB
DPO
VO
ÃSFB
EF
UFDIP
EF

¤

pies, conecta el drenaje del techo al sistema de BMDBOUBSJMMBEP
TBOJUBSJP
4VQPOHB
RVF
DBF
VOB
pulgada de lluvia en 1 día. a)

y2VÊ
BVNFOUP
QPSDFOUVBM
IBCSÃ
FO
FM
áVjo desde su casa sobre el flujo de clima TFDP
RVF
TF
TVQPOF
FT
EF

HBM
QFS
DÃQJUB
BM
EÎB

b)

y2VÊ
IBZ
EF
NBMP
FO
DPOFDUBS
MPT
ESFOBjes del techo al sistema de alcantarillado TBOJUBSJP
y$ÓNP
FYQMJDBSÎB
FTUP
B
BMguien a quien se acaba de multar por haDFS
FTUF
UJQP
EF
DPOFYJPOFT
JMFHBMFT
/P
TÓMP
EJHB
i&T
MB
MFZu
&YQMJRVF
por qué

378

Capítulo 11 Tratamiento de aguas residuales FYJTUF
FTB
MFZ
3FDVSSB
B
VO
SB[POBNJFOto ético para dar forma a su argumento.




y2VÊ
PQFSBDJPOFT
EF
VOJEBE
TFDVOEBSJB
Z
TJ
es necesario, terciaria se requieren para tratar los residuos siguientes y conseguir niveles en FM
FáVFOUF
EF
%#0


NH-
44


NH-
P = 1 mg/L. Residuo

DBO5 SS P (mg/L) (mg/L) (mg/L)

a)
%PNÊTUJDP

b)
*OEVTUSJB
RVÎNJDB
 
c)
1FQJOJMMPT
FO

conserva d)
'BC
EF
GFSUJMJ[BOUF








  









&M
ÊYJUP
EF
VO
TJTUFNB
EF
MPEPT
BDUJWBEPT
EFQFOEF
del asentamiento de los sólidos en el tanque EF
TFEJNFOUBDJÓO
àOBM
4VQPOHB
RVF
FM
TFEJmento en un sistema empieza a ocupar mucho espacio (no se asienta muy bien) y la concentración de sólidos suspendidos del lodo activado EF
SFUPSOP
EJTNJOVZF
EF
 
NH-
B
 
NH-
/P
SFTQPOEB
DVBOUJUBUJWBNFOUF

a)

y2VÊ
IBSÃ
FTUP
B
MPT
TÓMJEPT
TVTQFOEJEPT
FO
MJDPS
NF[DMBEP b)

y2VÊ
IBSÃ
FTUP
B
TV
WF[
B
MB
FMJNJOBDJÓO
EF
%#0
y1PS
RVÊ


-PT
44-.
FO
VO
UBORVF
EF
BJSFBDJÓO
TPO
EF
 
NH-
&M
áVKP
EFM
UBORVF
EF
TFEJNFOUBDJÓO
QSJNBSJP
FT
EF

N3T
DPO

NH-
EF
44
Z
FM
áVKP
EF
MPEP
EF
SFUPSOP
FT
EF

N3T
DPO
44
EF
 
NH-
y&TUBT
EPT
GVFOUFT
EF
TÓMJEPT
GPSNBO
MPT
 
NH-
EF
44
FO
FM
UBORVF
EF
BJSFBDJÓO
4J
OP
FT
BTÎ
yDÓNP
TF
BMDBO[Ó
FM
OJWFM
EF
 
NH-
y%F
EÓOEF
QSPWJFOFO
MPT
TÓMJEPT


6O
DJMJOESP
EF

-
TF
VTB
QBSB
NFEJS
MB
DBQBDJEBE
EF
BTFOUBNJFOUP
EF

EF
VO
TFEJNFOUP
EF
TÓMJEPT
TVTQFOEJEPT
%FTQVÊT
EF

NJOVtos, los sólidos del sedimento asentado ocupan 
N-
$BMDVMF
FM
*7-



y2VÊ
NFEJDJPOFT
EF
FTUBCJMJEBE
OFDFTJUBSÎB
VTted si el sedimento de una planta de tratamiento de aguas residuales tuviera que a)

DPMPDBSTF
FO
FM
DÊTQFE
EF
MB
$BTB
#MBODB b)

WFSUFSTF
FO
VO
BSSPZP
EPOEF
IBZ
USVDIBT

c)

SPDJBSTF
FO
VO
QBUJP
EF
KVFHPT d)

SPDJBSTF
FO
VO
IVFSUP
EF
WFSEVSBT


6O
TFEJNFOUP
TF
FTQFTB
EF
 
NH-
B
 
NH-
y$VÃM
FT
MB
SFEVDDJÓO
FO
WPMVNFO
FO
QPSDFOUBKF
6UJMJDF
VOB
DBKB
OFHSB
Z
un balance de materia.) 11.11 La edad del sedimento (que se denomina también periodo de residencia promedio de las células) se define como la masa de sedimento en el tanque de aireación dividida entre la masa de lodos de desecho por día. Calcule la edad del sedimento si el tanque de aireación tiene un periodo de retención hidráulica de 2 horas, una concentración de sólidos suspenEJEPT
JHVBM
B
 
NH-
MB
WFMPDJEBE
EF
áVKP
del agua residual hacia el depósito de aireación 3 FT
EF

N /min, la concentración de sólidos EFM
SFTJEVP
EF
SFUPSOP
FT
EF
 
NH-
Z
MB
velocidad de flujo del lodo activado de desecho FT
EF

N3/min. 
&M
EJBHSBNB
EF
CMPRVFT
EF
MB
àHVSB

muestra una planta de tratamiento secundario de aguas residuales. a) Identifique las diversas operaciones y los flujos de la unidad, y determine su propósito o función. ¿Por qué están ahí o RVÊ
IBDFO b) *NBHJOF
RVF
FT
VO
JOHFOJFSP
FYQFSJNFOtado a cargo del tratamiento de aguas residuales de una región metropolitana. 5VWP
RVF
DPOUSBUBS
B
VOB
FNQSFTB
EF
consultoría en ingeniería para que diseñe la planta que se muestra más adelante. El consejo de la autoridad metropolitana consideró a cuatro empresas para el trabajo y eligió a esta compañía, pese a las objeciones que usted presentó. Hay indicios de aportaciones políticas significativas de la empresa a los integrantes EFM
DPOTFKP
4J
CJFO
FTUB
QMBOUB
RVJ[Ã
funcione, es claro que no será del calibre de que usted deseaba, y usted tal vez tenga que gastar mucho dinero (público) QBSB
TV
BDUVBMJ[BDJÓO
y2VÊ
SFTQPOTBbilidades tiene usted, como ingeniero QSPGFTJPOBM
FO
FTUF
BTVOUP
"OBMJDF
FM
problema, identifique a las personas in-

Problemas

F

J

G

A

B

379

I

C

E

D H

Figura 11.35 Esquema de una planta de tratamiento secundario de aguas residuales. Véase el problema 11.12.

volucradas, establezca las opciones que tiene y llegue a una conclusión. Después EF
DPOTJEFSBSMP
UPEP
yRVÊ
EFCF
IBDFS


5SBDF
VO
EJBHSBNB
EF
CMPRVFT
QBSB
VOB
QMBOUB
de tratamiento, que muestre los pasos necesarios para lograr el efluente deseado. Caudal de entrada Efluente (mg/L) (mg/L)







%#0

4ÓMJEPT
TVTQFOEJEPT

'ÓTGPSP


 




  

Asegúrese de usar sólo los pasos de tratamiento necesarios para lograr el efluente deseado. Los QBTPT
FYUSBÒPT
TF
DPOTJEFSBSÃO
FRVJWPDBEPT

6OB
DFOUSJGVHBEPSB
EF

QVMHBEBT
EF
EJÃNFtro para deshidratar sedimento se hace girar a  
SFWPMVDJPOFT
QPS
NJOVUP
y$VÃOUBT
HSBWFEBEFT
QSPEVDF
FTUB
NÃRVJOB
3FDVFSEF
RVF
cada revolución representa 2π radianes.)

6O
FYQFSJNFOUP
EF
USBOTGFSFODJB
EF
HBTFT
QSPduce los datos siguientes: Tiempo (min) Oxígeno disuelto (mg/L)

























   





-B
UFNQFSBUVSB
EFM
BHVB
FT
EF

$
y$VÃM
FT
el coeficiente de transferencia de gases KLa




0CUFOHB
MB
FDVBDJÓO
QBSB
DBMDVMBS
MB
SFDVperación centrífuga de los sólidos a partir de los términos de la concentración. Esto quiere decir que la recuperación tiene que calcularse sólo en función de las concentraciones de los sólidos de las tres corrientes: alimentación, SFTVMUBOUF
Z
QBTUFM
.VFTUSF
DBEB
QBTP
EF
MB
EFrivación, incluyendo los balances de materia.




-PT
DPOUSBBUBRVFT
EF
RVJFOFT
OP
FTUÃO
EF
acuerdo con el movimiento ambientalista ha sido un suceso interesante en el campo de la ética ambiental. Estas personas no entienden ni aprecian los valores que la mayoría de la gente tiene respecto a las preocupaciones ambientales y tratan de desacreditar a los ambientalistas. En gran medida es como disparar a un pez en un barril; es muy fácil. El movimiento ambientalista está plagado de advertencias funestas, predicciones de desastres y Apocalipsis que nunca suceden. Como ejemplo de este tipo de obras, lea el primer capítulo en uno de los clásicos de este campo, The Population Bomb, EF
1BVM
&MSJDI
0CTFSWF
MB
GFDIB
FO
RVF
TF
FTcribió, y prepárese para discutir el efecto que este libro quizá tuvo en la opinión pública. 11.19 A una comunidad con un flujo de aguas resiEVBMFT
EF

NHE
TF
MF
FYJHF
RVF
DVNQMB
DPO
MBT
OPSNBT
QBSB
FáVFOUFT
EF

NH-
UBOUP
EF
%#0
DPNP
EF
44
-PT
SFTVMUBEPT
EF
MB
QMBOUB
QJMPUP
DPO
VO
DBVEBM
EF
FOUSBEB
EF
%#0 = 
NH-
FTUJNBO
MBT
DPOTUBOUFT
DJOÊUJDBT
FO
KS


NH-
μˆ


BM
EÎB–1 y Y


4F
EFDJEJÓ
NBOUFOFS
MPT
44-.
FO
 
NH-
¿Cuál es el periodo de retención hidráulica, la edad del sedimento y el volumen necesario del UBORVF


&O
VOB
QMBOUB
EF
MPEPT
BDUJWBEPT
QJMPUP
TF
FWBluaron las aguas residuales de una planta de envasado de melocotones y se descubrió que las constantes cinéticas eran de μˆ = 3 al día–1, Y


KS


NH-
-B
%#0
EFM
DBVEBM
EF
FOUSBEB
FT
EF
 
NH-
Z
TF
FTQFSB
VOB
WFMPDJEBE
EF
áVKP
EF
 
N3/día. Los venUJMBEPSFT
RVF
TF
VTBSÃO
MJNJUBSÃO
B
 
NH-
los sólidos suspendidos en el tanque de aireación. El volumen de aireación disponible es de  
N3.

380

Capítulo 11 Tratamiento de aguas residuales a)
y2VÊ
FàDJFODJB
EF
FMJNJOBDJÓO
EF
%#0
DBCF
FTQFSBS b) Imagine que descubrimos que la velocidad de flujo es en realidad mucho mayor, 3 EJHBNPT
EF
 
N /día y que el flujo está más diluido, S


NH-
y2VÊ
eficiencia de eliminación esperaríamos BIPSB c) Con esta velocidad de flujo y S, suponga que no podemos mantener en el tanque de BJSFBDJÓO
MPT
 
NH-
EF
TÓMJEPT
yQPS
RVÊ 
4J
MPT
TÓMJEPT
GVFSBO
TÓMP
EF
 
NH-
Z
TJ
TF
OFDFTJUBSB

EF
MB
FMJNJOBDJÓO
EF
%#0
yRVÊ
WPMVNFO
FYUSB
FO
FM
UBORVF
EF
BJSFBDJÓO
TF
SFRVFSJSÎB



6O
TJTUFNB
EF
MPEPT
BDUJWBEPT
UJFOF
VO
áVKP
3 EF
 
N /día con X

 
NH-
Z
S = 
NH-
"
QBSUJS
EFM
USBCBKP
EF
VOB
QMBOUB
piloto, las constantes cinéticas son Y


μˆ = 3 días–1, KS


NH-
/FDFTJUBNPT
EJTFÒBS
VO
TJTUFNB
EF
BJSFBDJÓO
RVF
FMJNJOF

EF
MB
%#0. En concreto, necesitamos saber a) el volumen del tanque de aireación. b) la edad del sedimento. c) la cantidad de lodo activado de desecho.

a)

y2VÊ
WPMVNFO
FYUSB
EF
QBTUFM
EF
TFEJmento deberá ser capaz de manejar y eliNJOBS

versus


b)

6TUFE
TBCF
RVF
OJOHVOP
EF
MPT
DPNQFtidores ofrece una centrifugadora que funcione mejor y quiere esta máquina, así que convence a la ciudad para que la compre. Algunas semanas antes de que se concrete la compra, recibe un juego de vasos con el logotipo impreso de la fábrica de la centrifugadora, junto con una nota de agradecimiento del vendeEPS
y2VÊ
IBSÃ
VTUFE
y1PS
RVÊ
3FDVSSB
a un razonamiento ético para redactar su respuesta. 11.23 En la Abadía de Westminster, en Londres, se honra a muchos de los personajes inmortales de la historia de Inglaterra, cada uno de ellos hizo una aportación significativa a la civilización occidental. Entre ellos, acaso en forma JOBEWFSUJEB
FTUÃ
VO
5IPNBT
$SBQQFS
JOWFOUPS
EFM
JOPEPSP
EF
EFTDBSHB
6OB
UBQB
EF
SFHJTUSP
RVF
TF
NVFTUSB
FO
MB
àHVSB

FT
TV
NPnumento. En teoría se dice que los soldados estadounidenses, durante la Primera Guerra .VOEJBM
RVFEBSPO
UBO
FOBNPSBEPT
F
JNQSFsionados con el invento de Crapper que lleva-

© Cortesía de P. Aarne Vesilind



6O
GBCSJDBOUF
EF
DFOUSJGVHBEPSBT
USBUB
EF
WFOder a la ciudad donde usted vive una nueva máquina centrífuga que se supone deshidrata FM
TFEJNFOUP
B

EF
TÓMJEPT
4JO
FNCBSHP


usted sabe que sus máquinas quizá sólo logren 
EF
TÓMJEPT
FO
FM
QBTUFM

Figura 11.36 Tapa de registro en honor de Thomas Crapper en la Abadía de Westminster.

12.2

Contaminantes principales del aire

Flujo de aire promedio =

393

(60 + 40) = 50 pies3 /min 2

Aire total que pasa por el filtro = (50 pies3 /min)( 60 min/h)( 24 h/día ) ( 1 día ) = 72, 000 pies 3 3

= (72, 000 pies3 )( 28.3 × 10− 3 m3 /pies ) = 2,038 m3 Partículas suspendidas totales =

(0.1 × 106 μ g) = 49 μ g/m3 2,038 m3

© Cortesía de P. Aarne Vesilind

Al parecer las estufas de leña son emisores especialmente eficaces de partículas pequeñas de la variedad PM. En una ciudad de Oregon, la concentración de PM alcanzó más de 
•HN, mientras que el estándar nacional para la calidad del aire ambiente (que se expuso FO
MB
TFDDJÓO

FT
EF
TÓMP

•HN. Las ciudades donde las condiciones atmosféricas impiden la dispersión del humo de madera han sido obligadas a aprobar prohibiciones para quemar leña durante las noches en que las condiciones podían generar niveles altos de particulados en la atmósfera. La concentración de partículas que mide un muestreador de alto volumen con frecuencia se denomina partículas suspendidas totales (PST) para diferenciarla de otras medidas de par-

Filtro Soplador

Figura 12.7 Muestreador hi-vol.

394

Capítulo 12 Calidad de aire tículas. Otra que se usa mucho en el área de la salud ambiental son las partículas respirables P
RVF
QPESÎBO
MMFHBS
IBTUB
MPT
QVMNPOFT
-B
GSBDDJÓO
EF
QBSUÎDVMBT
SFTQJSBCMFT
UJFOF

EF
MB
NBTB
EF
QBSUÎDVMBT
BTPDJBEB
DPO
MBT
EF

•
-BT
SFTQJSBCMFT
TF
TFQBSBO
VTBOEP
GVFS[BT
DFOUSÎfugas. La medición de PM se hace de manera parecida al PM, pero con la adición de una entrada de forma especial y un impactador.

12.2.3

Contaminantes gaseosos

En el contexto del control de la contaminación del aire, los contaminantes gaseosos incluyen sustancias que son gases a temperatura y presión normales al igual que vapores de sustancias que son líquidos o sólidos a temperatura y presión normales. Entre los de mayor importancia en términos del conocimiento presente se encuentran el monóxido de carbono, los hidrocarburos, el sulfuro de hidrógeno, los óxidos de nitrógeno, ozono y otros oxidantes, y óxidos de azufre. El dióxido de carbono y el metano se han agregado a esta lista debido a su efecto sobre FM
DMJNB
­TUPT
Z
PUSPT
DPOUBNJOBOUFT
HBTFPTPT
TF
FOMJTUBO
FO
MB
UBCMB


12.2.4

Medición de los gases

Aunque las unidades de medición de partículas ículas culas se encuentran de manera consistente en términos de microgramos por metro cúbico, la concentración de los gases puede presentarse en QBSUFT
QPS
NJMMÓO
QQN
P
FO
VOB
CBTF
EF
WPMVNFO

WPMVNFO
P
NJDSPHSBNPT
QPS
NFUSP
DÙCJDP
$PNP
TF
FYQMJDÓ
FO
FM
DBQÎUVMP

MB
DPOWFSTJÓO
EF
VOP
B
PUSP
FT μ g/m3 =

MW × 1,000 × ppm 24.5

donde MW = peso molecular del gas. Esta ecuación es aplicable para las condiciones de 
BUNÓTGFSB
Z

ž$
1BSB

BUNÓTGFSB
Z

ž$
MB
DPOTUBOUF
TF
DPOWJFSUF
FO


EJEMPLO 12.3

Problema Un gas de chimenea contiene monóxido de carbono (CO) a una concentración EF

QPS
WPMVNFO
y$VÃM
FT
MB
DPODFOUSBDJÓO
EF
$0
FO
•HN
4VQPOHB

ž$
Z
QSFTJÓO
EF 
BUNósfera.) Solución
-B
DPODFOUSBDJÓO
FO
QQN
TF
CBTB
FO
FM
IFDIP
EF
RVF

QPS
WPMVNFO
FT
 
QQN
DBQÎUVMP
 
1PS
DPOTJHVJFOUF

QPS
WPMVNFO
FT
 
QQN
&M
QFTP
NPMFDVMBS
EFM
$0
FT

HNPM
EF
NPEP
RVF
MB
DPODFOUSBDJÓO
FO
NJDSPHSBNPT
QPS
NFUSP
DÙCJDP
FT 28 × 1,000 × 100, 000 = 114 × 106 μ g/m3 24.5

Casi todas las primeras técnicas de medición de gas implicaban el uso de un burbujeador, RVF
TF
NVFTUSB
FO
MB
àHVSB

EF
MB
QÃHJOB

&M
HBT
FT
CVSCVKFBEP
MJUFSBMNFOUF
B
USBWÊT
del líquido, el cual reacciona químicamente con el gas de interés o el gas se disuelve en él. Entonces se usan técnicas químicas húmedas para medir la concentración del gas.

12.2

Contaminantes principales del aire

395

Tabla 12.2 Algunos contaminantes gaseosos del aire Nombre

Fórmula

Propiedades de importancia

Relevancia como contaminante del aire

Dióxido de azufre

SO2

Gas incoloro, olor sofocante intenso, altamente soluble en agua, formando ácido sulfuroso, H2SO3

Daño a la propiedad, salud y vegetación

Trióxido de azufre

SO3

Soluble en agua, formando ácido sulfúrico, H2SO4

Altamente corrosivo

Sulfuro de hidrógeno

H2S

Olor a huevo podrido a concentraciones bajas, inodoro a concentraciones altas

Altamente venenoso

Óxido nitroso

N2 O

Gas incoloro, se usa como gas portador en botellas de aerosol

Relativamente inerte; no se produce en la combustión

Óxido nítrico

NO

Gas incoloro

Producido durante la combustión a temperatura elevada y presión alta; se oxida a NO2

Dióxido de nitrógeno

NO2

Gas de café a anaranjado

Componente principal en la formación de esmog fotoquímico

Monóxido de carbono

CO

Incoloro e inodoro

Producto de la combustión incompleta; gas venenoso

Dióxido de carbono

CO2

Incoloro e inodoro

Formado durante la combustión completa; gas invernadero

Ozono

O3

Altamente reactivo

Daño a la vegetación y a la propiedad; se produce principalmente durante la formación de esmog fotoquímico

Hidrocarburos

CxHy o HC

Muchas

Emitidos por automóviles e industrias; se forman en la atmósfera

Metano

CH4

Combustible, inodoro

Gas invernadero

Clorofluorocarbonos

CFC

No reactivos, propiedades químicas excelentes

Agotan el ozono en la atmósfera superior (estratosfera)

Una técnica de burbujeador sencilla (pero que ahora rara vez se usa) para medir el SO2 es generar burbujas de aire a través de peróxido de hidrógeno, con lo que ocurre la siguiente SFBDDJÓO SO2 + H2 O2 → H2 SO4

La cantidad de ácido sulfúrico formado puede determinarse al titular la solución con una base fuerte conocida. Uno de los mejores métodos de tercera generación para medir el SO2 es el método colorimétrico de pararosanilina, en el que se generan burbujas de SO2 en un líquido que contiene

Capítulo 12 Calidad de aire

© Cortesía de P. Aarne Vesilind

396

Difusor

Figura 12.8 Un burbujeador típico para medir los contaminantes gaseosos del aire.

tetracloromercurato (TCM). El SO2 y el TCM se combinan para formar un complejo estable. Entonces se le agrega pararosanilina, con el que forma una solución coloreada. La cantidad de color es proporcional al SO2 en la solución, y el color se mide con un espectrofotómetro. (Véase el capítulo 9 para repasar la medición del amoniaco, otro ejemplo de una técnica colorimétrica.)

12.2.5

Medición del humo

&O
FM
USBOTDVSTP
EF
MB
IJTUPSJB
MB
DPOUBNJOBDJÓO
EFM
BJSF
TF
IB
BTPDJBEP
DPO
FM
IVNP
DVBOUP
más oscuro, más contaminación. Ahora sabemos, por supuesto, que esto no siempre es cierto, pero se han redactado diversas regulaciones (por ejemplo, para los incineradores municipales) con base en la densidad del humo. La densidad del humo se ha medido por muchos años con la escala Ringelmann, que Maximilien Ringelmann, un profesor francés de ingeniería, diseñó a fines del siglo xix. La FTDBMB
DMBTJàDB
EFTEF

QBSB
FM
IVNP
CMBODP
P
USBOTQBSFOUF
IBTUB

QBSB
FM
RVF
FT
PQBDP
UPUBMNFOUF
OFHSP
-B
QSVFCB
TF
SFBMJ[B
TPTUFOJFOEP
VOB
UBSKFUB
DPNP
TF
NVFTUSB
FO
MB
àHVSB

y comparando su color negro con el humo. Por tanto, se dice que un humo bastante negro es 3JOHFMNBOO

QPS
FKFNQMP

12.2

Contaminantes principales del aire

397

Núm. 0 Núm. 1 Núm. 2 (todo blanco) (20% negro) (40% negro)

Núm. 3 Núm. 4 Núm. 5 (60% negro) (80% negro) (todo negro)

Figura 12.9 La escala Ringelmann.

12.2.6

Visibilidad

Uno de los efectos evidentes de los contaminantes del aire es la reducción en la visibilidad. La pérdida de visibilidad se define con frecuencia como la condición en que apenas es posible identificar un objeto grande (como un edificio) a la luz del día brillante, o apenas es posible ver una luz moderadamente brillante de noche. Ésta es, por supuesto, una definición vaga, pero es útil para definir los límites de la visibilidad. Las reducciones en la visibilidad pueden ocurrir debido a los contaminantes del aire naturales, como los terpenos de los pinos (la razón por la que las Smoky Mountains reciben TV
OPNCSF



P
B
MBT
FNJTJPOFT
RVF
MPT
TFSFT
IVNBOPT
producimos. Muchos elementos constituyentes pueden causar una visibilidad atenuada, como las gotas de agua (niebla) y los gases (NO2), pero la mayor reducción se debe a las partículas pequeñas. Éstas SFEVDFO
MB
WJTJCJMJEBE
UBOUP
BM
BETPSCFS
DPNP
BM
EJTQFSTBS
MB
MV[
FO
FM
QSJNFS
caso la luz no entra al ojo del espectador, y en el segundo la dispersión reduce el contraste entre la luz y los objetos oscuros. Desde el punto de vista matemático, la intensidad de un objeto iluminado por un haz de intensidad I a una distancia x desde el observador se atenúa como dI = − jI dx

donde

I = intensidad del haz de luz visto por el observador x = distancia desde el observador j = constante que toma en cuenta la condición atmosférica, con frecuencia llamada coeficiente de extinción

Integrada, esta ecuación se lee ln

I I0

= − jx

donde I es la intensidad del haz cuando la distancia x se aproxima a cero. Se ha encontrado que el límite inferior de visibilidad para la mayoría de las personas ocurre cuando la intensidad

398

Capítulo 12 Calidad de aire EF
MB
MV[
TF
IB
SFEVDJEP
B
BQSPYJNBEBNFOUF

EF
MB
MV[
OP
BUFOVBEB
4J
FTUF
WBMPS
TF
TVTUJUVZF
en la ecuación anterior, la distancia x es entonces el límite de visibilidad, LV, o ln(0.02) = − j L V LV =

3.9 j

Como una aproximación burda, puede considerarse que el coeficiente de extinción es directa y linealmente proporcional a la concentración de partículas (para las atmósferas que contienen NFOPT
EF

EF
IVNFEBE 
6OB
FYQSFTJÓO
BQSPYJNBEB
QBSB
MB
WJTJCJMJEBE
QVFEF
FTDSJCJSTF
entonces como LV =

1.2 × 103 C

EPOEF
MB
DPOTUBOUF

×
 toma en cuenta el factor de conversión si LV está en kilómetros y C es la concentración de partículas en microgramos por metro cúbico. Es preciso enfatizar RVF
ÊTUB
FT
VOB
SFMBDJÓO
BQSPYJNBEB
Z
TÓMP
EFCF
VTBSTF
QBSB
MBT
BUNÓTGFSBT
DPO
NFOPT
EF

de humedad.*

12.3

FUENTES Y EFECTOS DE LA CONTAMINACIÓN DEL AIRE Los constituyentes indeseables en el aire, o la contaminación del aire, pueden causar un efecto perjudicial sobre la salud humana, en la de otras criaturas, en el valor de la propiedad y en la calidad de vida. Algunos contaminantes de interés para la salud humana se forman y emiten a partir de procesos naturales. Por ejemplo, las partículas que se encuentran en forma natural pueden ser granos de polen, esporas de hongos, rocío de sal, partículas de humo de incendios forestales y polvo de las erupciones volcánicas. Los contaminantes gaseosos de fuentes naturales incluyen monóxido de carbono como producto de la descomposición en la degradación de la hemoglobina, hidrocarburos en forma de terpenos de los pinos, sulfuro de hidrógeno resultante de la descomposición de cisteína y otros aminoácidos que contienen azufre por acción bacteriana, óxidos de nitrógeno y metano (gas natural). Las fuentes de contaminantes hechas por las personas pueden clasificarse en forma conveniente como fuentes de combustión estacionaria, transportación, proceso industrial y eliminación de residuos sólidos. Las emisiones de contaminantes principales de los procesos de combustión estacionaria y contaminantes por partículas (como cenizas volantes y humo) y óxidos de azufre y nitrógeno. Las emisiones de óxido de azufre son, por supuesto, una función de la cantidad de azufre que hay en el combustible. Por tanto, la combustión de carbón y petróleo, que contienen cantidades apreciables de azufre, producen cantidades significativas de óxido de azufre. Mucho del conocimiento de los efectos de la contaminación del aire en las personas proviene del estudio de los episodios agudos de contaminación del aire. Los dos más famosos PDVSSJFSPO
FO
%POPSB
1FOOTZMWBOJB
EFTDSJUP
FO
FM
DBQÎUVMP



Z
FO
-POESFT
*OHMBUFSSB
&O


* Esta exposición se basa en parte en: Ross, R.D. (ed.) (1972). Air Pollution and Industry. Nueva York: VanNostrand Reinhold; y Wark, K. y C. F. Warner (1981). Air Pollution. Nueva York: Harper & Row.

12.3

Fuentes y efectos de la contaminación del aire

399

ambos los contaminantes afectaron a un segmento específico de la población, las personas que ya padecían enfermedades del sistema cardiorrespiratorio. Otra observación de gran importancia es que no fue posible culpar a ningún contaminante de los efectos adversos. Esto intrigó a los investigadores (expertos en higiene industrial), que estaban acostumbrados a estudiar los problemas industriales en los que por lo general era posible relacionar los efectos en la salud con algún contaminante específico. En la actualidad, después de muchos años de estudio, se piensa que los problemas de salud durante los episodios fueron atribuibles a la acción combinada de una materia particulada (partículas sólidas o líquidas) y dióxido de azufre, un gas. Sin embargo, ningún contaminante en sí se ha determinado como responsable. Excepto por estos episodios, los científicos tienen poca información a partir de la cual evaluar los efectos de la contaminación del aire sobre la salud. Los estudios de laboratorio con animales son de alguna ayuda, pero el paso de una rata a una persona (desde el punto de vista anatómico) es bastante grande. Cuatro de los problemas más difíciles para relacionar la contaminación del aire con la TBMVE
TPO
QSFHVOUBT
TJO
SFTQVFTUB
SFTQFDUP
B

MB
FYJTUFODJB
EF
VNCSBMFT

MB
DBSHB
EF
DPOUBNJOBOUFT
UPUBM
FO
FM
DVFSQP

FM
QSPCMFNB
EF
UJFNQP
DPOUSB
EPTJT
Z

FGFDUPT
TJOÊSHJDPT
EF
varias combinaciones de contaminantes.


Umbral. La existencia de un umbral en los efectos en la salud de los contaminantes TF
IB
EFCBUJEP
QPS
NVDIPT
BÒPT
$PNP
TF
FYQPOF
DPO
NÃT
EFUBMMF
FO
FM
DBQÎUVMP

es posible encontrar varias curvas dosis-respuesta para la dosis de un contaminante específico (por ejemplo, monóxido de carbono) y la respuesta (digamos, reducción en la capacidad de transporte de oxígeno en la sangre). Una posibilidad es que no habrá efecto en el metabolismo humano hasta que se alcance una concentración crítica (el umbral). Por otra parte, algunos contaminantes pueden producir una respuesta detectable para cualquier concentración finita. Tampoco estas curvas tienen que ser lineales. En la contaminación del aire, la relación dosis-respuesta más probable para muchos contaminantes es no lineal sin umbral identificable pero con una respuesta mínima a una concentración mayor, punto en el que la respuesta se vuelve grave. El problema es que se desconocen las formas de estas curvas para la mayoría de los contaminantes. 2. Carga total del cuerpo.
/P
UPEB
MB
EPTJT
EF
DPOUBNJOBOUFT
QSPWJFOF
EFM
BJSF
QPS
FKFNQMP
BVORVF
VOB
QFSTPOB
SFTQJSB
BMSFEFEPS
EF

•HEÎB
EF
QMPNP
MB
JOHFTUJÓO
EFM
QMPNP
RVF
TF
FODVFOUSB
FO
FM
BHVB
Z
MPT
BMJNFOUPT
FT
EF
BQSPYJNBEBNFOUF

•HEÎB
&O
el establecimiento de estándares para la calidad del aire relacionados con el plomo es preciso, por consiguiente, reconocer que la mayor parte de la ingestión de plomo proviene de los alimentos y el agua.


Tiempo contra dosis. La mayoría de los contaminantes requiere tiempo para reaccionar, y el tiempo de contacto es tan importante como el nivel. El mejor ejemplo de esto es el FGFDUP
EFM
NPOÓYJEP
EF
DBSCPOP
DPNP
TF
JMVTUSB
FO
MB
àHVSB

-B
IFNPHMPCJOB
)C
IVNBOB
UJFOF
VOB
BàOJEBE
DPO
FM
NPOÓYJEP
EF
DBSCPOP

WFDFT
NBZPS
RVF
su afinidad con el oxígeno y, por tanto, el CO se combina con facilidad con la hemoglobina para formar carboxihemoglobina (COHb). La formación de COHb reduce la hemoglobina disponible para transportar oxígeno. A una concentración de COHb de BQSPYJNBEBNFOUF

TF
QSPEVDF
MB
NVFSUF
QPS
GBMUB
EF
PYÎHFOP
-PT
FGFDUPT
EFM
$0
en concentraciones subletales por lo general son reversibles. Debido a este tipo de problema tiempo-respuesta los estándares de calidad del aire ambiente se establecen en concentraciones máximas permisibles para un tiempo determinado.


Sinergismo.
­TUF
TF
EFàOF
DPNP
VO
FGFDUP
RVF
FT
NBZPS
RVF
MB
TVNB
EF
MBT
QBSUFT
QPS
ejemplo, la enfermedad del pulmón negro en los mineros que extraen carbón ocurre

Capítulo 12 Calidad de aire 100 Carboxihemoglobina (%)

400

50 20 10

Muerte Coma Vómito

500 mg/m3

Dolor de cabeza

100 mg/m3

200 mg/m3

50 mg/m3 5

20 mg/m3

2 1

1 10 Tiempo de exposición (h)

100

Figura 12.10 Efecto del monóxido de carbono en la salud. (Por W. Agnew (1968). Proceedings of the Royal Society, A307: 153.)

sólo cuando también son fumadores. La extracción de carbón por sí sola y el tabaquismo por sí solo no causarán pulmón negro, pero la acción sinérgica de ambos pone en alto riesgo a los mineros que fuman. (Aunque hay una evidencia abrumadora de que MB
DPOUBNJOBDJÓO
EFM
BJSF
QVFEF
JODSFNFOUBS
FM
SJFTHP
EF
FOGFSNFEBEFT

FO
FTQFDJBM
DVBOEP
TF
WJODVMB
TJOÊSHJDBNFOUF
DPO
FM
tabaquismo, la causa y el efecto reales no están probados desde el punto de vista médiédico. Por consiguiente, es incorrecto afirmar que la contaminación del aire, sin importar DVÃO
NBMB

causa cáncer de pulmón u otras enfermedades SFTQJSBUPSJBT> Por supuesto, el blanco principal de los contaminantes del aire en los seres humanos (y otros animales) es el sistema respiratorio. El aire (y los contaminantes que arrastra) entran al cuerpo por medio de la garganta y las cavidades nasales, y pasa a los pulmones por la tráquea. En los pulmones el aire pasa por los bronquios a los alveolos, pequeños sacos en los que la transferencia de gases tiene lugar. Los contaminantes se absorben en el torrente sanguíneo o salen de los pulmones por medio de células capilares diminutas llamadas cilios, que barren continuamente el moco hacia la garganta. El sistema respiratorio puede ser dañado tanto por partículas como por contaminantes gaseosos. -BT
QBSUÎDVMBT
NBZPSFT
RVF

•
QPS
MP
HFOFSBM
TFSÃO
BUSBQBEBT
FO
FM
TJTUFNB
SFTQJSBUPSJP
TVQFSJPS
Z
CBSSJEBT
QPS
MPT
DJMJPT
4JO
FNCBSHP
MBT
NFOPSFT
RVF

•
EF
EJÃNFUSP
QVFEFO
moverse hacia los alveolos, donde no hay cilios, permanecer ahí por largo tiempo y dañar el pulmón. Las gotas de H2SO y las partículas de plomo representan las formas más graves de materia particulada en el aire. 2VJ[ÃT
FM
HBT
NÃT
JNQPSUBOUF
SFMBDJPOBEP
DPO
MB
TBMVE
FT
FM
EJÓYJEP
EF
B[VGSF
"DUÙB
como un irritante, restringe el flujo de aire y hace más lenta la acción de los cilios. Debido a que es altamente soluble, debería ser eliminado con facilidad por la membrana mucosa, pero se ha demostrado que puede llegar a las profundidades del pulmón adsorbiéndose primero en partículas diminutas y luego usando este transporte para llegar a lo más profundo del pulmón, un caso clásico de acción sinérgica. La cantidad de óxido de azufre producida puede calcularse si se conoce el contenido de azufre del combustible, como lo ilustra el siguiente ejemplo.

12.3 EJEMPLO 12.4

Fuentes y efectos de la contaminación del aire

401

Problema Durante un episodio importante de contaminación del aire que duró dos semanas FO
-POESFT
FO

TF
FTUJNB
RVF
QPS
TFNBOB
TF
RVFNBCBO
 
UPOFMBEBT
NÊUSJDBT
EF
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VO
DPOUFOJEP
EF
B[VGSF
QSPNFEJP
EF
BQSPYJNBEBNFOUF

-B
QSPGVOEJEBE
EF
MB
mezcla (altura de la capa de inversión o cubierta sobre la ciudad que impedía que los contami2 OBOUFT
FTDBQBSBO
FSB
EF

NFUSPT
TPCSF
VO
ÃSFB
EF
 
LN . Si al inicio no había SO2 en la atmósfera (una suposición conservadora), ¿cuál es la concentración de SO2 esperada al final de las dos semanas? Solución Use el modelo de la caja para calcular la concentración. Es decir, considere el volumen sobre Londres como una caja negra y use la trillada ecuación de balance de materia. ⎡ Flujo de SO 2 ⎤ ⎡ Flujo de SO 2 ⎤ ⎡ Flujo de SO 2 ⎤ ⎢ ACUMULADO ⎥ = ⎢ ENTRADA ⎥ − ⎢ SALIDA ⎥ ⎦ ⎦ ⎣ ⎦ ⎣ ⎣ Flujo de SO Flujo de SO ⎡ ⎡ 2 ⎤ 2 ⎤ +⎢ ⎥ − ⎢CONSUMIDO ⎥ PRODUCIDO ⎦ ⎦ ⎣ ⎣ El flujo de SO2 de salida fue cero debido a que nada escapó por debajo de esta cubierta de neblina. La cantidad producida y consumida también es cero si se supone que el óxido de azufre no se crea ni se destruye en la atmósfera. La concentración de SO2 que se incrementa en la DBKB
FT
DPOTUBOUF
BTÎ
RVF
MB
FDVBDJÓO
FT
EF
PSEFO
DFSP
DBQÎUVMP
  ⎡Cantidad de SO 2 ⎤ ⎡ Flujo de SO 2 ⎤ ⎢ ACUMULADO ⎥ = ⎢ ENTRADA ⎥ − 0 + 0 − 0 ⎦ ⎦ ⎣ ⎣ dA = k dt

o

A = A0 + kt

donde A = la masa de SO2. El SO2 emitido por semana es 25,000 toneladas métricas del carbón semana ×

1 mol SO2 1 mol S

4 partes de S 100 partes de carbón

mol S 32 g S

64 g SO2 toneladas métricas mol SO2 = 2,000 semana

Si se supone que la concentración inicial, A, es cero, A = 0 + (2000 toneladas métricas/semana)(2 semana) = 4,000 toneladas métricas de SO 2

se acumularon en la atmósfera sobre Londres. El volumen en el que esto se mezcla es 2

150 m × 1,200 km2 × 106 m2 /km = 180, 000 × 106 m3

La concentración de SO2 al final de las dos semanas debió ser 4,000 toneladas métricas × 106 g/toneladas métricas × 106 μ g/g = 22, 000 μ g/m3 180, 000 × 106 m3

402

Capítulo 12 Calidad de aire La concentración máxima real de SO2 durante el episodio de Londres fue menor que  
•HN
1FSP
FM
DÃMDVMP
FO
FM
FKFNQMP

NVFTUSB
NÃT
EF

WFDFT
FTUP
y"
EÓOEF
GVF
todo el SO2? La respuesta se encuentra en la suposición de que no se consumía SO2. De hecho, hay una depuración continua de SO2 de la atmósfera por el SO2 que entra en contacto con los edificios, la vegetación, la vida silvestre y los seres humanos. De mayor importancia, los óxidos de azufre parecen ser un constituyente importante de la precipitación mal amortiguada, que se conoce más como lluvia ácida.

12.3.1

Óxidos de azufre y de nitrógeno y lluvia ácida

Una forma en la que el SO2 se elimina de la atmósfera es la lluvia ácida. La lluvia normal OP
DPOUBNJOBEB
UJFOF
VO
Q)
EF
BQSPYJNBEBNFOUF

EFCJEP
BM
$02), pero la lluvia ácida puede tener un pH de 2 o aun menor. La formación de lluvia ácida es un proceso complejo y la dinámica no se ha entendido por completo. En sus términos más sencillos se emite SO2 de la combustión de combustibles que contienen azufre y luego reacciona con los componentes atmosféricos calor

S + O2 −→ SO2 luz solar

SO2 + O −→ SO3 SO3 + H2 O −→ H2 SO4

H2SO es ácido sulfúrico. Los óxidos de azufre literalmente no producen ácido sulfúrico en las nubes, pero la idea es la misma. La precipitación del aire que contiene altas concentraciones de óxidos de azufre está mal amortiguada y su pH desciende con facilidad. Los óxidos de nitrógeno, emitidos sobre todo por los escapes de los automóviles pero también a partir de cualquier otra combustión en alta temperatura, contribuyen a la mezcla ácida en la atmósfera. Las reacciones químicas que al parecer ocurren con el nitrógeno son N2 + O2 −→ 2NO NO + O3 −→ NO2 + O2 NO2 + O3 + H2 O −→ 2HNO3 + O2

donde HNO es ácido nítrico. &M
FGFDUP
EF
MB
MMVWJB
ÃDJEB
IB
TJEP
EFWBTUBEPS
DJFOUPT
EF
MBHPT
FO
"NÊSJDB
EFM
/PSUF
Z
Escandinavia se volvieron tan ácidos que ya no sostenían la vida de los peces. En un estudio EF
MPT
MBHPT
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NÃT
EF

EF
MPT
MBHPT
RVF
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NFOPS
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DPO
VO
Q)
EF

Z
NBZPS
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MPT
DPOUFOÎBO
&M
Q)
CBKP
OP
sólo afecta a los peces en forma directa sino que contribuye a la liberación de metales potencialmente tóxicos, como el aluminio, lo que aumenta el problema. &O
"NÊSJDB
EFM
/PSUF
MB
MMVWJB
ÃDJEB
FMJNJOÓ
UPEPT
MPT
QFDFT
Z
NVDIBT
QMBOUBT
FO

de los lagos de montaña alta en los Adirondack. El pH en muchos de ellos ha alcanzado tales niveles de acidez que ha reemplazado las truchas y plantas nativas con alfombras de algas tolerantes al ácido. La deposición de ácido atmosférico en los sistemas acuáticos de agua dulce indujo a la &1"
B
TVHFSJS
VO
MÎNJUF
EF

B

LH
402–  por hectárea por año. Si se usa la ley de Newton de la contaminación del aire (lo que sube debe bajar), es fácil ver que la cantidad de óxidos sulfúricos y nítricos emitidos es bastante mayor que este límite. Por ejemplo, sólo para el estado EF
0IJP
MBT
FNJTJPOFT
BOVBMFT
UPUBMFT
GVFSPO
EF

×
 toneladas métricas de SO2 por año.

12.3

Fuentes y efectos de la contaminación del aire

403

Si todo esto se convirtiera en SO2– 
Z
TF
EFQPTJUBSB
FO
FM
FTUBEP
EF
0IJP
FM
UPUBM
TFSÎB
EF

kilogramos por hectárea al año. Pero no todo este azufre cae sobre los habitantes de Ohio. De hecho, gran parte de él es exportado por la atmósfera hacia lugares muy lejanos. Cálculos similares para las emisiones EF
B[VGSF
QBSB
FM
OPSFTUF
EF
&TUBEPT
6OJEPT
JOEJDBO
RVF
FM
ÎOEJDF
EF
FNJTJÓO
EF
B[VGSF
FT
EF

B

WFDFT
NBZPS
RVF
FM
ÎOEJDF
EF
EFQPTJDJÓO
y"
EÓOEF
TF
WB
UPEP
FTUP Los canadienses tienen una respuesta pronta y convincente. Durante muchos años han culpado a Estados Unidos por la formación de la mayor parte de la lluvia ácida que cae dentro de sus fronteras. Del mismo modo, gran parte del problema en Escandinavia puede rastrearse IBTUB
FM
VTP
EF
DIJNFOFBT
BMUBT
FO
(SBO
#SFUBÒB
Z
MPT
QBÎTFT
EF
MBT
UJFSSBT
CBKBT
EF
&VSPQB
DPOtinental. Por años la industria británica simplemente construyó chimeneas cada vez más altas como un método para controlar la contaminación del aire, reduciendo la concentración a nivel del suelo inmediato pero emitiendo los mismos contaminantes hacia la atmósfera superior. La calidad del aire en Reino Unido mejoró pero a expensas de la lluvia ácida en otras partes de Europa. La contaminación a través de las fronteras políticas es un problema regulatorio particularmente difícil. El poder de la mano dura de la policía ya no está disponible. ¿Por qué debería preocuparse Reino Unido por la lluvia ácida en Escandinavia? ¿Por qué los alemanes deberían
MJNQJBS
FM
3JO
BOUFT
EF
RVF
áVZB
QPS
MPT
1BÎTFT
#BKPT
y1PS
RVÊ
debería Israel dejar de sacar agua del Mar Muerto, que comparte con Jordania? Las leyes ya no son útiles y MB
BNFOB[B
EF
SFQSFTBMJBT
FT
QPDP
QSPCBCMF
y2VÊ
GVFS[BT
FYJTUFO
QBSB
BMFOUBS
B
FTUPT
QBÎTFT
a hacer lo correcto? ¿Hay algo parecido a una ética internacional?

12.3.2

Esmog fotoquímico

Un enfoque importante para la clasificación de los contaminantes del aire es el de los contaminantes primarios y secundarios. Un contaminante primario se define como aquel que es emitido como tal a la atmósfera, mientras que los secundarios en realidad se producen en ella debido a las reacciones químicas. Los componentes de los escapes de los automóviles son importantes en la formación de los contaminantes secundarios. El bien conocido y muy comentado esmog EF
-PT
¦OHFMFT
FT
VO
DBTP
EF
GPSNBDJÓO
EF
DPOUBNJOBOUFT
TFDVOEBSJPT
-B
UBCMB

MJTUB
FO
forma simplificada algunas reacciones clave en la formación de esmog fotoquímico. La secuencia de reacción ilustra cómo la luz solar actúa sobre los óxidos de nitrógeno que se forman en la combustión de gasolina y otros combustibles y que se emiten a la atmósfera para producir ozono (O), un compuesto no que no se emite como tal a partir de las fuentes y, por tanto, se considera un contaminante secundario. El ozono, a su vez, reacciona con

Tabla 12.3 Esquema de reacción simplificado para el esmog fotoquímico* NO2 + Luz O + O2 O3 + NO O + HC HCOo + O2

−→ −→ −→ −→ −→

NO + O O3 NO2 + O2 HCOo HCOo3

HCOo3 + HCOo3 + HCOo3 + HCOox +

−→ −→ −→ −→

Aldehídos, cetonas, etc. HCO2o + NO2 O3 + HCO2o Nitratos de peroxiacetil

HC NO O2 NO2

*NO2 = dióxido de nitrógeno, NO = óxido nítrico, = oxígeno atómico, O2 = oxígeno molecular, O3 = ozono, HC = hidrocarburos, ° = radical.

Capítulo 12 Calidad de aire

HC Concentración

404

O3 NO2 NO

12 medianoche

6 a.m.

12 mediodía

6 p.m.

12 medianoche

Figura 12.11 Formación de esmog fotoquímico durante un periodo soleado de 24 horas.

hidrocarburos para formar una serie de compuestos que incluye aldehídos, ácidos orgánicos y compuestos epoxi. La atmósfera puede percibirse como una enorme vasija de reacción donde se forman compuestos nuevos mientras otros se destruyen. -B
GPSNBDJÓO
EF
FTNPH
GPUPRVÎNJDP
FT
VO
QSPDFTP
EJOÃNJDP
-B
àHVSB

JMVTUSB
cómo las concentraciones de algunos de los componentes varían durante el día. Observe que, cuando despunta la mañana, los niveles de NO aumentan, seguidos con rapidez por el NO2. Conforme este último reacciona con la luz solar, se producen O y otros oxidantes. El nivel de hidrocarburos se incrementa del mismo modo al comienzo del día y luego disminuye por la tarde. Las reacciones implicadas en el esmog fotoquímico seguirán siendo un misterio por muchos años. De modo particular es desconcertante la formación de altos niveles de ozono. Como TF
PCTFSWB
FO
MBT
QSJNFSBT
USFT
SFBDDJPOFT
FO
MB
UBCMB

QPS
DBEB
NPM
EF
/02 que reacciona para generar oxígeno atómico y, por tanto, ozono, se crea una mol de NO2 de la reacción con el ozono. Todas estas reacciones son rápidas. ¿Cómo, entonces, podrían las concentraciones de ozono acumularse en niveles tan altos? Una respuesta es que el NO interviene en otras reacciones, en especial con varios radicales hidrocarburos y, por tanto, permite que el exceso de ozono se acumule en la atmósfera (la TÊQUJNB
SFBDDJÓO
FO
MB
UBCMB
 
"EFNÃT
BMHVOPT
SBEJDBMFT
IJESPDBSCVSPT
SFBDDJPOBO
DPO
FM
oxígeno molecular y también producen ozono. La química del esmog fotoquímico es compleja. Esto se comprobó con el intento por reducir las emisiones de hidrocarburos para controlar los niveles de ozono (O). El razonamiento era que, si no había HC disponibles, el O se utilizaría para oxidar el NO a NO2, usando por tanto el ozono disponible. Por desgracia, esta estrategia de control fue un fracaso y la respuesta parece ser que deben controlarse todos los contaminantes primarios involucrados en la formación del esmog fotoquímico.

12.3.3

Agotamiento del ozono

El ozono (O) es un irritante de los ojos en los niveles urbanos normales, pero el O urbano no debe confundirse con el O
FTUSBUPTGÊSJDP
EF

B

NJMMBT
TPCSF
MB
TVQFSàDJF
EF
MB
5JFSSB
&TUF
último actúa como un escudo contra la radiación ultravioleta y su alteración puede incrementar el riesgo de cáncer en la piel además de cambiar la ecología de maneras impredecibles.

12.3

Fuentes y efectos de la contaminación del aire

405

El problema con el adelgazamiento de la capa de ozono atmosférico superior (estratosfera) se debe a la manufactura y descarga de una clase de sustancias químicas llamadas DMPSPáVPSPDBSCPOPT
$'$ 
­TUBT
FODVFOUSBO
VO
VTP
BNQMJP
FO
MPT
BFSPTPMFT
Z
MPT
TJTUFNBT
EF
refrigeración y son responsables por el cambio climático así como por el adelgazamiento de la DBQB
QSPUFDUPSB
EF
P[POP
FO
MB
FTUSBUPTGFSB
%PT
EF
MPT
$'$
NÃT
JNQPSUBOUFT
TPO
USJDMPSPáVPSPNFUBOP
$'$M
Z
EJDMPSPEJáVPSPNFUBOP
$'2Cl2
Z
BNCPT
TPO
JOFSUFT
F
JOTPMVCMFT
FO
BHVB
por consiguiente, no se lavan de la atmósfera. Derivan hasta la atmósfera superior y al final son destruidos por la radiación solar de onda corta, con lo que se libera cloro, que puede reaccionar con el ozono. El adelgazamiento de la capa de ozono permite que la radiación ultravioleta pase sin obstáculos y esto puede tener un efecto potencial grave en la incidencia de cáncer en la piel. Aunque disfrutar del Sol no es buena idea en primer lugar, hacerlo cuando la capa de ozono no es eficaz para filtrar gran parte de los rayos ultravioleta es aún más arriesgado. Debido a que el problema con el ozono no se encuentra en el nivel del suelo y a que la presión atmosférica varía, es difícil medir la concentración de dicho gas. Se desarrollaron las unidades Dobson (UD) para resolverlo, donde 
6%


NN
EF
0
B

BUN
Z

ž$ &O
MBT
MBUJUVEFT
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MB
DPODFOUSBDJÓO
EF
P[POP
QPS
MP
DPNÙO
FT
EF
BQSPYJNBEBNFOUF

6%
FO
FM
FDVBEPS
FT
EF

6%
Z
FO
MB
SFHJÓO
BOUÃSUJDB
TÓMP
EF

6% El ozono en la estratosfera se produce cuando el oxígeno reacciona con la energía luminosa (hv  O2 + hv −→ O + O O2 + O −→ O3

-B
FOFSHÎB
MVNJOPTB
UBNCJÊO
EFTUSVZF
FM
P[POP O3 + hv −→ O2 + O

Con este mecanismo el ozono impide que la radiación ultravioleta llegue a la superficie de la Tierra. Estas reacciones también calientan la atmósfera, con lo que se generan condiciones de inversión que resultan en situaciones muy estables. $VBOEP
MPT
$'$
FOUSBO
FO
MB
FTUSBUPTGFSB
FM
P[POP
TF
EFTUSVZF
1SJNFSP
MPT
$'$
SFBDDJPOBO
DPO
MB
FOFSHÎB
MVNJOPTB
Z
MJCFSBO
DMPSP
6OB
GPSNB
FO
RVF
VO
$'$
SFBDDJPOB
FT CF2 Cl2 + hv −→ CF2 Cl + Cl

&M
DMPSP
BUÓNJDP
SFBDDJPOB
DPNP
VO
DBUBMJ[BEPS
BM
BDFMFSBS
MB
EFTUSVDDJÓO
EFM
P[POP Cl + O3 −→ ClO + O2 ClO + O −→ Cl + O2

Un solo átomo de Cl puede efectuar el ciclo miles de veces antes de reaccionar finalmente con algún otro compuesto químico, como el metano. La destrucción del ozono se observó por primera vez en la Antártida. Primero, la razón QBSFDÎB
TFS
VO
NJTUFSJP
MB
SFTQVFTUB
FO
BQBSJFODJB
FSB
VO
WÓSUJDF
QPMBS
RVF
TF
GPSNB
TPCSF
FM
Polo Sur durante el invierno. Esta masa giratoria de aire muy frío aísla el aire que se encuentra encima del polo del resto de la atmósfera. El vórtice desaparece durante la primavera, liberanEP
FM
BJSF
BUSBQBEP
&M
BJSF
FO
FM
WÓSUJDF
FT
FO
FYUSFNP
GSÎP
BMSFEFEPS
EF
m
ž$
Z
TF
GPSNBO


406

Capítulo 12 Calidad de aire nubes atmosféricas compuestas de cristales de hielo. En la superficie de estos cristales parecen PDVSSJS
MBT
TJHVJFOUFT
SFBDDJPOFT ClONO2 + H2 O −→ HOCl + HNO3 HOCl + HCl −→ Cl2 + H2 O ClONO2 + HCl −→ Cl2 + HNO3

$PO
MB
MMFHBEB
EF
MB
QSJNBWFSB
FM
DMPSP
TF
MJCFSB
Z
TF
EJWJEF
QPS
MB
MV[
DPNP
BOUFT Cl2 + hv −→ 2Cl

y el proceso de destrucción del ozono comienza de nuevo pero con una afluencia enorme de DMPSP
BMNBDFOBEP
FTUP
DBVTB
MB
GPSNBDJÓO
EFM
BHVKFSP
EF
P[POP
BOVBM
"
àOFT
EF
MB
QSJNBWFSB
fluye aire rico en ozono y el agujero se tapa de nuevo. El interés por la reducción del ozono estratosférico a nivel mundial es que la radiación ultravioleta puede causar daño a la piel, en particular cáncer en la misma. Las estimaciones QPS
MP
HFOFSBM
TVHJFSFO
RVF
VOB
EJTNJOVDJÓO
EF

FO
FM
P[POP
EBSÎB
DPNP
SFTVMUBEP
VO
JODSFNFOUP
EF

FO
FM
DÃODFSEF
QJFM
RVF
OP
FT
NFMBOPNB
-B
SFMBDJÓO
FOUSF
MPT
OJWFMFT
EF
0 y el melanoma, la forma más letal de cáncer en la piel, es incierta. Las personas que tienen más riesgo son aquellas que tienen la piel blanca y permanecen en el Sol demasiado tiempo. Además del cáncer en la piel, el aumento en la radiación ultravioleta puede dañar los ojos, suprimir el sistema inmunitario e incluso reducir la fotosíntesis de las plantas. Los cambios en los ecosistemas naturales, como la misteriosa enfermedad que padecen las ranas de agua dulce, pueden atribuirse al aumento en la incidencia de la radiación ultravioleta. -B
SFEVDDJÓO
EF
MPT
$'$
FO
MB
FTUSBUPTGFSB
PCWJBNFOUF
SFRVJFSF
VO
FTGVFS[P
NVMUJOBDJPnal y es un caso raro en que muchas naciones se han unido para reducir el efecto de la contaNJOBDJÓO
HMPCBM
&TUF
QSPDFTP
UPNÓ
BMHÙO
UJFNQP
QPS
TVQVFTUP
-PT
$'$
TF
JOWFOUBSPO
FO
MB
EÊDBEB
EF

Z
OP
GVF
TJOP
IBTUB
MB
EF

RVF
MB
64&1"
MPT
QSPIJCJÓ
FO
MPT
BFSPTPMFT
OP
FTFODJBMFT
&O

MPT
DJFOUÎàDPT
QSFEJKFSPO
RVF
MPT
$'$
SFEVDJSÎBO
FM
P[POP
QFSP
UFOESÎBO
RVF
QBTBS

BÒPT
BOUFT
EF
RVF
MPT
NFUFPSÓMPHPT
JOHMFTFT
FO
FM
1PMP
4VS
EFTDVCSJFSBO
FM
BHVjero de ozono y de que el público se interesara. Esta preocupación se tradujo en el Acuerdo de .POUSFBM
FO

RVF
CVTDBCB
SFEVDJS
FO
GPSNB
WPMVOUBSJB
MPT
$'$
FO

QBSB

Z
MVFHP
FMJNJOBSMPT
HSBEVBMNFOUF
B
VOB
UBTB
BDFMFSBEB
%V1POU
FM
GBCSJDBOUF
NÃT
HSBOEF
EF
$'$
EFKÓ
EF
GBCSJDBSMPT
EF
NBOFSB
WPMVOUBSJB
FO

4JO
FNCBSHP
NVDIPT
TJTUFNBT
EF
SFGSJHFSBDJÓO
DPNP
MPT
BDPOEJDJPOBEPSFT
EF
BJSF
EF
MPT
BVUPNÓWJMFT
SFRVFSÎBO
$'$
BTÎ
RVF
TVT
FYJTUFODJBT
SFTUBOUFT
TF
DPUJ[BSPO
NVDIP
)VCP
VO
DPOUSBCBOEP
DPOTJEFSBCMF
EF
$'$
IBDJB
&TUBEPT
6OJdos antes de que los sistemas de refrigeración se adaptaran a otros refrigerantes.

12.3.4

Calentamiento global (cambio climático)

-B
5JFSSB
BDUÙB
DPNP
VO
SFáFDUPS
EF
MPT
SBZPT
TPMBSFT
SFDJCF
MB
SBEJBDJÓO
EFM
4PM
SFáFKB
BMHP
de ella al espacio y absorbe el resto, sólo para irradiarla hacia el espacio como calor. En efecto, la Tierra actúa como un convertidor de onda al recibir la radiación de alta energía y alta frecuencia del Sol y convertir la mayor parte de ella en calor de baja energía y baja frecuencia que se irradia de vuelta al espacio. De esta manera la Tierra mantiene un equilibrio de temperatura, de modo que ⎡ Energía del Sol ⎤ ⎡ Energía irradiada de vuelta al espacio ⎤ ⎥ ⎢ ENTRADA ⎥ = ⎢ SALIDA ⎦ ⎦ ⎣ ⎣

12.3

Fuentes y efectos de la contaminación del aire

407

Ésta es una ecuación muy sencilla, así que debería ser posible modelar el cambio en la temperatura pues conocemos las variables primarias, como el tamaño de la Tierra, la energía que proviene del Sol, etcétera. Masters desarrolló un modelo así de sencillo, y gran parte de la siguiente exposición se le acredita. El modelo depende de un equilibrio de energía, como se señaló. Considere que la Tierra recibe luz del Sol. La cantidad de radiación que llega del Sol se calcula con base en la intensidad, llamada constante solar, S. Se ha encontrado que esta consUBOUF
FT
EF
BQSPYJNBEBNFOUF
 
8N2. El área que recibe esta radiación se mide como el área de la sombra de la Tierra, que se calcula como πR2, donde R es el radio de la Tierra. Otra forma de describir esto consiste en un círculo enfrente de nuestro planeta a través del cual debe pasar toda la radiación del Sol. La potencia con que la radiación solar golpea a la Tierra puede calcularse entonces como 2

B = SπR donde

B

QPUFODJB
B
MB
DVBM
MB
FOFSHÎB
EF
MB
MV[
TPMBS
HPMQFB
B
MB
5JFSSB
8 S

MB
DPOTUBOUF
TPMBS
FTUJNBEB
DPNP
 
8N2

Debido a que la Tierra es un reflector (¡por eso podemos verla desde el espacio!), algo de la energía luminosa se refleja. La fracción de energía reflejada se llama albedo, y se ha estimado RVF
FT
EF

0CWJBNFOUF
FM
BMCFEP
WBSÎB
DPO
MB
DVCJFSUB
WFHFUBM
FM
IJFMP
MB
OJFWF
Z
PUSBT
variables. Si el albedo promedio de la Tierra es a, entonces la cantidad de energía luminosa que se refleja al espacio es F = Sπ R 2 a

donde

F

FOFSHÎB
MVNJOPTB
RVF
TF
SFáFKB
BM
FTQBDJP
8 a

BMCFEP
P
MB
GSBDDJÓO
EF
MB
FOFSHÎB
MVNJOPTB
RVF
TF
SFáFKB
FTUJNBEP
DPNP


Usando el balance de energía, la cantidad de energía absorbida por la Tierra es la diferencia entre B y F, o A = Sπ R 2 (1 − a)

donde

A

FOFSHÎB
MVNJOPTB
BCTPSCJEB
QPS
MB
5JFSSB
8

Puesto que la Tierra es un convertidor de onda, la energía luminosa absorbida se convierte en calor. Todo objeto irradia energía en una cantidad proporcional a su área superficial y su temperatura absoluta a la cuarta potencia, o E = j AT 4

donde

E = energía irradiada de vuelta al espacio j

MB
DPOTUBOUF
EF
4UFGBO#PMU[NBOO


¤
m
8N2K T = temperatura absoluta, K

Al hacer algunas suposiciones bastante extravagantes, como que la temperatura de la Tierra es la misma en cualquier parte de la superficie y que la radiación es perfecta, podemos estimar que la energía calorífica irradiada de vuelta al espacio es E = j4π R 2 Te4

408

Capítulo 12 Calidad de aire donde Te = temperatura promedio de la Tierra, K Ahora tenemos una estimación de la cantidad de la energía (luminosa) que llega a la Tierra y la cantidad de energía (calorífica) emitida de vuelta al espacio, y esto tiene que estar en equilibrio, de modo que A= E Sπ R 2 (1 − a) = j4π R 2 Te4

3FTPMWJFOEP
QBSB
MB
UFNQFSBUVSB Te =

S(1 − a) 4j

1/4

Al sustituir algunos valores típicos, la temperatura de la superficie de la Tierra puede calcularse como Te =

(1,370 W/m2 )( 1 − 0.31) (4)( 5.67 × 10− 8 W/m2 K4 )

1/4

= 254 K = − 19 oC

1FSP
TBCFNPT
RVF
FO
QSPNFEJP
MB
UFNQFSBUVSB
EF
MB
5JFSSB
FT
EF
BMSFEFEPS
EF

ž$
y1PS
RVÊ
MB
FOPSNF
EJTDSFQBODJB
FO
FM
NPEFMP
4J
MB
UFNQFSBUVSB
EF
OVFTUSP
QMBOFUB
GVFSB
FO
FGFDUP
m
ž$
FOUPODFT
IBCSÎB
QPDB
WJEB
BRVÎ
BTÎ
RVF
EFCF
IBCFS
BMHÙO
FSSPS
FO
FM
NPEFMP
3FTVMUB
RVF
el error es que se ignoró algo de la reflexión de calor de la atmósfera terrestre. La atmósfera es como un invernadero que permite que pase la luz pero impide que algo del calor escape de vuelta al espacio, y esto se conoce apropiadamente como efecto invernadero. Es importante darse cuenta de que este efecto invernadero tiene lugar en una atmósfera sin contaminación (de las personas) y ha ocurrido por miles de años. Es el que mantiene a la 5JFSSB
ž$
NÃT
DBMJFOUF
EF
MP
RVF
EF
PUSB
NBOFSB
FTUBSÎB
Z
FT
SFTQPOTBCMF
QPS
MPT
DMJNBT
UFNplados que ayudan a que la vida se desarrolle. $BTJ
UPEB
MB
FOFSHÎB
MVNJOPTB
UJFOF
VOB
MPOHJUVE
EF
POEB
NFOPS
RVF

•
4JO
FNCBSHP
MB
FOFSHÎB
DBMPSÎàDB
RVF
TBMF
UJFOF
VO
FTQFDUSP
NVZ
EJGFSFOUF
TV
MPOHJUVE
EF
POEB
FT
NBZPS
RVF

•
Por esta razón con frecuencia nos referimos a la energía luminosa que proviene del Sol como de longitud de onda corta de alta frecuencia, y a la energía calorífica emitida al espacio como de longitud de onda larga de baja frecuencia. La atmósfera de la Tierra está formada por varios gases y cada uno de ellos absorbe energía calorífica en longitudes de onda específicas. El dióxido de carbono no absorbe casi nada de la luz solar que llega a la Tierra debido a que su efecto de absorción es más pronunciado en MPOHJUVEFT
EF
POEB
NBZPSFT
RVF

•
DPO
MP
RVF
GBMUB
MB
NBZPS
QBSUF
EFM
FTQFDUSP
EF
MB
MV[
TPMBS
TJO
FNCBSHP
QVFEF
BCTPSCFS
FOFSHÎB
FO
GPSNB
FàDB[
FO
MBT
GSFDVFODJBT
OPSNBMFT
QBSB
MB
radiación de calor desde la Tierra. Lo mismo sucede con el vapor de agua, el metano y el óxido OJUSPTP
&M
NFUBOP
FO
FTQFDJBM
UJFOF
VOB
iQSPUVCFSBODJBu
NVZ
HSBOEF
B
BQSPYJNBEBNFOUF

•
que está muy cerca del máximo del espectro de energía calorífica y, por tanto, los aumentos pequeños en el CH tienen efectos significativos en la capacidad de la Tierra para retener la energía calorífica mientras que nada hacen para proteger al planeta de la energía luminosa. El aumento en la concentración de los llamados gases invernadero constituye el problema con el cambio de temperatura global, en forma parecida al incremento en el nivel de fósforo en los lagos que causa la eutroficación.

12.3

Fuentes y efectos de la contaminación del aire

409

Aunque es bastante fácil medir las concentraciones de gases invernadero, como CO2, CH y N20
Z
NPTUSBS
RVF
MPT
OJWFMFT
EF
ÊTUPT
TF
IBO
JODSFNFOUBEP
EVSBOUF
MPT
QBTBEPT

años, otra cuestión es afirmar a partir de la evidencia empírica que este incremento causa los aumentos en la temperatura de la Tierra, misma que experimenta un cambio continuo, con frecuencias de fluctuación que van desde algunos años hasta miles de años. Sin embargo, casi hay consenso entre los científicos acerca de que los seres humanos provocamos los incrementos actuales en la temperatura, lo que resulta en el fenómeno conoDJEP
DPNP
DBMFOUBNJFOUP
HMPCBM
0CTFSWF
RVF
MB
GSBTF
iDBNCJP
DMJNÃUJDPu
TF
QSFàFSF
DBEB
WF[
NÃT
RVF
MB
EF
iDBMFOUBNJFOUP
HMPCBMu
EFCJEP
B
RVF
DPNVOJDB
RVF
IBZ
DBNCJPT
BEFNÃT
de la elevación de las temperaturas.) La controversia primaria que continúa se refiere a los impactos probables y qué hacer, en todo caso. Las opiniones de las personas se encuentran a lo largo de todo el espectro. Algunas todavía creen que el calentamiento global es un GFOÓNFOP
OBUVSBM
RVF
OP
FT
VO
QSPCMFNB
PUSBT
DSFFO
RVF
MPT
TFSFT
IVNBOPT
TPO
VO
GBDUPS
DBVTBOUF
QFSP
RVF
FM
DBMFOUBNJFOUP
HMPCBM
FO
SFBMJEBE
OP
JNQPSUB
PUSBT
QJFOTBO
RVF
FT
VOB
catástrofe en ciernes que requiere acción urgente, y otras más están convencidas de que es una catástrofe inevitable y es demasiado tarde para hacer algo al respecto. Pero hay un impulso creciente del gobierno y la industria para emprender la acción, encontrar formas de medir y reducir en forma significativa las emisiones a fin de disminuir los impactos. Lo más notable sobre el calor global podría ser que ha sido muy constante durante millones de años. De alguna manera la Tierra ha sido capaz de desarrollar las condiciones térmicas adecuadas para la creación y el sostenimiento de la vida. AL especular sobre esta idea, James Lovelock sugirió la hipótesis de Gaia, que la Tierra es en realidad una sola entidad (Madre Naturaleza) que vive en forma parecida a cualquier otra criatura y que tiene que adaptarse a las condiciones cambiantes además de luchar contra las enfermedades.
&M
OPNCSF
i(BJBu
QSPWJFne del nombre griego para la diosa de la Tierra cuidadora. Algunos gaianos han interpretado esta noción en su sentido más amplio y más espiritual, adoptando la visión de que la Tierra es en realidad un organismo, aunque extraño, y que tiene muchas características de otros organismos. Otros (incluyendo a James Lovelock, quien está un poco avergonzado por este asunto de Gaia) consideran la hipótesis sólo como un modelo de respuesta de retroalimentación y no le atribuyen misticismo. Pero suponga que los seres humanos simplemente son una parte de un organismo viviente completo, la Tierra, en forma muy similar a las células cerebrales que forman una parte de un animal. Si esto es cierto, entonces no tiene sentido destruir nuestro propio cuerpo y, por consiguiente, tampoco que los seres humanos destruyan al resto de las criaturas que cohabitan la Tierra. Pensar en nuestro planeta como un organismo vivo sugiere un enfoque espiritual más que científico, en especial si se toma en forma literal. Si aceptamos esta noción, pueden resultar algunas extensiones interesantes. Uno podría especular (¡y esto es puro capricho!) que la Tierra (Gaia) se desarrolla todavía y pasa por sus etapas adolescentes. De manera más notable, no ha fijado el equilibrio del carbono. Hace millones de años, la mayor parte del carbono en la Tierra estaba en la atmósfera como dióxido de carbono, y la preponderancia de CO2 promovió el desarrollo de las plantas. Pero conforme éstas crecieron, comenzaron a robar el dióxido de carbono de la atmósfera, reemplazándolo con oxígeno. Este cambio en los gases atmosféricos aceleró el crecimiento de los animales, que convirtieron el oxígeno otra vez en dióxido de carbono, una vez más buscando un equilibrio. Por desgracia, Gaia cometió un error y no contaba con que los animales murieran en cantidades tan enormes, atrapando el carbono en depósitos geológicos profundos que con el tiempo se convirtieron en carbón, petróleo y gas natural. ¿Cómo extraer este carbono? Lo que se necesita es algún ser semi-inteligente con dedos opuestos. ¡Así que Gaia inventó a los seres humanos! Por consiguiente es posible afirmar que

410

Capítulo 12 Calidad de aire nuestro único propósito en la Tierra es excavar los depósitos de carbono lo más rápido posible y liberar el dióxido de carbono. Éste es el largamente buscado significado de la vida. Por desgracia, Gaia lo estropeó de nuevo y no contó con que los seres humanos se volvieran tan prolíficos y destructivos, y en especial con que inventaran la energía nuclear, que elimina su único propósito para existir. El simple número de seres humanos (sobre todo si no van a excavar para sacar el carbono) se convierte en un problema, del mismo modo que una bacteria patógena causa una infección en un organismo. No es una coincidencia que el aumento de la población humana en la Tierra no sea tan distinta del crecimiento de las células cancerosas en una malignidad. Así que a continuación Gaia tiene que limitar el número de seres humanos, y lo hará desarrollando antihumáticos (como en los antibióticos) que matarán un número suficiente de humanos y una vez más darán a la Tierra un equilibrio apropiado. El aumento en las cepas altamente resistentes de bacterias y virus pueden ser los primeros indicios de una selección general de la población humana. -B
BQMJDBDJÓO
EF
MB
IJQÓUFTJT
EF
(BJB
B
MB
ÊUJDB
BNCJFOUBM
DPOEVDF
BM
FYJTUFODJBMJTNP
MB
idea de que la vida carece de sentido (excepto como un quemador de combustibles fósiles) y que uno no debería preocuparse por el ambiente. Algo sombrío.

12.3.5

Otras fuentes de contaminantes del aire

Los procesos de combustión crean diversos contaminantes del aire. Los óxidos de nitrógeno se forman por la fijación térmica de nitrógeno atmosférico en procesos de alta temperatura. En consecuencia, casi cualquier operación de combustión producirá óxido nítrico (NO). Otros contaminantes de interés a partir de procesos de combustión son los ácidos orgánicos, aldehídos, amoniaco y monóxido de carbono. La cantidad de monóxido de carbono emitido se SFMBDJPOB
DPO
MB
FàDJFODJB
EF
MB
PQFSBDJÓO
EF
DPNCVTUJÓO
FT
EFDJS
VOB
RVF
TFB más eficiente oxidará más del carbono presente a dióxido de carbono, reduciendo la cantidad de monóxido de carbono emitido. De los combustibles que se usan en la combustión estacionaria, el gas natural no contiene casi nada de azufre, y las emisiones de partículas son casi nulas. Las fuentes en la transportación, en particular los automóviles con motores de combustión interna, constituyen un medio importante de contaminación del aire. Las emisiones de partículas del automóvil incluyen humo y antes también partículas de plomo, este último por lo general como compuestos halogenados. Las emisiones de humo, como en cualquier otra operación de combustión, se deben a la quema incompleta de material carbonáceo. Por otra parte, las emisiones de plomo se relacionan en forma directa con la adición de plomo tetraetilo al combustible como un compuesto antidetonante, que fue abandonado con éxito. Los contaminantes gaseosos de fuentes en la transportación contienen monóxido de carbono, óxidos de nitrógeno e hidrocarburos. Las emisiones de hidrocarburos resultan de la combustión incompleta y la evaporación del cárter, el carburador y el tanque de gasolina. Las emisiones contaminantes de los procesos industriales reflejan el ingenio de la tecnología industrial moderna. Por tanto, casi todas las formas imaginables de contaminantes son emitidas en cierta cantidad por alguna operación industrial. Aunque las operaciones de eliminación de residuos sólidos no tiene ser una de las principales fuentes de contaminantes del aire, algunas comunidades todavía permiten que se RVFNFO
FO
FM
QBUJP
USBTFSP
PUSBT
VTBO
JODJOFSBEPSFT
QBSB
TV
NBOFKP
2VFNBSMPT
ZB
TFB
FO
FM
patio trasero o en incineradores, es una acción que intenta reducir su volumen pero a cambio puede producir una variedad de contaminantes del aire difícil de controlar. Los sistemas inFàDJFOUFT
DPOUSJCVZFO
DPO
NVDIPT
DPOUBNJOBOUFT
BMHVOPT
DPO
PMPSFT
JOEFTFBCMFT
FOUSF
FMMPT
se encuentran el monóxido de carbono, pequeñas cantidades de óxidos de nitrógeno, ácidos orgánicos, hidrocarburos, aldehídos y humo. Los rellenos sanitarios, que se usan mucho para

12.3

Fuentes y efectos de la contaminación del aire

411

disponer de los residuos sólidos municipales, generan grandes cantidades de metano además de otros contaminantes del aire.

12.3.6

Aire en interiores

Un problema difícil para la USEPA ha sido el control de la calidad del aire en interiores. ¿Su mandato incluye el ambiente de interiores y debería, en efecto, convertirse en una dependencia de salud o limitar su preocupación al aire exterior? Desde el punto de vista pragmático, si no aborda los problemas del aire en interiores, ninguna otra dependencia federal parece estar lista para hacerlo. La calidad del aire en interiores es importante para la salud simplemente porque pasamos demasiado tiempo en interiores y la calidad del aire que respiramos rara vez se supervisa. El aire de interiores contaminado puede causar cualquier cantidad de problemas de salud, como irritación de los ojos, jaquecas, náusea, estornudos, dermatitis, acidez estomacal, modorra y muchos otros síntomas. Estos problemas pueden surgir como resultado de la inhalación de contaminantes perjudiciales, como r
BTCFTUPT
EF
QJTPT
JODPNCVTUJCMFT
Z
EF
WJOJMP r
NPOÓYJEP
EF
DBSCPOP
EFM
UBCBRVJTNP
MPT
DBMFGBDUPSFT
Z
MBT
FTUVGBT r
GPSNBMEFIJEP
EF
BMGPNCSBT
UFKBT
QBSB
FM
UFDIP
Z
QBOFMFT r
QBSUJDVMBEPT
EFM
UBCBRVJTNP
MBT
DIJNFOFBT
Z
FM
QPMWP r
ÓYJEPT
EF
OJUSÓHFOP de estufas de queroseno y estufas de gas r
P[POP
EF
NÃRVJOBT
GPUPDPQJBEPSBT r
SBEÓO
EF
MB
EJGVTJÓO
EFM
TVFMP r
EJÓYJEP
EF
B[VGSF
EF
DBMFOUBEPSFT
EF
RVFSPTFOP r
PSHÃOJDPT
WPMÃUJMFT
EFM
UBCBRVJTNP
MBT
QJOUVSBT
MPT
TPMWFOUFT
Z
MB
DPDDJÓO Aunque el intercambio y la limpieza del aire en los edificios de oficinas y muchos departamentos están controlados, las residencias privadas por lo general dependen de la ventilación natural para proporcionar el intercambio de aire. La mayoría ía de las casas, de hecho, están mal selladas y presentan fugas de aire en muchos lugares, como a través de puertas y ventanas, rejillas de ventilación y chimeneas. En el clima cálido algunos hogares también tienen ventilación forzada, con ventiladores centrales o de ventana individuales. Al calcular la ventilación de cualquier recinto, como un hogar u oficina, los ingenieros usan el concepto de cambio de aire, que se define como a=

donde

EJEMPLO 12.5

Q V

a

OÙNFSP
EF
DBNCJPT
EF
BJSF
QPS
IPSB
I Q = velocidad de flujo de aire, mI V = volumen del recinto, m

Problema Una habitación pequeña se usa para una máquina copiadora y existe la preocupación de que el nivel de ozono sea demasiado alto a menos que la habitación esté ventilada. El WPMVNFO
EF
MB
NJTNB
FT
EF

QJFT y se recomienda que el número de cambios de aire por IPSB
TFB
EF

y2VÊ
áVKP
EF
BJSF
EFCF
QSPQPSDJPOBS
FM
WFOUJMBEPS

412

Capítulo 12 Calidad de aire Solución
%F
MB
FDVBDJÓO
BOUFSJPS Q = (a)( V )

$BQBDJEBE
EF
NBOFKP
EF
BJSF
EFM
WFOUJMBEPS


Im 
QJFT

 
QJFTI

La emisión de contaminantes del aire interior puede analizarse con facilidad usando la técnica de la caja negra, sobre todo debido a que un recinto es literalmente una caja. Los contaminantes se emiten dentro de la caja y se mezclan de manera completa e ideal mientras entra aire limpio y expulsa el aire contaminado. El balance de materia en términos de los contaminantes es ⎡ Cantidad de ⎤ ⎡ Cantidad de ⎤ ⎡ Cantidad de ⎤ ⎢ contaminantes ⎥ = ⎢ contaminantes ⎥ − ⎢ contaminantes ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎢⎣ ACUMULADA ⎥⎦ ⎢⎣ ENTRADA ⎥⎦ ⎢⎣ SALIDA ⎥⎦ ⎡ Cantidad de ⎤ ⎡ Cantidad de ⎤ + ⎢⎢ contaminantes ⎥⎥ − ⎢⎢ contaminantes ⎥⎥ ⎢⎣ PRODUCIDA ⎥⎦ ⎢⎣ CONSUMIDA ⎥⎦ Si se supone un estado estable, entonces el primer término es cero. Es posible suponer que el segundo término es cero si el aire entrante está limpio y si los contaminantes no se consumen, FM
ÙMUJNP
UÊSNJOP
TF
SFUJSB
1PS
UBOUP 


¢

¢
 El flujo de contaminantes que salen es igual a M = C Q = CaV

donde

M

áVKP
NÃTJDP
EFM
DPOUBNJOBOUF
RVF
EFKB
FM
DVBSUP
NHI C

DPODFOUSBDJÓO
EF
DPOUBNJOBOUFT
FO
FM
DVBSUP
NHN a

áVKP
EF
DBNCJP
EF
BJSF
I V = volumen del recinto, m

El flujo de contaminantes que se produce se llama fuerza de la fuente, S, expresada como miligramos (mg) de contaminantes emitidos por hora. Del balance de materia, la concentración del contaminante en la habitación y en el aire que sale es entonces C=

EJEMPLO 12.6

S aV

Problema
-BT
QFSTPOBT
FO
VOB
IBCJUBDJÓO

QJFT
¤

QJFT
¤

QJFT
GVNBO
EF
NPEP
RVF
FO
promedio hay un cigarrillo quemándose todo el tiempo. Si el flujo de emisión de un cigarrillo FT
EF

NHI
EF
$0
Z
TJ
MB
WFOUJMBDJÓO
FT
EF

DBNCJP
QPS
IPSB
yDVÃM
FT
FM
OJWFM
EF
$0
FO
la habitación? Solución C=

S 86 mg/h = = 0.096 mg/pies 3 aV (0.5/h )( 15 pies )( 15 pies)( 8 pies )

12.3

Fuentes y efectos de la contaminación del aire

413

&TUP
TF
DPOWJFSUF
B
 
•HN. ¿Ésta es una concentración por la que debería haber QSFPDVQBDJÓO
3FNÎUBTF
B
MB
àHVSB


Si el contaminante se descompone o se elimina al adherirse a las superficies, entonces no FT
QPTJCMF
TVQPOFS
RVF
FM
UÊSNJOP
i$0/46.*%0u
TFB
DFSP
&T
QPTJCMF
JOGFSJS
RVF
MB
EFTDPNposición o eliminación del contaminante es de primer orden, o proporcional a la concentración FO
FM
SFDJOUP
DBQÎUVMP
 
%FM
NJTNP
NPEP
TJ
MB
WFOUJMBDJÓO
EF
BJSF
OP
FTUÃ
QFSGFDUBNFOUF
MJNQJB
Z
DPOUJFOF
BMHP
EFM
DPOUBNJOBOUF
FM
UÊSNJOP
i&/53"%"u
OP
QVFEF
TFS
DFSP
-B
FDVBDJÓO
de estado estable debe leerse entonces 




0 = C0 aV − CaV + S − K C V

o C=

S/V + C0 a a+ K

donde C = calidad del aire ambiente, aire que se usa para ventilación a = flujo de cambio de aire V = volumen del recinto C = concentración del recinto o escape S = fuerza de la fuente K = constante de descomposición Uno de los contaminantes del aire en interiores más insidioso es el humo secundario de cigarrillos y pipas. La mayor parte de las partículas de un cigarrillo se emiten a la habitación sin que el fumador las inhale, y entonces éstas son inhaladas por todas las personas que se encuentren dentro. El humo de los cigarrillos también contiene cantidades altas de CO y cuando varias personas fuman en una habitación, el nivel de CO puede elevarse tanto que afecte el desempeño. Una de las habitaciones más pequeñas en las que vivimos por lo común es nuestro automóvil, y los fumadores de cigarrillos pueden afectar de manera significativa el nivel de CO en un vehículo. Los fumadores exhalan niveles altos de CO aun cuando no estén fumando y el síndrome de conductor soñoliento se ha atribuido a esto. Otro contaminante del aire en interiores importante y problemático es el radón, un gas emitido en forma natural que entra a los hogares por los sótanos, el agua de pozo e incluso los materiales de construcción. El radón y sus descendientes radiactivos son parte de la cadena de descomposición natural que comienza con el uranio y termina con el plomo. Los productos de la descomposición del radón (polonio, plomo y bismuto) son inhalados con facilidad y pueden encontrar un camino hasta los pulmones. Por consiguiente el efecto más importante del radón sobre la salud es el cáncer de pulmón. El control del radón se expone con más detalle FO
FM
DBQÎUVMP
 No hay un medio eficaz para correlacionar la inhalación del gas radón con la incidencia de cáncer de pulmón y todos los estudios dependen de las tasas de exposición muy altas, como en el caso de los mineros que extraen uranio. Hablando relativamente, sin embargo, el riesgo del radón en el hogar es considerable cuando se compara con otras fuentes potenciales de cáncer. Debido a que es un carcinógeno se considera que no tiene umbral, y por consiguiente no hay un nivel seguro de radón en el hogar. No obstante, la USEPA recomienda que los

414

Capítulo 12 Calidad de aire SFTJEFOUFT
RVF
WJWBO
FO
IPHBSFT
RVF
DPOUFOHBO

Q$J-
QJDP
DVSJFT
EF
SBEÓO
QPS
MJUSP
EF
BJSF
emprendan alguna acción correctiva. La acción mitigante por lo general implica el sellado del sótano y otras áreas de contacto con el suelo, así como su ventilación para prevenir que el gas se filtre por los pisos de arriba hasta las habitaciones. 4F
FTUJNB
RVF
FM
SJFTHP
EF
DPOUSBFS
DÃODFS
EF
QVMNÓO
QPS
WJWJS
EVSBOUF

BÒPT
FO
VOB
DBTB
RVF
DPOUFOHB

Q$J-
FT
EF
BQSPYJNBEBNFOUF
 Es un riesgo alto cuando se comQBSB
DPO
PUSPT
DBSDJOÓHFOPT
SFHVMBEPT
RVF
TF
FODVFOUSBO
FO
FM
SBOHP
EF

×
m
-B
FYQPsición al radón, de hecho, se clasifica alta en la lista de áreas problema de la USEPA, y es la DBVTB
EF
 
NVFSUFT
QPS
DÃODFS
EF
QVMNÓO
BM
BÒP Aunque esto parece representar un problema importante, el riesgo de radón por año todavía palidece cuando se compara con los riesgos voluntarios que nos imponemos nosotros mismos todos los días, como conducir automóviles, beber alcohol y fumar. De hecho, vivir TJFNQSF
FO
VO
IPHBS
FO
FM
RVF
IBZB
FOUSF

Z

Q$J-
SFQSFTFOUB
VO
SJFTHP
FRVJWBMFOUF
B
fumar un paquete de cigarrillos por día.

12.4

ESTÁNDARES DE LA CALIDAD DEL AIRE En el transcurso de la historia las comunidades locales no han promulgado ordenanzas estrictas contra la contaminación del aire por temor a alejar a la industria. Mientras haya lugares más baratos y menos restrictivos, las plantas industriales amenazarán con abandonar la ciudad, llevándose con ellos los empleos, tan necesarios. En Estados Unidos sólo la legislación federal ha sido capaz de prevenir este tipo de chantaje. Pero aun con la legislación federal vigente, la industria tiene la opción de mudarse al extranjero, a China o América Latina, donde las regulaciones para el control de la contaminación no son tan rigurosas. Ésta parece ser una tendencia claramente carente de ética, transportar la contaminación a otros países menos capaces de resistirla. Por otra parte, Estados Unidos se volvió rico, en parte, debido a que fue capaz de producir mejores artículos a precios más bajos, y una razón para el bajo costo era que no se preocupaba por la contaminación. El agua y el aire eran gratuitos, y había tanta abundancia de ellos que limpiarlos tenía poco sentido. La naturaleza parecía hacer un buen trabajo por sí sola. Ahora los países considerablemente más pobres que Estados Unidos dicen que les gustaSÎB
WPMWFSTF
JHVBM
EF
SJDPT
Z
VTBS
TV
BHVB
Z
TV
BJSF
EF
MB
NJTNB
NBOFSB
FT
EFDJS
DPOUBNJOÃOdolos. Dan la bienvenida a la industria estadounidense que promete construir plantas en sus países y declinan la implementación de regulaciones estrictas contra la contaminación. ¿Cuál debería ser la postura ética de la industria estadounidense en este caso? Si rehúsa invertir en los países más pobres, éstos se ven privados de ingresos y beneficios, y la brecha entre las naciones pobres y las ricas se ampliará. Si, por otro lado, invierte en ellos y construye instalaciones manufactureras, debe tener alguna ventaja, como regulaciones mínimas para el control de la contaminación, para que su inversión valga la pena y, por tanto, el aire y el agua TF
DPOUBNJOBSÃO
IBTUB
MP
RVF
DPOTJEFSBSÎBNPT
OJWFMFT
JOBDFQUBCMFT
y2VÊ
SFTQPOTBCJMJEBE
ÊUJDB
tiene (si tiene alguna) la industria para implementar los estándares de control de la contaminación estadounidense en sus instalaciones ubicadas en los países que no los requieren?

12.4.1

Legislación sobre la calidad del aire en Estados Unidos

La historia de los estándares de calidad del aire ha sido larga y con frecuencia tumultuosa. Al principio toda la contaminación del aire se consideró como la constituida por humo y la QSJNFSB
MFHJTMBDJÓO
RVF
SJHJÓ
FM
IVNP
GVF
BQSPCBEB
FO
-PT
¦OHFMFT
FO

-PT
¦OHFMFT
TF
sitúa en una cuenca que con frecuencia se cubre con una inversión térmica, y aun desde los días

12.4

Estándares de la calidad del aire

415

de los conquistadores era evidente que el humo de las fogatas se elevaba sólo hasta un nivel establecido y permanecía ahí. 1BSB

FM
OÙNFSP
EF
BVUPNÓWJMFT
FO
-PT
¦OHFMFT
IBCÎB
BVNFOUBEP
EF
UBM
NPEP
RVF
experimentaron el primer esmog fotoquímico del mundo. Al principio se pensó que este feOÓNFOP
TF
EFCÎB
B
MBT
JOEVTUSJBT
Z
FSB
ÙOJDP
TF
SFRVJSJFSPO
NVDIPT
BÒPT
QBSB
RVF
BNCPT
mitos se esclarecieran. Los angelinos simplemente no deseaban creer que sus muy amados automóviles eran la causa de ese aire tan pútrido. Era obvio que algo había que hacer respecto a las emisiones de los vehículos. Sin embargo, ésta fue una batalla cuesta arriba clásica para los científicos y reguladores. El grupo de presión del automóvil, que incluye a los fabricantes, la industria petrolera y las personas que deseaban contar con transportación personal barata, se enfrascó en una batalla ahora notoria de reticencia, negación y ofuscación. Lanzaron campañas de relaciones públicas y cabildeo para prevenir o disminuir cualquier manipulación con los automóviles o los combustibles. Cuando al final se hizo evidente que todo ese esmog en Los Ángeles se debía en efecto en su mayor parte a los motores de combustión interna, la industria insistió en que éste era un caso especial y que no se necesitaba una legislación nacional. El esmog fotoquímico no se presentaba en ningún otro lugar, afirmaban. Por último, cuando se hizo evidente que tanto California como Estados Unidos estaban a punto de aprobar la legislación rectora de la tecnología que restringía las emisiones de los automóviles, la industria automotriz estadounidense se lamentó sobre su incapacidad para cumplir con estas metas y porque los vehículos se volverían inconducibles. Gran parte de su grandilocuencia se desinfló cuando Honda presentó un vehículo que ¡no sólo cumplía con todos los SFRVFSJNJFOUPT
EF
FNJTJPOFT
FTUSJDUPT
TJOP
UBNCJÊO
SFOEÎB

NJMMBT
QPS
HBMÓO
EF
HBTPMJOB -B
-FZ
EFM
"JSF
-JNQJP
$MFBO
"JS
"DU
EF

VOB
MFHJTMBDJÓO
JNQPSUBOUF
RVF
QPS
QSJmera vez establecía límites para las emisiones y la calidad del aire ambiente, se aprobó en gran parte debido a los esfuerzos del senador Edmund Muskie, de Maine. Requería que el gobierno federal fijara estándares de calidad del aire ambiente para siete contaminantes principales. ­TUPT
TF
JNQMFNFOUBSPO
IBTUB

Z
TF
QFSNJUJÓ
B
MPT
FTUBEPT
DVNQMJSMPT
IBTUB

1BSB
no alargar esta historia horripilante, baste decir que muchos estados todavía deben cumplir tales estándares y la ciudad de Los Ángeles quizá tenga que recurrir a medidas extremas para reducir su esmog fotoquímico. -BT
FONJFOEBT
EF

B
MB
-FZ
EFM
"JSF
-JNQJP
BHSFHBSPO
NÃT
EF

NBUFSJBMFT
QFMJgrosos (ahora conocidos como tóxicos del aire) a los estándares de calidad del aire ambiente y requerían reducciones significativas en las emisiones de azufre y óxidos de nitrógeno, precursores de la lluvia ácida. La ley también extendió la fecha límite para cumplir con el estándar EF
P[POP
BNCJFOUF
IBTUB
FM
BÒP

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BÒPT
EFTEF
MB
-FZ
EFM
"JSF
-JNQJP
PSJHJOBM
EF


12.4.2

Estándares de emisiones y calidad del aire ambiente

Los estándares de emisiones son regulados (y en su mayor parte, establecidos) por las oficinas de calidad del aire estatales individuales. Como ejemplo de un estándar de emisión, tal vez no se permita que un incinerador exceda las emisiones de X
•HN de partículas a un nivel mínimo de CO2 especificado. El último es necesario porque las concentraciones de partículas pueden reducirse simplemente diluyendo con exceso de aire. Pero debido a que el aire contiene CO2 despreciable, el nivel mínimo de CO2 previene el logro del estándar de emisión por simple dilución. La USEPA también tiene la autoridad para establecer estándares nacionales de desempeño de las emisiones para contaminantes del aire peligrosos. La lista de contaminantes se amplía en forma continua y una vez que se enlista un contaminante, la USEPA puede imponer los estándares de emisiones para las instalaciones grandes. En el presente se listan cientos de sustancias químicas, como asbestos, benceno, etilenglicol, metanol, fenol, estireno y cloruro de vinilo.

416

Capítulo 12 Calidad de aire El segundo tipo de estándares de calidad del aire es análogo a los de corriente en la calidad del agua y especifica la calidad mínima del aire ambiente. Se incluyen partículas, dióxido de azufre, monóxido de carbono, oxidantes fotoquímicos, hidrocarburos, óxidos de nitrógeno y plomo. Conforme se disponga de más datos otros estándares se desarrollarán. En forma similar a los estándares para el agua potable, los de la calidad del aire ambiente TPO
EF
EPT
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QSJNBSJPT
Z
TFDVOEBSJPT
-PT
QSJNBSJPT
QSFUFOEFO
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MB
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humana mientras los secundarios abordan otros problemas, como la corrosión, la salud animal Z
MB
WJTJCJMJEBE
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MPT
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EF
DBMJEBE
EFM
BJSF
BNCJFOUF
/""24
national ambient air quality standards) vigentes para seis contaminantes principales que se denominan contaminantes criterio. -BT
ÃSFBT
FO
&TUBEPT
6OJEPT
EPOEF
MPT
/""24
TF
FYDFEFO
FO
QSPNFEJP
NÃT
EF
EPT
veces al año para cualquiera de los contaminantes se conocen como áreas de no cumplimiento. En ellas deben iniciarse programas de control de la contaminación del aire para llevarlas de nuevo a la conformidad y las industrias que contemplan su expansión deben mostrar cómo pueden mejorar la calidad del aire al reducir otras emisiones. En algunas áreas se requiere que los automóviles cambien de combustible. Debido a que el motor de combustión interna es el contribuyente más común para la contaminación del aire, un reemplazo que use hidrógeno o electricidad sería una aportación significativa para tener un aire más limpio. Tabla 12.4 Estándares nacionales de calidad del aire ambiente* Contaminante y tiempo promedio

Estándar primario

Estándar secundario

35 ppm (40mg/m2) 9 ppm (10 mg/m3)

Ninguno Ninguno

CO 1h 8h Pb Rodante 3 mg promedio Trimestral NO2 Anual (media aritmética)

0.15 μg/m3 1.5 μg/m3

0.15 μg/m3 1.5 μg/m3

100 μg/m3

100 μg/m3

PM10** 24 h

150 μg/m3

150 μg/m3

PM2.5** 24 h Anual (media aritmética)

35 μg/m3 15.0 μg/m3

35 μg/m3 15.0 μg/m3

O3 1 h (para áreas de no cumplimiento de 8 h) 8 h (estándar de 2008) 8 h (estándar de 1997)

0.12 ppm

0.12 ppm

0.075 ppm 0.08 ppm

0.075 ppm 0.08 ppm

SO2 3h 24 h Anual (media aritmética)

Ninguno 0.14 ppm 0.03 pp

0.5 ppm (1300 μg/m3)

* Si le interesa, vea el sitio web de la USEPA para conocer notas de pie de página respecto al cálculo de las concentraciones de contaminantes para evaluar contra los estándares. ** “PM10” y “PM2.5” representan materia particulada menor que 10 μm y 2.5 μm de diámetro, respectivamente.

Problemas

417

PROBLEMAS


6O
BVUPNÓWJM
EF

TF
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QSPNFEJP
EF
 
NJMMBTNFT
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MB
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EF

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EF

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QBSB
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EF

HNJMMB
EF
$0 a) ¿Cuánto CO y HC se emitiría durante el año? b) ¿Cuánto tiempo tomaría exceder la concentración letal de CO en una cochera DPNÙO
QBSB
EPT
BVUPNÓWJMFT
EF

¤

¤

QJFT


4F
IB
EFNPTUSBEP
RVF
VO
OJWFM
EF

EF
$0
en hemoglobina (COHb) causa deterioro en la discriminación de los intervalos de tiempo. El nivel de CO en las calles citadinas hacinadas FO
PDBTJPOFT
MMFHB
B

•HN. Una relación aproximada entre el CO y el COHb (después de una exposición prolongada) es



$0)C




  $0
ĶHN )

¿A qué nivel de COHb se sometería un policía de tránsito durante un día de trabajo de dirigir el tráfico en una calle de la ciudad?


&M
FTNPH
GPUPRVÎNJDP
FT
VO
QSPCMFNB
HSBWF
FO
muchas ciudades grandes. a) Trace una gráfica que muestre la concentración de NO, NO2, HC y O en el área de Los Ángeles durante un día soleado con esmog. b) Trace otra gráfica que muestre cómo las mismas curvas aparecen en un día nublado. Explique la diferencia. c) Al parecer, la única forma factible de reducir la formación de esmog fotoquímico en Los Ángeles es impedir que los automóviles entren a la ciudad. Trace las mismas curvas como aparecerían si todos los automóviles se prohibieran en las calles de LA. d) ¿Sucedería esto alguna vez? ¿Por qué sí o por qué no?


1SPQPSDJPOF
USFT
FKFNQMPT
EF
TJOFSHJTNP
FO
MB
contaminación del aire.


4J
FM
402 es tan soluble en agua, ¿cómo puede llegar a los confines más profundos del pulmón sin disolverse primero en el moco?




6O
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IJWPM
MJNQJP
QFTB

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Z
FM
àMUSP
TVDJP
QFTB

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WPMVNFO
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FO

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MB
concentración de partículas?


6O
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EF
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VOB
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QSPNFEJP
EF

QJFTNJO
4J
MB
MFDUVra de partíDVMBT
FT

•HN, ¿cuál fue el peso del polvo en el filtro?


*OWFTUJHVF
F
JOGPSNF
TPCSF
VOP
EF
MPT
FQJTPdios de contaminación del aire clásicos como los de Meuse Valley, Londres o Donora.


y2VÊ
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3JOHFMNBOO

TPCSF
FM
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RVF
emite una chimenea? 


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'JMUSP
TVDJP

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BJSF
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'MVKP
EF
BJSF
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DGN

5JFNQP

IPSBT a) y2VÊ
WPMVNFO
EF
BJSF
se puso a través del filtro? (Respuesta en pies cúbicos.) b) ¿Cómo se mide el flujo de aire en un hivol? c) ¿Cuál es el peso de las partículas ículas culas recolectadas? d)

y4F
FYDFEJFSPO
MPT
/""24


&M
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EF
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•HN. ¿Cuánto es esto en QQN
4VQPOHB

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EF

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DPODFOUSBDJÓO
EF
NPOÓYJEP
EF
DBSCPOP
FO
una habitación llena de humo puede llegar hasUB

QQN a)

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•HN? (Suponga meEJDJPOFT
EF

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b) y2VÊ
FGFDUP
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FTUP
FO
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QFSTPOBT
que se encuentran sentadas discutiendo de política por cuatro horas?

-B
àHVSB

NVFTUSB
FO
GPSNB
FTRVFNÃUJDB
el flujo de energía promedio global entre el espacio, la atmósfera y la superficie de la Tierra. Las unidades en esta figura se encuentran en watts por metro cuadrado de área superficial.

Capítulo 12 Calidad de aire

Atmósfera Radiación de la atmósfera a la superficie (344)

Radiación de la superficie al espacio (20)

Calor sensible (17)

Calor latente (80)

Espacio

Radiación de la superficie a la atmósfera (381) Radiación de la atmósfera al espacio (220)

Adsorción por la atmósfera (86) Adsorción por la superficie de la Tierra (154)

Reflexión por la superficie de la Tierra (14)

Radiación solar entrante (343) Reflexión por la atmósfera (89)

418

Figura 12.12 Flujos de energía promedio globales. Las unidades son watts por metro cuadrado de área superficial. (Por: Harte, J. (1985). Consider a Spherical Cow. Menlo Park, CA: Wm. Kaufman.)

a) Usando el espacio, la atmósfera y la Tierra como cajas negras, compruebe si los números representan balances válidos. b) Suponga que la Tierra experimentó la erupción de varios volcanes de gran tamaño, que arrojaron polvo a la atmósfera. ¿Cómo cambiarían estos números y qué efecto tendría un evento así en la temperatura terrestre? c) En vista de que la mayoría de los gases invernadero son emitidos en las naciones industrializadas en el hemisferio norte, ¿qué argumentos presentaría el director de una dependencia de protección ambiental en un país ecuatorial para argumentar por la reducción de las emisiones de gases invernadero? Escriba un breve comentario de radio para el director de la dependencia que él pudiera leer para la Radio Pública Nacional en Estados Unidos. Recuerde que la emoción no ganará tanto apoyo del público como un argumento ético sólido.




6OB
FTUVGB
EF
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¤

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EF

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FM
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EF
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BMDBO[B
 
NHN
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QFSNBOFDF
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QPS

IPSBT
4VQPOga que el aire de ventilación tiene un CO despreciable y que el CO no se descompone. a) ¿A qué velocidad de flujo emite CO la estufa? b) Si esta estufa se usa en una choza pequeÒB
RVF
NJEF

¤

¤

N
yDVÃM
TFSÎB
MB
concentración de CO en la choza? c) y2VFNBS
NBEFSB
FT
NFKPS
EFTEF
FM
QVOUP
de vista ambiental que usar gas natural o petróleo? Analice el uso de la madera como energía alternativa para calentar con base en el impacto y el costo ambientales supuestos.


&M
EJSFDUPS
HFOFSBM
EF
VOB
FNQSFTB
DPOTVMUPSB
BNCJFOUBM
QSPNJOFOUF
4UFWFO
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EF
#SPXO

$BMEXFMM
GVF
DJUBEP
EJDJFOEP
i5FOFNPT
que darnos cuenta de que todo el trabajo en el

Problemas área ambiental se hace debido al miedo. Éste a su vez conduce a la presión del público, la legislación y luego la aplicación de esa legislaciónu ¿Miedo de qué? ¿Piensa que tiene razón? De ser así, ¿este miedo está bien fundado? Si no, ¿qué motiva la legislación ambiental y su aplicación? Considere estas cuestiones a la luz de la historia de la legislación para el control de la contaminación del aire en Estados Unidos y escriba una exposición de una página de por qué se aprobó y por qué la EPA requiere tanto para aplicar las regulaciones.


4J
MB
UBTB
EF
FYDBWBDJÓO
EF
DBSCÓO
EJTNJOVZF
BQSPYJNBEBNFOUF

QPS
BÒP
NJFOUSBT
FM
VTP
EF
QFUSÓMFP
Z
HBT
BVNFOUB
BMSFEFEPS
EF

por año, estime cuánto le tomaría duplicar la tasa de emisiones de carbono.


-B
DPODFOUSBDJÓO
EF
QBSUÎDVMBT
FO
VOB
BUNÓT ículas culas en una atmósGFSB
VSCBOB
FT

•HN. a) ¿Cuál sería la visibilidad en el aeropuerto? b) Suponga que la medición se hizo temprano en la mañana cuando la atmósfera FTUBCB

TBUVSBEB
DPO
IVNFEBE
y-B
visibilidad habría sido menor o mayor entonces?

6O
QJMPUP
JOGPSNB
RVF
MB
WJTJCJMJEBE
FO
FM
BFSPQVFSUP
FT
EF

NJMMBT a) Si es un día seco, ¿cuál sería ía la concentración de partículas en esta ciudad? b) ¿Esta concentración excede los estándares nacionales de calidad del aire ambiente para partículas?


&M
BJTMBNJFOUP
DPO
GSFDVFODJB
TF
DMBTJàDB
DPO
base en el valor R, definido por la ecuación q=




A( Ti − To ) R

donde q = velocidad de transferencia de calor


B
USBWÊT
EF
VOB
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8I A = área de la superficie, m2 Ti

UFNQFSBUVSB
FO
MB
TVQFSàDJF
ž$ To

UFNQFSBUVSB
EFM
BJSF
ž$ R = resistencia térmica, m2mž$8

419

La resistencia térmica, R, es un número útil debido a que expresa la resistencia de una superficie para conducir calor. En la práctica estadounidense las unidades de R están en unidades de ingeniería tradicionales en h-pies2mž'#UV
6O
BJTMBNJFOUP
EF
àCSB
EF
WJdrio típica, por ejemplo, tiene un valor R de 
$VBOUP
NÃT
BMUP
FT
FM
WBMPS
R, mayor es la capacidad de aislamiento. &M
CBMBODF
EF
NBTB
EF



EFCF
SFHJS
FOUPODFT
MB
cantidad de energía necesaria para calentar una casa a una temperatura dada. a) Suponga que una casa con un área suQFSàDJBM
EF
 
QJFT2 está mal aislada, con un valor R
QSPNFEJP
EF

IQJFT2mž' #UV
y$VÃOUB
FOFSHÎB
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#UVI
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FOFSHÎB
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#UVI
TF
OFDF se neceTJUB
QBSB
DBMFOUBS
MB
DBTB
B

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DVBOEP
MB
UFNQFSBUVSB
FYUFSJPS
FT
ž b) Si la casa se aisló después a R


¿cuánta energía ahorrarían los propietarios?


6O
JOUFHSBOUF
EF
VOB
GBNJMJB
DPOTJEFSB
DPNprar un generador de ozono para mejorar la calidad del aire en interiores. ¿Por qué esta compra es una mala idea?


¿De qué modo los ingenieros han disminuido inadvertidamente la calidad del aire en interiores?


-PT
WFIÎDVMPT
FSBO
MB
GVFOUF
NÃT
JNQPSUBOUF
EF
DPOUBNJOBDJÓO
EFM
BJSF
FO

Z

FO
Illinois, de acuerdo con Illinois EPA 20032004 Biennial Report
KVOJP
EF
 
¿Cómo puede la profesión de la ingeniería civil reducir el impacto de los vehículos en la calidad del aire?

420

Capítulo 12 Calidad de aire

NOTAS FINALES


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.BOVGBDUVSFST
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FO
IUUQXXXSNBPSH TDSBQ@UJSFTTDSBQ@UJSF@NBSLFUTTDSBQ@UJSF@ DIBSBDUFSJTUJDTBODIPS
FO
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1
 
5ZSF
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meets road. The Ecologist. Se tuvo acceso en IUUQXXXUIFFDPMPHJTUPSHQBHFTBSDIJWF@EFUBJMBTQ DPOUFOU@JE
FM

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TFQUJFNCSF
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((
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(MPWTLZ
 
Latex allergens in tire dust and airborne particles. Environmental Health Perspectives,

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IUUQXXXQVCNFEDFOUSBMOJIHPWQJDSFOEFS














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EFQPTJUJPO
6OSBWFMJOH
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SFHJPOBM
QIFOPNFOPO
Science



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(JMCFSU
.
 
Introduction to Environmental Engineering and Science. EngleXPPE
$MJGGT
/+
1SFOUJDF
)BMM


-PWFMPDL
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Gaia: A New Look at Life on Earth
/VFWB
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0YGPSE
6OJWFSTJUZ
Press. 

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5IF
JOEPPS
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Technology Review. 

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Engineering News Record



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L

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13

© Keith and Susan Morgan

Control de la calidad del aire

© Keith and Susan Morgan

León marino en Seal Bay, Australia

Ventilador de una mina en Coober Pedy, Australia

Los ingenieros ambientales mantienen el aire en buenas condiciones para el consumo tanto humano como de los animales y las plantas. 421

422

Capítulo 13 Control de la calidad del aire La forma más sencilla de controlar la contaminación del aire consiste en eliminar la fuente de la misma. Curiosamente, ésta a menudo también es la solución más económica. Por ejemplo, retirar un incinerador de sedimentos y colocar éstos en un terreno destinado a ese fin, puede ser mucho más económico que instalar un equipo de limpieza del aire en el incinerador. En otros casos, una modificación en el proceso (como cambiar al uso de gas natural en lugar del carbón en una central de energía eléctrica) eliminará el problema inmediato de contaminación del aire. Sin embargo, con frecuencia el control se logra con alguna forma de tratamiento del aire similar al del agua desde el punto de vista conceptual. En este capítulo se analizan algunas opciones disponibles para tratar las emisiones y luego se hace una revisión de la última estrategia de control: la dispersión.

13.1

TRATAMIENTO DE EMISIONES La selección del dispositivo de tratamiento correcto requiere que las características del contaminante correspondan con las del dispositivo de control. Es importante recordar que los tamaños de los contaminantes del aire varían y, por tanto, no es razonable esperar que un dispositivo sea efectivo y eficiente con todos ellos. Además, los tipos de sustancias químicas en las emisiones a menudo determinarán cuál usar. Por ejemplo, un gas que contiene una elevada concentración de SO2 podría limpiarse por medio de rociadores de agua, pero el ácido sulfúrico resultante causaría graves problemas de corrosión. Los diversos dispositivos para el control de la contaminación del aire se dividen de manera conveniente en aquellos que se usan para controlar las partículas y los que sirven para controlar los contaminantes gaseosos. La razón, por supuesto, es la diferencia de tamaños. Las moléculas de gas tienen diámetros de aproximadamente 0.0001 μ; las partículas llegan hasta 0.1 μ. Cualquier dispositivo para el control de la contaminación del aire puede tratarse como un dispositivo de separación de caja negra. La eliminación del contaminante se calcula con base en los principios de separación que estudiamos en el capítulo 4. Si un gas (como el aire) contiene un componente indeseable (digamos, polvo), el dispositivo para el control de la contaminación se diseña con el propósito de eliminar el polvo. La eficiencia de recuperación de cualquier dispositivo de separación se expresa con la ecuación 4.2: R1 =

x1 × 100 x0

donde R1 = porcentaje de recuperación x1 = cantidad de contaminante recolectada por el dispositivo de tratamiento, por unidad de tiempo, kg/s x0 = cantidad de contaminante que entra en el dispositivo, por unidad de tiempo, kg/s Es posible que surjan dificultades al definir el término x0. Algunos polvos, por ejemplo, quizá estén compuestos por partículas tan pequeñas que no es posible esperar que el dispositivo de tratamiento elimine esta fracción. Estas partículas diminutas francamente no deberían incluirse en x0. Sin embargo, es una práctica común dejar sólo que x0 iguale los contaminantes que se eliminarán, como partículas totales.

13.1 EJEMPLO 13.1

Tratamiento de emisiones

423

Problema Un dispositivo para el control de contaminantes del aire eliminará una partícula 3 que se emite a una concentración de 125,000 μg/m a una velocidad de flujo de aire de 180 3 m /s. El dispositivo elimina 0.48 toneladas métricas al día. ¿Cuál es la concentración de emisiones y la recuperación de la recolección? Solución Se establece primero una caja negra y un balance de materia respecto a las partículas y se usa una vez más la vieja ecuación del balance de materia: Cantidad ⎤ ⎡ Cantidad ⎤ ⎡ ⎤ ⎡ Cantidad ⎢ de partículas ⎥ = ⎢ de partículas ⎥ − ⎢ de partículas ⎥ ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ ⎢⎣ ACUMULADAS ⎥⎦ ⎢⎣ QUE ENTRAN ⎥⎦ ⎢⎣ QUE SALEN ⎥⎦ Tasa de ⎡ Cantidad ⎤ ⎡ ⎤ ⎢ ⎥ ⎢ + ⎢ de partículas ⎥ − ⎢ partículas ⎥⎥ ⎢⎣ PRODUCIDAS ⎥⎦ ⎢⎣CONSUMIDAS ⎥⎦ Debido a que ésta se encuentra en un estado estable y no se producen ni consumen partículas, la ecuación se reduce a [Cantidad de partículas QUE ENTRAN] = [Cantidad de partículas QUE SALEN]

Alimentación X0

0

Dispositivo de control de la contaminación

2

Escape X2

1 X1 Eliminada (recuperada)

Figura 13.1 Dispositivo para el control de la contaminación como caja negra. Véase el ejemplo 13.1.

La figura 13.1 muestra la caja negra. Las partículas QUE ENTRAN constituyen la alimentación y se calculan como la velocidad de flujo multiplicada por la concentración que, por supuesto, genera la cantidad de flujo de masa: (180 m3 /s)( 125, 000 μ g/m3 )( 10− 6 g/μ g) = 22.5 g/s

Las partículas QUE SALEN son las que escapan y las que se recolectan, que se calculan como (0.48 toneladas métricas/día)( 106 g/toneladas métricas ) = 5.6 g/s (86, 400 s/día)

El balance es 22.5 = 5.6 + [ Partículas que escapan ] Partículas que escaparon = 16.9 g/s ∼ = 17 g/s

Capítulo 13 Control de la calidad del aire

La concentración de emisiones =

(16.9 g/s)( 106 μ g/g) (180 m3 /s)

∼ = 94, 000 μ g/m3

La recuperación es R1 =

13.1.1

5.6 g/s (100) = 25% 22.5 g/s

Control de partículas

Los dispositivos más sencillos para controlar las partículas son las cámaras de sedimentación que consisten nada más que en lugares amplios, donde ocurre un escape de combustión y las partículas grandes se asientan, por lo común con un deflector para hacer más lenta la corriente de emisión. Obviamente, sólo las que son muy grandes (>100 μ) pueden eliminarse en forma eficaz en las cámaras de sedimentación. Posiblemente el medio más popular, económico y eficaz para controlar las partículas sea el separador ciclónico. La figura 13.2 muestra un esquema sencillo. Se hace circular el aire

© Cortesía de P. Aarne Vesilind

424

Aire limpio que sale Aire con polvo que entra

Polvo que sale

Figura 13.2 Separador ciclónico que se usa para la recolección de polvo.

13.1

Tratamiento de emisiones

425

© Cortesía de P. Aarne Vesilind

sucio por un cilindro cónico, pero descentrándolo del eje; esto genera un violento remolino dentro del cono, de manera muy parecida a una centrifugadora. Los sólidos pesados se proyectan contra la pared del cilindro, donde reducen la velocidad debido a la fricción, resbalan por el cono y al final desembocan y salen por la base. El aire limpio está en medio del cilindro y sale por la parte superior. Los filtros de manga (o de bolsa o tela) que se utilizan para el control de las partículas (figura 13.3) funcionan como una aspiradora común; se usan mangas de tela para recolectar el polvo que deben sacudirse periódicamente para sacar de ellas las partículas. La tela eliminará casi todas, hasta las de tamaño submicrónico. Los filtros de manga se usan en forma generalizada en muchas aplicaciones industriales pero son afectadas por las altas temperaturas y la humedad. Se considera que el mecanismo básico de eliminación de polvo en los filtros de tela es similar al de los filtros de arena en el tratamiento del agua. Las partículas de polvo se adhieren a la tela debido a fuerzas captoras y superficiales; se ponen en contacto por compresión y/o

Aire limpio que sale Manga

Aire sucio que entra Polvo capturado

Polvo que sale

Figura 13.3 Filtro de manga que se usa para el control de las partículas contaminantes en el aire.

426

Capítulo 13 Control de la calidad del aire difusión browniana. Dado que los filtros de tela en general tienen una proporción de espacio aéreo a tela de 1:1, los mecanismos de eliminación no pueden ser una tamización sencilla. El depurador (o torre de aspersión o de depuración), que se representa en la figura 13.4, es un método eficaz para la eliminación de las partículas más grandes. Los depuradores más eficientes fomentan el contacto entre aire y agua por medio de una acción violenta en una sección de garganta estrecha por la que se introduce el agua. En general, cuanto más violento sea el encuentro, más pequeñas serán las burbujas de gas o las gotitas de agua y más eficaz será la depuración. Los depuradores húmedos son dispositivos eficaces, pero tienen dos inconvenientes importantes. r
1SPEVDFO
VOB
DPMVNOB
WJTJCMF
BVORVF
TÓMP
TFB
EF
WBQPS
EF
BHVB
-BT
QFSTPOBT
FO
HFOFral pocas veces distinguen la diferencia entre una columna de vapor de agua y cualquier otra columna visible y, por tanto, las relaciones públicas a menudo dictan que no hay una columna visible. r
&M
SFTJEVP
BIPSB
TF
FODVFOUSB
FO
GPSNB
MÎRVJEB
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BMHÙO
UJQP
EF
USBUBNJFOUP
de agua. Los precipitadores electrostáticos se usan mucho en las centrales eléctricas, principalmente porque se puede disponer de ellos con facilidad. La materia del particulado se elimina al cargarse con electrodos que saltan de un electrodo de alto voltaje a otro y luego pasan al electrodo recolector cargado positivamente. El tipo de precipitador electrostático que se aprecia en la figura 13.5 consiste en un tubo con un alambre que cuelga en medio. Las partículas se recolectan en el tubo y deben eliminarse golpeando el tubo con un martillo. Los precipitadores electrostáticos no cuentan con partes móviles, para funcionar sólo necesitan electricidad y son muy eficaces para eliminar las partículas submicrónicas. Las eficiencias de los dispositivos de control distintos obviamente varían mucho, dependiendo del tamaño de las partículas de los contaminantes. En la figura 13.6 se aprecian las curvas de eficiencia aproximada de recolección de los diversos dispositivos que se analizan, en función del tamaño de la partícula.

Aire limpio que sale

Aire sucio que entra

Agua limpia que entra

Agua sucia que sale

Figura 13.4 Depurador.

427

Tratamiento de emisiones

© Cortesía de P. Aarne Vesilind

13.1

Alambres cargados negativamente Placas recolectoras cargadas positivamente Aire limpio

Aire sucio

que sale

que entra

Polvo que sale

Figura 13.5 Precipitador electrostático que se usa para el control de las partículas contaminantes en el aire.

13.1.2

Control de contaminantes gaseosos

El control de gases supone la eliminación del contaminante de las emisiones gaseosas, un cambio químico en el contaminante o un cambio en el proceso que genera el contaminante. Los depuradores húmedos, como ya se analizaron, pueden eliminar los contaminantes gaseosos disolviéndolos en el agua; otra posibilidad es que se inyecte una sustancia química (como la cal) en el agua del depurador que luego reacciona con los contaminantes. Ésta es la base de la mayor parte de las técnicas de eliminación por SO2, como se expone más adelante. La adsorción es un método útil cuando es posible hacer que el contaminante entre en contacto con una sustancia adsorbente (digamos, carbono activado), como se muestra en la figura 13.7. La incineración o quema se usa cuando un contaminante orgánico puede oxidarse hasta convertirse en CO2 y agua (figura 13.8). Una variante de la incineración es la combustión catalítica, en la cual la temperatura de la reacción se reduce por medio de un catalizador que media en la reacción.

Capítulo 13 Control de la calidad del aire 100 G

90 Eficiencia en la eliminación (%)

428

F E

80

D

70

C

60 50

B

40

A

30 20 10 0 0.5

1

5 10 Tamaño de la partícula (␮)

50

100

Figura 13.6 Comparación de eficiencias aproximadas en la eliminación. A = cámara de sedimentación, B = separador ciclónico, D = precipitador electrostático, E = torre de depuración húmeda por aspersión, F = depurador Venturi, G = filtro de manga. (Basada en C. E., Lappe (1951). Processes use many collection types. Chemical Engineering 58: 145.)

Gas sucio que entra

Carbón Gas limpio que sale

Figura 13.7 Adsorción por eliminación de contaminantes gaseosos del aire.

Gas limpio que sale

Combustible que entra

Combustible que entra Gas sucio que entra

Figura 13.8 Incinerador que se usa para quemar los contaminantes gaseosos.

13.1 EJEMPLO 13.2

Tratamiento de emisiones

429

Problema Una planta industrial genera aproximadamente 1,000 kg de residuos de pentaclorofenol (C6Cl5OH) al mes. Los residuos se incineran. ¿Cuánto oxígeno se necesita en teoría para quemar por completo los residuos? ¿Cuánto hidróxido de sodio se requiere para neutralizar el ácido que se crea? Suponga una pureza de 98 por ciento. Solución ¿Recuerda cómo calcular la demanda teórica de oxígeno (capítulo 9)? Es el mismo proceso. En primer lugar, determine la reacción química. C6Cl5OH + a O2 → b CO2 + c H2O + d HCl Luego balancéela. En este caso, c = –2, de modo que es en realidad un reactivo en lugar de un producto. C6Cl5OH + 4.5 O2 + 2 H2O → 6 CO2 + 5 HCl Ahora podemos usar los factores de conversión estequiométricos para calcular la cantidad de oxígeno y ácido clorhídrico generado. MO2 =

1,000 kg/mol penta 266.5 g/mol penta

4.5 mol O2 (32 g/mol O2 ) ∼ = 540 kg/mes mol penta

MHCl =

1000 kg/mol penta 266.5 g/mol penta

5 mol HCl mol penta

(36.5 g/mol HCl ) ∼ = 685 kg/mes

Repita el proceso para determinar la cantidad de NaOH.

MNaOH =

HCl + NaOH → NaCl + H2 O 1 685 kg/mol HCl 1 mol NaOH ∼ (40 g/mol NaOH) = 770 kg/mes 36.5 g/mol HCl mol HCl 0.98

Durante la operación, las cantidades serían distintas por diversas razones, entre las que se cuentan una combustión incompleta, una mezcla no ideal y una cinética de reacción no ideal.

13.1.3

Control de óxidos de azufre

Como ya se dijo, los óxidos de azufre (SO2 y SO3) son contaminantes del aire con graves implicaciones ambientales en el entorno y, sin embargo, ubicuos. Las centrales eléctricas alimentadas por carbón son la principal fuente de óxidos de azufre (o SOx como a menudo se conocen en forma abreviada). Las normas cada vez más estrictas para el control de SOx han fomentado el desarrollo de muchas opciones y técnicas para reducir su emisión, algunas de ellas son las siguientes: r
$BNCJP
B
DPNCVTUJCMF
CBKP
FO
B[VGSF El gas natural y el petróleo contienen bastante menos azufre que el carbón. Sin embargo, como el suministro es incierto y costoso esta opción resulta arriesgada. r
%FTVMGVSBS
FM
DBSCÓO. El azufre en el carbón puede ser orgánico o inorgánico; la forma inorgánica es la pirita de hierro (FeS2), que puede eliminarse por medio del lavado porque se presenta en partículas diferenciadas. La eliminación del azufre orgánico

430

Capítulo 13 Control de la calidad del aire (aproximadamente 60% del total) requiere reacciones químicas y se logra en forma más económica si el carbón se gasifica (se transforma en un gas parecido al gas natural). r
$POTUSVJS
IVNFSPT
BMUPT
Un método de control del SOx, aunque localmente económico pero corto de miras, consiste en construir humeros increíblemente altos y dispersar el SOx. Esta opción se usó en Gran Bretaña y causó parte del problema de la lluvia ácida que ocurrió en Escandinavia. r
%FTVMGVSBS
MPT
HBTFT
EF
DPNCVTUJÓO. La última opción consiste en reducir las emisiones de SOx, limpiando para ello los gases provenientes de la combustión, conocidos como gases del humo. Se han usado muchos sistemas y realizado grandes investigaciones para hacer que este proceso resulte más eficaz. El método más generalizado para la eliminación del SOx en el gas de combustión es hacer que el gas entre en contacto con cal. La reacción para el SO2 es SO2 + CaO −→ CaSO3

o, si se utiliza piedra caliza: SO2 + CaCO3 −→ CaSO4 + CO2

Tanto el sulfito de calcio como el sulfato (yeso) son sólidos que poseen bajas solubilidades y pueden separarse en tanques de sedimentación por gravedad. Las sales del calcio que se forman representan un problema de eliminación asombroso. También es posible convertir el azufre en H2S, H2SO4, o azufre elemental y comercializar estos materiales. Por desgracia, los posibles mercados totales para estas sustancias químicas no absorben ni con mucho la producción potencial de la desulfuración. Antes de pasar al tema siguiente, sería útil reiterar la importancia de hacer que el tipo de contaminante que se eliminará corresponda con el proceso apropiado. La figura 13.9 hace hincapié en la importancia del tamaño de la partícula en la aplicación del equipo de control. Sin embargo, hay otras propiedades que tal vez sean igual de importantes. Un depurador, por ejemplo, elimina no sólo partículas, sino también gases que pueden disolverse en el agua. Por tanto, el SO2, que es fácilmente soluble, se elimina en un depurador pero no sucede lo mismo con el NO, que no es muy soluble. La elección de la tecnología de control apropiada es un aspecto importante de la ingeniería ambiental.

Incinerador

Cámara de sedimentación

Depurador

Separador ciclónico

Material adsorbente

Depurador húmedo Filtro de manga Precipitador electrostático

0.00001 0.0001 0.001

0.01

0.1

1

10

100

1000

Diámetro del contaminante (␮)

Figura 13.9 La eficacia de varios dispositivos para el control de la contaminación en el aire depende del tamaño de la partícula.

13.2 Dispersión de los contaminantes del aire

431

13.2 DISPERSIÓN DE LOS CONTAMINANTES DEL AIRE De la exposición que hicimos sobre meteorología en el capítulo 12, recuerde que las condiciones atmosféricas determinan principalmente la dispersión de los contaminantes del aire. Si las condiciones son superadiabáticas se genera una gran cantidad de movimiento de aire vertical y turbulencia, de modo que la dispersión mejora. El gradiente vertical de temperatura subadiabático prevaleciente es, en contraste, un sistema muy estable. Una inversión es una condición subadiabática extrema y el movimiento de aire vertical en una inversión es casi nulo. El efecto de la estabilidad atmosférica en una columna puede ilustrarse en la figura 13.10. Un gradiente vertical de temperatura superadiabático produce inestabilidad atmosférica y una columna serpenteante, en tanto que un gradiente vertical de temperatura neutral genera una columna cónica. Si la columna se emite en una capa de inversión se generará una columna FO
GPSNB
EF
BCBOJDP (nombre bastante descriptivo porque, desde arriba, puede verse que la columna se abre como un abanico sin dispersión vertical). Una situación particularmente desagradable es la condición de fumigación (cuando se genera una tapa de inversión sobre la columna, pero un gradiente vertical de temperatura superadiabático por debajo de la inversión genera concentraciones mixtas y, a nivel de tierra, altas. La distancia a la que se eleva una columna también es importante para lograr la dispersión. Si bien no ha habido modelos teóricos que pronostiquen en forma consistente la elevación de la columna, se han propuesto muchos empíricos. Briggs diseñó uno que al parecer pronostica en forma eficaz la elevación de la columna de las centrales eléctricas.1

Superadiabática

Columna serpenteante

Adiabática

Columna cónica

Inversión

Columna en forma de abanico

Inversión sobre superadiabática

Fumigación

Figura 13.10 Los gradientes verticales de temperatura prevalecientes producen columnas características (temperatura versus elevación).

432

Capítulo 13 Control de la calidad del aire F uS

h = 2.6

donde

EJEMPLO 13.3

1/3

F=

gVs d 2 ( Ts − Ta) 4( Ta + 273)

S=

g ( Ta + 273)

T + 0.01 z

Δh = elevación de la columna por encima de la parte superior del humero, m u = velocidad promedio del viento, m/s ΔT/Δ[ = gradiente vertical de temperatura prevaleciente, el cambio en la temperatura con la elevación, ºC/m Vs = velocidad de salida del gas por el cañón, m/s d = diámetro de salida del cañón, m g = aceleración gravitacional, 9.8 m/s2 Ta = temperatura de la atmósfera, ºC Ts = temperatura del gas en el cañón, ºC F = flujo hidrostático, m4/s3

Problema Un humero en una central eléctrica tiene una emisión que sale a 3 m/s por un diámetro del cañón de 2 metros. La velocidad promedio del viento es de 6 m/s. La temperatura en la parte superior del humero es de 28 ºC, y la temperatura de la emisión es de 167 ºC. La atmósfera tiene una estabilidad neutral. ¿Cuál es la elevación esperada de la columna? Solución En el caso de la estabilidad neutral, ΔT/Δ[ = 1 ºC/100 m = 0.01 ºC/m (capítulo 12). La elevación esperada de la columna es Δh: h = 2.6

F 6S

1/3

En primer lugar, deben calcularse F y S: F=

9.8(3)( 2) 2 (167 − 28) = 13.6 4(28 + 273)

S=

9.8 (0.01 + 0.01) = 6.5 × 10− 4 28 + 273

h = 2.6

13.6 6(6.5 × 10− 4 )

1/3

∼ = 40 m

13.2 Dispersión de los contaminantes del aire

433

La dispersión es el proceso de propagación de la emisión sobre un área extensa, lo que reduce la concentración de contaminantes específicos. La extensión o dispersión de la columna ocurre en dos dimensiones: horizontal y vertical. Se supone que la mayor concentración de los contaminantes se encuentra en el eje central de la columna, es decir, en la dirección del viento predominante. Cuanto más alejada esté del eje, menor será la concentración. Si la propagación de una columna en ambas direcciones se aproxima por medio de una curva de probabilidad gausiana, como se expuso en el capítulo 3, la concentración de un contaminante a cualquier distancia x a sotavento de la fuente puede calcularse como C( x, y, z) =

donde




C(Y Z [) = Q= u = j[ y jy = y= [=

Q 1 exp − ( y/jy ) 2 + ( z/jz ) 2 2π u jy jz 2

concentración en cierto punto en el espacio de la coordenada, kg/m3 fuerza de la fuente, o tasa de emisión, kg/s velocidad promedio del viento, m/s desviación estándar de la dispersión en las direcciones [ y y distancia a sotavento horizontalmente, m distancia verticalmente, m

En la figura 13.11 se aprecian las coordenadas. Advierta que [ va en dirección vertical, y es viento transversal horizontal y x está a sotavento. Las desviaciones estándar son indicadores del grado de propagación de la columna. Si jy y jz son grandes, la propagación también lo es y, por supuesto, la concentración es baja. Lo contrario es cierto: si las desviaciones son pequeñas, la propagación también lo es y la concentración es más elevada. La dispersión depende de la estabilidad atmosférica (como ya se señaló) y de la distancia de la fuente. La figura 13.12 es una aproximación a los coeficientes de dispersión. La estabilidad atmosférica se denota en la figura 13.12 con las letras A a F.

z

Δh

u

H h

x y

Figura 13.11 Modelo de dispersión gausiano.

Capítulo 13 Control de la calidad del aire 10,000,000

100,000

A B C D E F

10,000

1000

100

1,000,000 ␴z Desviación estándar vertical (m)

␴y Desviación estándar transversal (m)

434

A

100,000

10,000 B

1000

C D E F

100

10 10

1 100

1000

10,000

1 100

100,000

1000

Distancia a sotavento (m)

10,000

100,000

Distancia a sotavento (m)

Figura 13.12 Coeficientes de dispersión. (De acuerdo con: Turner, D. B. Workbook of Atmospheric Dispersion Estimates. U.S. Department of Health, Education and Welfare, Public Health Service, National Center for Air Pollution Control, publicación núm. 999-Ap-28.)

Una columna emitida desde un humero tiene una altura efectiva, H, que se calcula como la altura del humero más la elevación de la columna Δh, como se hizo en la ecuación 13.1 y se muestra en la figura 13.11. La elevación del eje de la columna es entonces [ = H, y la ecuación de difusión es C( x, y, z) =

y jy

Q 1 exp − 2π u j y j z 2

2

+

z− H jz

2

Estas dos ecuaciones se sostienen mientras el suelo no influya en la difusión. Ésta por lo común no es una buena premisa porque el suelo no sirve para lavar eficazmente los contaminantes, y los niveles deben ser más elevados a nivel del suelo por la incapacidad de la columna para dispersarse en esa zona. El efecto del suelo puede tomarse en cuenta suponiendo una fuente, en una imagen espejo imaginaria, a una elevación [ – H, como se aprecia en la figura 13.13. Al tomar en cuenta la reflexión del suelo, la ecuación de la dispersión se lee de la siguiente manera: C( x, y, z) = 1 exp − 2

y jy

2

1 exp − 2

Q × 2π u j z j y

z+ H jz

2

1 + exp − 2

z− H jz

2

(13.2)

13.2 Dispersión de los contaminantes del aire

435

H

H

Figura 13.13 Fuente y fuente de la imagen. En el área sombreada, la concentración se duplica debido a la fuente de la imagen.

La ecuación 13.2 es la de dispersión más general ya que toma en cuenta la reflexión del suelo y la emisión del contaminante a cierta altura efectiva H del humero. Podemos simplificarla a partir de varias premisas; por ejemplo, si la medición se realiza a nivel del suelo y la columna también se emite a nivel del suelo, tanto los términos [ como H son cero, lo que genera la ecuación C( x, y, 0) =

Q 1 exp − 2π u j z j y 2

y jy

2

cuando H = 0 y z = 0

Si la emisión es a nivel del suelo (H = 0), la medición también lo es ([ = 0) y el contaminante se mide sobre su eje (y = 0), entonces: C( x, 0, 0) =

EJEMPLO 13.4

Q 2π u j z j y

cuando y = 0, H = 0 y z = 0

Problema Partiendo de cualquier tarde veraniega soleada con un viendo promedio de u = 4 m/s, emisión Q = 0.01 kg/s, y la altura efectiva del humero H = 20 m, encuentre la concentración a nivel del suelo a 200 metros del humero. Solución La estabilidad atmosférica es de tipo B para una velocidad del viento de 4 m/s y sol fuerte. A partir de la figura 13.12, a 200 m y una estabilidad B, jy ≅ 30 m y jz ≅ 22 m. Advierta

436

Capítulo 13 Control de la calidad del aire que las concentraciones máximas se encuentran en el eje de la columna, a y = 0. Con ayuda de la ecuación 13.2: C(200, 0, 0) =

0.01 kg/s 2(π )( 4 m/s)( 30 m)( 22 m) ×

1 1 exp − (0/30 m) 2 × exp − [(0 − 20 m)/22 m] 2 2 2

1 + exp − [(0 + 20 m)/22 m] 2 2 C(200, 0, 0) = 8 × 10− 7 kg/m3 o C(200, 0, 0) = 800 μ g/m3

Por último, debemos señalar que la precisión de este análisis de dispersión de columna es deficiente. Los modeladores de la contaminación del aire a menudo se conforman con que sus modelos pronostiquen concentraciones dentro de un orden de magnitud.

13.3

CONTROL DE FUENTES EN MOVIMIENTO Aunque muchas de las técnicas de control anteriores pueden aplicarse a fuentes en movimiento y estáticas, una que se encuentra en movimiento y es muy especial (el automóvil) merece atención especial. Si bien el automóvil cuenta con muchas fuentes potenciales de contaminación, sólo algunos aspectos importantes exigen control (figura 13.14):

B Aire Carburador

Combustible A Combustible + aire Tanque de combustible D

C

Escape

Tubo de escape Silenciador (o mofle)

Cárter del cigüeñal

Figura 13.14 Motor de combustión interna que muestra las fuentes de contaminación.

13.3

Control de fuentes en movimiento

437

r
FWBQPSBDJÓO
EF
IJESPDBSCVSPT
)$
EFM
UBORVF
EF
DPNCVTUJCMF r
FWBQPSBDJÓO
EF
)$
EFM
DBSCVSBEPS r
FNJTJPOFT
EF
HBTPMJOB
TJO
RVFNBS
Z
)$
QBSDJBMNFOUF
PYJEBEPT
EFM
DÃSUFS
EFM
DJHÛFÒBM r
/0x, HC y CO del escape. Las pérdidas por evaporación de los tanques de gasolina se han reducido por el uso de los tapones sobre ellos, que impiden que el vapor escape. Las pérdidas de los carburadores se han reducido por los depósitos de carbono activado, que almacenan los vapores emitidos cuando el motor se apaga y se evapora la gasolina caliente en el carburador. Cuando se enciende de nuevo el vehículo, los vapores se purgan por medio de aire y se queman en el motor (figura 13.15). -B
UFSDFSB
GVFOUF
EF
DPOUBNJOBDJÓO
FM
DÃSUFS
EFM
DJHÛFÒBM
TF
IB
FMJNJOBEP
DFSSBOEP
MB
válvula de ventilación a la atmósfera y reciclando los gases que pasan al cárter en el colector EF
BENJTJÓO
-B
WÃMWVMB
EF
WFOUJMBDJÓO
QPTJUJWB
EFM
DÃSUFS
71$
EFM
DJHÛFÒBM
FT
VOB
QFRVFÒB
válvula de control que impide la acumulación de presión en el cárter. El mayor problema de control es el escape, que representa casi 60% de los HC y casi ningún NOx y CO. Una dificultad inmediata se refiere a cómo medir estas emisiones. No es tan sencillo como colocar un extractor de muestras en el tubo de escape porque la cantidad de contaminantes emitidos cambia en función del modo de operación. En la figura 13.2 se ilustra el efecto de la operación en las emisiones. Advierta que, cuando el automóvil acelera, la combustión es eficiente (CO y HC bajos) y la compresión elevada produce mucho NOx. Por otra parte, la desaceleración genera un nivel bajo de NOx y HC muy elevados debido al combustible parcialmente quemado. Por estas dificultades, la Dirección de Protección Ambiental (Environmental Protection Agency, EPA) de Estados Unidos ha estableciso una prueba estándar para la medición de emisiones. Este procedimiento de prueba comprende arranque en frío, aceleración y velocidad de crucero en un dinamómetro para simular una carga sobre las ruedas y un arranque en caliente. Las técnicas de control de emisiones de los motores de combustión interna de los automóviles consisten en: r
MB
BàOBDJÓO
EFM
NPUPS
QBSB
RVF
FM
DPNCVTUJCMF
TF
RVFNF
FO
GPSNB
FàDJFOUF r
MB
JOTUBMBDJÓO
EF
SFBDUPSFT
DBUBMÎUJDPT r
NPEJàDBDJPOFT
EFM
NPUPS Vapor

Depósito de carbono activado Aire comprimido

Vapor y aire Aire Combustible

Vapor

Combustible + aire Tanque de combustible

Válvula VPC

Tubo de escape Silenciador (o mofle) Escape Cárter del cigüeñal

Convertidor catalítico

Figura 13.15 Motor de combustión interna con dispositivos para el control de la contaminación.

Capítulo 13 Control de la calidad del aire Tabla 13.1 Características del efecto de la operación del motor en el escape del automóvil, mostradas como fracción de las emisiones en estado de reposo Componente CO

HC

NOx

Estado de reposo

1.0

1.0

1.0

Aceleración

0.6

0.4

100

Velocidad de crucero

0.6

0.3

66

Desaceleración

0.6

11.4

1.0

Una afinación puede ejercer un efecto importante en los componentes de la emisión. Por ejemplo, una razón de aire a combustible elevada (una mezcla deficiente) reducirá tanto el CO como los HC, pero aumentará el NOx. En la figura 13.16 se muestran las emisiones comunes que resultan de la modificación de la razón de aire a combustible. Un automóvil debidamente afinado es la primera línea de defensa para controlar las emisiones, al margen de qué otros dispositivos y/o procesos se utilicen. La segunda estrategia de control, que en la actualidad se usa en todos los automóviles impulsados por gasolina en Estados Unidos, es el convertidor catalítico, que oxida el CO y los HC y los convierte en CO2 y H2O. El catalizador más común es el platino, que puede contaminarse con algunos aditivos para la gasolina, como el plomo (lo que favorece la eliminación de la gasolina con plomo). El segundo problema con los convertidores catalíticos es que los componentes del azufre en la gasolina se oxidan con la partícula SO3 y, por tanto, aumentan los niveles de azufre en los ambientes urbanos y el problema de la lluvia ácida global. Sin embargo, el mayor avance en el desarrollo de los motores ha sido su rediseño completo para generar menos emisiones. Por ejemplo, es importante la configuración geométrica del cilindro en el que se da la combustión porque la combustión completa exige que toda la gasolina se queme al mismo tiempo y lo haga como una flama estable durante el reducido

Estequiométrico

12

1200

CO2

10

Combustible Combustible rico pobre NOx (como NO2)

8 6 4

CO

HC (como CH4)

2

1000 800 600 400

Emisiones, partes por millón por volumen (ppm)

1400

14 Emisiones, porcentaje de gas de escape seco

438

200

0 10

11

12

13

14

15

16

17

18

Razón de aire a combustible (AC)

Figura 13.16 Variabilidad en las emisiones de los automóviles con cambios en la razón de aire a combustible.

Problemas

439

tiempo requerido. Los cilindros que tienen recovecos en los cuales la mezcla de aire y gasolina puede esconderse producirán emisiones con una combustión parcial, como hidrocarburos y monóxido de carbono. Un segundo avance ha sido la inyección de combustible, que mide con precisión la cantidad exacta de gasolina que necesita el motor y la bombea hacia el interior, evitando el problema de que el motor succione demasiado combustible hacia el carburador y luego lo emita por el escape. Sin embargo, aun con la amplia inversión que se destina a la ingeniería será difícil fabricar un motor de combustión interna completamente limpio. Los automóviles eléctricos son limpios pero sólo pueden almacenar una cantidad limitada de energía; por tanto, su rango también es limitado. Además, la electricidad que se usa para impulsar tales vehículos debe generarse en centrales eléctricas, lo cual crea más contaminación. Se explora la tecnología de pilas de combustible para sustituir al motor de combustión interna. Los motores a diesel que se utilizan en los camiones y autobuses son fuentes importantes de contaminación. Actualmente en Estados Unidos hay en operación menos de estos vehículos que de otros impulsados por gasolina. Los motores a diesel por lo común producen una columna de humo visible y olores, dos características que han generado una irritación pública considerable con los vehículos impulsados por diesel y preocupación por sus efectos sobre la salud pública. Sin embargo, los motores a diesel por lo general son más eficientes en el consumo de combustible que los impulsados por gasolina, de todas formas los primeros emiten más CO2 que los de gasolina. Las mejoras en el diseño han dado por resultado emisiones más limpias, y las restricciones de la Dirección de Protección Ambiental de los Estados Unidos sobre el contenido de azufre en el combustible harán que mejoren más las emisiones. Por consiguiente, en el futuro, los vehículos impulsados por diesel quizá se vuelvan más deseables tanto por la eficiencia en el consumo de combustible como por las perspectivas ambientales.

PROBLEMAS 13.1 Tomando en cuenta el costo, la facilidad de operación y la eliminación final de residuos, ¿qué tipo de dispositivo de control sugeriría para las emisiones siguientes? a) ¿Un polvo con un rango de partículas de 5-10 μ? b) ¿Un gas que contiene 20% de SO2 y 80% de N2? c) ¿Un gas que contiene 90% de HC y 10% de O2? 13.2 La emisión de un humero tiene las características siguientes: 90% de SO2, 10% de N2, sin partículas. ¿Qué dispositivo de tratamiento sugeriría usted y por qué? 13.3 Una emisión industrial tiene las características siguientes: 80% de N2, 15% de O2 y 5% de CO2, sin partículas. Se le llamó para que como asesor recomendara cuál es el tipo de equipo necesario para el control de la contamina-

ción del aire. ¿Cuál sería su recomendación? ¿Cuánto cobraría por su tiempo? 13.4 Una destilería de whisky lo ha contratado como consultor para que diseñe el equipo de control de la contaminación del aire de su nueva planta, que se construirá en una zona residencial. Un efecto ambiental importante de la destilería de whisky es el olor producido, pero muchas personas consideran agradable (es un aroma mohoso dulce). ¿Cómo manejaría esta tarea? 13.5 En razón de las siguientes lecturas de temperatura: Elevación (m)

0 50 100 150 200 250 300

Temperatura (ºC)

20 15 10 15 20 15 20

440

Capítulo 13 Control de la calidad del aire ¿qué tipo de columna esperaría usted si la temperatura de salida de la columna es de 10 ºC y la chimenena tiene una altura de a) 50 m? b) 150 m? c) 250 m?

13.6 Considere un gradiente vertical de temperatura prevaleciente que tiene estas temperaturas: nivel de suelo = 21 ºC, 500 m = 20 ºC, 600 m = 19 ºC, 1,000 m = 20 ºC. Si una parte de aire se libera a 500 m y a 20 ºC, ¿tendería a hundirse, elevarse o permanecer donde está? Si un humero tiene una altura de 500 metros, ¿qué tipo de columna esperaría ver? 13.7 Una central eléctrica quema 1,000 toneladas de carbón al día, 2% del cual es azufre y todo esto se emite desde un humero de 100 m. Si la velocidad del viento es de 10 m/s, calcule: a) la concentración máxima a nivel del suelo de SO2, a 10 kilómetros a sotavento de la planta. b) la concentración máxima a nivel del suelo y el punto en el que esto ocurre en el caso de categorías de estabilidad de A, C y F. (El cálculo del inciso b) debe realizare con una computadora.) 13.8 El umbral de olor de H2S es aproximadamente de 0.7 μg/m3. Si una industria emite 0.08 g/s de H2S desde un humero de 40 metros durante una noche nublada con una velocidad del viento de 3 m/s, estime el área (en términos de coordenadas x y y) donde se detectaría el H2S. (Es demasiado tedioso hacerlo a mano; escriba un programa de cómputo o utilice una hoja de cálculo.) 13.9 Una central eléctrica emite 300 kg/h de SO2 en una atmósfera neutral con una velocidad del viento de 2 m/s. Se supone que los valores jy y j[ son de 100 m y 30 m, respectivamente. a) ¿Cuál será la concentración a nivel del suelo de SO2, expresada en microgramos por metro cúbico, si la población está a 2 kilómetros del eje de la columna y la planta tiene un humero que produce una altura efectiva de 20 metros?

b) ¿Cuál será la concentración a nivel del suelo si la central eléctrica instala un humero de 150 metros? 13.10 Un globo meteorológico retroalimenta con los datos siguientes: Elevación (m por encima Temperatura del nivel del suelo) (ºC)

0 20 40 60 80 100 120 140 160 200

20 20 20 21 21 20 17 16 14 12

¿Qué tipo de columna esperaría ver usted salir de un humero de 70 metros de altura? ¿Por qué? 13.11 Una central eléctrica alimentada con carbón quema 1,000 toneladas métricas (1 tonelada métrica = 1,000 kg) de carbón al día, a 2% de azufre. a) ¿Cuál es la tasa de emisión de SO2? b) ¿Cuál es la concentración de SO2 a 1.0 km a sotavento (x = 1,000 m), a 0.1 km del eje en la dirección y (y = 100 m) y a nivel del suelo ([ = 0) si la velocidad del viento es de 4 m/s y es un día nublado? La altura efectiva del humero es de 100 m. Ignore la reflexión. c) ¿Cuál es la concentración a nivel del suelo si se incluye la reflexión del suelo? d) Si la fuente está a nivel del suelo (H = 0) y es necesario medir la concentración a nivel del suelo ([ = 0), ¿cuál es la concentración? (Incluya la reflexión.) 13.12 Un humero tiene 1,000 pies de altura y emite humo a 90 ºF. La temperatura a nivel del suelo es de 80 ºF y la temperatura a 2,000 pies es de 100 ºF (suponga un gradiente vertical de temperatura en línea recta entre estas dos temperaturas). a) Haga un dibujo de la columna esperada y denomine el tipo de columna.

Problemas b) Si, en la misma situación, la temperatura de la columna es de 92 ºF, ¿qué tan alto se elevaría la columna? (Suponga una velocidad desde el humero de cero y condiciones adiabáticas perfectas.) 13.13 Imagine que se le pide diseñar un equipo para el control de las emisiones de una industria. Para las tres emisiones siguientes, trace diagramas de bloques que muestren qué equipo elegiría para obtener 90% de eficiencia. Emisión 1: Rango de tamaño de la partícula: 70 a 200 μ Sin emisiones gaseosas Temperatura: 200 ºF Sin limitaciones de espacio Emisión 2: Rango de tamaño de la partícula: 0.1 a 200 μ Sin emisiones gaseosas Temperatura: 200 ºF Sin limitaciones de espacio Columna visible no aceptable Emisión 3: Rango de tamaño de la partícula” 5 a 40 μ Emisión gaseosa: SO2 Temperatura: 1,200 ºF Agua contaminada no aceptable (sin instalaciones de tratamiento) Sin limitaciones de espacio 13.14 Un fabricante de muebles emite contaminación en el aire que consiste en material formado principalmente por partículas con un diámetro de 10 μ y más grandes. a) Como consultor en ingeniería, ¿qué tipo de sistema de tratamiento sugeriría para esta fábrica? b) El contaminante recolectado se eliminará en el relleno sanitario de la localidad. Después de que el complejo se construye y el sistema se pone en operación, usted advierte que el material dirigido al relleno sanitario tiene un extraño olor orgánico. Le pregunta a la gerente de la planta y ella le responde que probablemente sea xileno (una sustancia química muy tóxica). Usted le indica que ese material es potencialmente peligroso para los trabajadores y que no debería dejarse en

441

el relleno sanitario. Ella le contesta que resuelva usted sus propios asuntos. A usted se le ha pagado ya por el trabajo y no es un asesor en ingeniería oficial de la empresa. ¿Qué haría? Sea realista con su respuesta, no idealista. 13.15 Suponga que una central eléctrica emite 400 toneladas de partículas al día y que una población se encuentra a 10 km al norte de la planta. El viento proviene del sur 25% de las veces, 25% del norte y 50% del oeste. No hay viento del este. La velocidad del viento siempre es de 5 km/h. (¿Qué tal así por razones de sencillez?) Suponga una condición de estabilidad neutral (O) para todos los vientos del oeste, condiciones inestables para los vientos del norte (A) y condiciones de inversión para los vientos del sur (F). Calcule la calidad del aire promedio por las partículas ambientales en la población. ¿Esta calidad de aire cumple con las Normas Nacionales para la Calidad del Aire de la EPA? 13.16 ¿Cuál es la eficiencia en la eliminación de partículas de un separador ciclónico si tiene que eliminar partículas con un diámetro de a) b) c) d)

100 μ? 10 μ? 1 μ? 0.1 μ?

13.17 Una nueva central eléctrica alimentada por carbón quemará carbón con 3% de azufre y un valor de calentamiento de 11,000 BTU/lb. ¿Cuál es la eficiencia mínima que un dispositivo depurador de SO2 necesitará para cumplir con la norma de 1.2 lb de SO2/106 en BTU? 13.18 ¿Por qué el motor a gasolina no puede encenderse de modo que genere una producción mínima de los tres contaminantes, CO, HC y NOx, simultáneamente? 13.19 Una fábrica de papel cuenta con una planta en un valle, y quiere construir un humero para impulsar el eje de la columna de humo sobre la montaña y reducir así la concentración de dióxido de azufre en su propio valle. La montaña se encuentra a 4 kilómetros de distancia y su elevación es de 3,400 pies. El suelo del valle,

442

Capítulo 13 Control de la calidad del aire donde se halla la planta, está a 1,400 pies. Si la temperatura de las emisiones es de 200 ºC, en el valle predomina la temperatura de 20 ºC, puede suponerse la velocidad del viento de 2 m/s y suponerse un gradiente vertical de temperatura prevaleciente de 0.006º C/m, ¿a qué altura deben construir el humero para lograr su objetivo? (Nota: tendrá que suponer algunas cifras y cada solución será única.)

13.20 Si se diseña un automóvil para que queme etanol (C2H5OH), ¿cuál sería la razón estequiométrica de aire a combustible? 13.21 Un fabricante de fertilizante emite HF a una tasa de 0.9 kg/s desde un humero que tiene una altura efectiva de 200 m, la velocidad promedio del viento es de 4.4 m/s y la estabilidad es de categoría B. a) ¿Cuál es la concentración de HF, en mi3 crogramos por metro cúbico (μ g/m ), a nivel del suelo, sobre el eje de la columna, a 0.5 km del humero? b) Calcule también la concentración a nivel del suelo a 1.0, 1.5, 2.0, 2.5, 3.0, 3.5 y 4.0 kilómetros del humero. Trace los resultados como concentración versus distancia. 13.22 A partir de las condiciones del problema 13.22, dibuje una imagen tridimensional de la concentración de HF a una distancia de 2 km del humero. 13.23 No está permitido que la concentración de SO2 a nivel del suelo rebase los 80 μg/m3. Si la velocidad del viento es de 4 m/s en un día despejado, y si la fuente emite 0.05 kg de SO2/s, ¿cuál debe ser la altura efectiva del humero para cumplir con este requisito? 13.24 Una planta química espera emitir 200 kg al día de un gas sumamente oloroso, pero no peligroso. A sotavento de la planta, a una distancia de 2,000 m, hay una población. La planta decide construir un humero que será lo suficientemente alto para que no se alcancen niveles de 3 concentración de más de 10 μg/m en la población. ¿Qué tan alto tendrá que ser el humero? Suponga que la velocidad de salida del gas es de 5 m/s, la temperatura de salida del gas es de 150 ºC, el diámetro del humero es de 1.5 m,

la temperatura ambiente es de 20 ºC, la velocidad del viento es de 4 m/s, y que el gradiente vertical de temperatura prevaleciente es de 0.004 ºC/m. 13.25 Una importante refaccionaria automotriz de venta por catálogo promovía un libro cuyo título era Cómo eludir los controles de emisiones. Por apenas $9.75 (más gastos de manejo y envío), usted podría averiguar cómo obtener un mejor kilometraje de gasolina de 14% a 140%, aumentar la aceleración y el desempeño, correr más fría y suavemente, y tener una vida del motor más larga. El libro incluía instrucciones fáciles de seguir tanto para aficionados como para profesionales. No es ilegal alterar el automóvil propio. Posiblemente no pase las inspecciones de emisiones en la mayor parte de los estados, pero modificarlo no va en contra de la ley. Cuando se solicitó autorización a la compañía de pedidos por correo para reproducir el anuncio en este libro, negaron su autorización. Si es perfectamente legal y ellos prestan un servicio público, ¿por qué no permitirían que se reprodujera su anuncio? Reconstruya la reunión de consejo directivo en la que se analizó esta solicitud. Represente personajes como el director general de la compañía, el vicepresidente de marketing, el consejero legal, etcétera. Recree el diálogo que pudo entablarse al analizar esta solicitud, terminando con la decisión de no autorizar que el anuncio se reprodujera en este libro. ¿Entra en juego la ética en esta discusión (si lo hace de algún modo)? 13.26 ¿Cómo podría, el hecho de sembrar árboles y utilizar materiales de construcción más ligeros (por ejemplo, techos claros en lugar de oscuros) reducir la formación de smog? 13.27 Un túnel rectangular (30 × 12 pies) con dos carriles, de 1,300 pies de largo, que corre en un solo sentido lleno de autos, está bloqueado por un accidente que ocurrió en la salida. El sistema de ventilación comprende grandes extractores que soplan el aire ambiental por el extremo de la salida del túnel. Suponga que el túnel está lleno de vehículos, todos con los motores acelerados. Un automóvil ocupa 20 pies lineales en

Notas finales un carril y emite 2.0 g/min de CO. Los extractores introducen 15 millones de pies cúbicos por minuto de aire fresco que contiene 0.5 mg/

443

m3 de CO por la entrada del túnel. ¿Cuál es la concentración de CO en el aire de la salida? Suponga una mezcla completa.

NOTAS FINALES 1. Briggs, G.A. (1969). Plume rise, AEC Critical Review Series, TID–25075. (Según las modificaciones y análisis en Wark, K. y C. F. Warner (1981). Air pollution. Nueva York: Harper & Row.) 2. Golding, M. P. y M. H. Holding (1979). Why preserve landmarks? A preliminary inquiry.

En: Goodpaster y Jayne (eds.). Ethics and the QSPCMFNT
PG
UIF
TU
DFOUVSZ. South Bend, IN: University of Notre Dame Press. 3. Stone, C. D. (1975). Should trees have standing? Nueva York: Avon Books.

C

A

P

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T

U

L

O

14

© Susan Morgan

Residuos sólidos

© Susan Morgan

Automóviles abandonados en un parque de conservación, Australia

Recipientes para residuos y contenedores para reciclado en el parque, Illinois

Los ingenieros ambientales diseñan sistemas para manejar los residuos sólidos de manera apropiada y consideran los impactos de los diseños sobre las opciones de gestión al final de la vida. 444

14.1

Recolección de basura

445

No parece mucho (4.6 lb/día) hasta que se multiplica por el número total de personas en Estados Unidos.1 De pronto 1.4 billones de libras de basura por día suena como lo que es, un montón monumental de basura. ¿Qué se hará con estos residuos sólidos de nuestra sociedad efluente? La búsqueda de una respuesta representa un monstruoso desafío para la profesión de la ingeniería. Los residuos domésticos y comerciales ordinarios comunes, llamados basura o residuos sólidos municipales (RSM) son el tema de este capítulo. Desde el punto de vista técnico la basura está formada por desechos de alimentos, y residuos domésticos, casi todo lo demás que hay en su bote de basura. Los desechos son artículos más grandes, como refrigeradores viejos, ramas de árbol, colchones y otros productos voluminosos, que por lo común no se recolectan con el residuo doméstico. Una subcategoría muy importante de residuos sólidos, llamados residuos peligrosos, se estudia en el siguiente capítulo. El problema de los residuos sólidos municipales puede dividirse en tres pasos: 1. recolección y transportación de residuos sólidos domésticos, comerciales e industriales, 2. recuperación de fracciones útiles de este material, 3. disposición de los residuos en el ambiente.

14.1 RECOLECCIÓN DE BASURA En muchas localidades en Estados Unidos y otros países hay camiones que recolectan los residuos sólidos de los hogares y establecimientos comerciales. En ocasiones son camiones de cama abierta que transportan la basura o los residuos en bolsas, pero estos vehículos con más frecuencia son compactadores, usan cilindros hidráulicos para compactar la basura a fin de reducir su volumen y transportar cargas más grandes (figura 14.1). Las recolecciones comerciales e industriales se hacen más fáciles cuando se usan contenedores que se vacían en el camión por medio de un mecanismo hidráulico o son transportados hasta el sitio de disposición (figura 14.2). También se usan vehículos para recolectar los materiales por separado, como periódico, latas de aluminio y botellas de vidrio (figura 14.3). La recolección doméstica de residuos mixtos por lo general se realiza con un camión compactador y uno o dos trabajadores: un conductor y un cargador. Ellos tiran la basura de los botes en el camión y luego llevan la carga completa al área de disposición. La operación entera es un estudio de ineficiencia y condiciones de trabajo peligrosas. El registro de seguridad del

Basura compactada

De los botes

Figura 14.1 Vehículo recolector de residuos sólidos domésticos.

446

Capítulo 14 Residuos sólidos

Figura 14.2 Vehículo de recolección de residuos sólidos comerciales.

personal de recolección de residuos sólidos es con mucho el peor de cualquier grupo de trabajadores (tres veces más deficiente que el de los mineros de carbón, por ejemplo). Se han implementado varias modificaciones a este método de recolección para reducir sus costos y disminuir los accidentes, entre las que se encuentran el uso de compactadores y trituradores de basura en la cocina y recolección semiautomatizada y automatizada por completo. Se proporciona al dueño de la casa un bote de plástico grande, de 60-90 gal por lo regular, y se le pide que lo saque a la orilla de la acera cada semana para su recolección. El camión está equipado con un ascensor hidráulico o un brazo mecánico que vacía el bote en el camión (figura 14.4). Se han desarrollado otros sistemas alternos para recolectar los residuos; uno que es especialmente interesante es el de tuberías neumáticas subterráneas. El sistema de recolección neumática en Disney World en Florida tiene por todo el parque estaciones de recolección que reciben los residuos y las tuberías neumáticas los llevan a una planta de procesamiento central.

Figura 14.3 Vehículo de recolección para materiales separados.

14.1

Recolección de basura

447

A

B

Figura 14.4 Vehículos de recolección a) semiautomatizado y B) automatizado.

© Susan Morgan

En las áreas donde hay baja densidad de población son comunes los centros de recolección o conveniencia (figura 14.5); también lo son para recolectar reciclables. La selección de una ruta apropiada para los vehículos de recolección, conocida como optimización de ruta, puede resultar en ahorros significativos para el transportista. El famoso matemático suizo Leonhard Euler (1707-1783) abordó el problema de la optimización de rutas

Figura 14.5 Un centro de recolección, o conveniencia.

448

Capítulo 14 Residuos sólidos por primera vez en 1736. Se le pidió que diseñara la ruta para un desfile en Köningsberg de tal manera que no cruzara ningún puente sobre el río Pregolya más de una vez y regresara a su punto de partida. El problema de Euler se describe en la figura 14.6. Euler no sólo mostró que una ruta así era imposible para el desfile del rey, sino que generalizó el problema especificando qué condiciones se necesitan para establecerla de ese modo; la ruta ahora se conoce como recorrido de Euler. El objetivo de la ruta de los camiones es crear un recorrido de Euler, donde se atraviesa una calle sólo una vez y se elimina el viaje con el camión vacío (recorrer dos veces la misma calle). El recorrido de Euler también se conoce como ruta unidireccional porque el viajero recorre cada calle sólo una vez. El recorrido tiene lugar a lo largo de conexiones específicas (calles y puentes en el problema de Euler) que conectan nodos (intersecciones). Un recorrido de Euler es posible sólo si el número de conexiones que entran en todos los nodos son par. Los nodos en la figura 14.6B son de A a D, y todos tienen un número non de conexiones, así que el desfile que el rey deseaba no era posible. El principio de Euler se ilustra en el ejemplo que sigue. Orilla C

Riío Pregolya

Isla B

Isla A

Orilla D A

C A

B D B

Figura 14.6 Problema de Euler en Köningsberg.

EJEMPLO 14.1

Problema En la figura 14.7A se muestra una red de calles. Si la basura de los hogares a lo largo de estas calles tiene que ser recolectada por un vehículo que pretende recorrer cada calle una sola vez (recolectando los residuos sólidos en ambos lados de la calle, una situación que normalmente se presentaría en un vecindario residencial), ¿es posible un recorrido de Euler? Si la basura se recolectara sólo en el frente de la cuadra (los residuos se recogen en un solo lado de una calle, lo que en general ocurriría en las calles largas con tráfico pesado), ¿es posible un recorrido de Euler? Solución La red de calles se reduce a una serie de conexiones y nodos en la figura 14.7B para el caso en que el camión viaja por una calle sólo una vez. Observe que ocho nodos tienen un número impar de conecciones; de manera que un recorrido de Eules es imposible. En el segundo caso las conecciones se muestran en la figura 14.7C y todos los nodos tienen un número par de conexiones, lo cual indica que un recorrido de Euler es posible. Pero, ¿cuál es?

14.1

Recolección de basura

449

Inicio

A

B

C

Figura 14.7 Rutas de los camiones.

Hay programas de computadora disponibles para diseñar la ruta más eficiente posible, pero con frecuencia no se usan porque: r
UPNB
EFNBTJBEP
UJFNQP
FTDSJCJSMPT
Z
EFQVSBSMPT
P
MPT
RVF
FTUÃO
EJTQPOJCMFT
OP
TPO
apropiados para la situación específica; r
FT
QPTJCMF
EFTBSSPMMBS
VOB
TPMVDJÓO
NVZ
CVFOB
RVJ[Ã
OP
MB
RVF
TFB
BCTPMVUBNFOUF
óptima) con el sentido común; r
`EF
DVBMRVJFS
NPEP
MBT
CSJHBEBT
EF
SFDPMFDDJÓO
DBNCJBSÃO
MBT
SVUBT
QBSB
BEFDVBSMBT
B
sí mismos! La asignación de una ruta por sentido común en ocasiones se llama asignación de ruta heurística, que significa lo mismo. Cuando se siguen, algunas reglas empíricas sensibles facilitarán el diseño de la mejor solución de recolección. Por ejemplo: r
USBUBS
EF
FWJUBS
FM
USÃàDP
JOUFOTP r
USBUBS
TJFNQSF
EF
EBS
WVFMUB
B
MB
EFSFDIB r
USBUBS
EF
WJBKBS
FO
MÎOFBT
SFDUBT
MBSHBT r
USBUBS
EF
OP
EFKBS
VOB
DBMMF
EF
VO
TPMP
TFOUJEP
DPNP
VOB
TBMJEB
EF
VO
OPEP La mayoría de estas reglas son, como el nombre sugiere, de sentido común. Con frecuencia es posible lograr ahorros tremendos con modificaciones en apariencia menores en el sistema de recolección debido a que en general éste es el mayor centro de costos para la gestión de los residuos. Hay un punto en el cual el costo para que los vehículos de recolección individuales viajen directamente al sitio de disposición (lo que se conoce como carga directa) es mayor que el de usar un sistema de transferencia (figura 14.8). Éste consiste en una estación, donde se

450

Capítulo 14 Residuos sólidos

Costo ($ / ton)

Transferencia Brigada de 2 personas Costo de la estación de transferencia

Brigada de 1 persona

Tarifa por el depósito

Tiempo de viaje redondo hasta el sitio de disposición (min)

Figura 14.8 Comparación de los costos de transferencia contra la carga directa.

consolidan los residuos, y vehículos, que son remolques o carros de ferrocarril. Los vehículos de transferencia pueden llevar una carga mucho más grande que los camiones compactadores.

14.2

GENERACIÓN DE RESIDUOS La ciencia de la ecología (capítulo 8) nos enseña que, si los ecosistemas dinámicos han de mantenerse sanos deben reutilizar y reciclar los materiales. En ecosistemas simples, como estanques y lagos, por ejemplo, las plantas acuáticas usan el fósforo durante la fotosíntesis para formar moléculas de alta energía, que los animales acuáticos usan entonces, y cuando ambos producen desechos y mueren, el fósforo se libera de modo que puede ser reutilizado. La salud de los ecosistemas naturales puede medirse por su diversidad, resiliencia y capacidad para mantener la homeostasis (estado estable). El flujo de materia a través del ecosistema humano no es diferente del flujo de nutrientes o energía a través de los ecosistemas naturales y puede analizarse en forma parecida. La figura 14.9 muestra una caja negra que representa a la sociedad humana, del mismo modo en que usamos este modelo para representar un ecosistema. En un ecosistema, los nutrientes se extraen de la tierra, los organismos vivos hacen uso de ellos y luego los depositan de nuevo en la tierra. Del mismo modo, la sociedad humana usa las materias primas que se extraen de la tierra y son manufacturadas como productos para que los seres humanos los usen y luego los desechen. El balance de masa muestra el flujo de materiales a través de esta caja negra. Flujo Flujo Flujo ⎡ ⎤ ⎡ ⎤ ⎡ ⎤ ⎢ de materiales ⎥ = ⎢ de materiales ⎥ − ⎢ de materiales ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎢⎣ ACUMULADO ⎥⎦ ⎢⎣ ENTRADA ⎥⎦ ⎢⎣ SALIDA ⎥⎦ Flujo Flujo ⎡ ⎤ ⎡ ⎤ ⎢ ⎥ ⎢ + ⎢ de materiales ⎥ − ⎢ de materiales ⎥⎥ ⎣⎢ PRODUCIDOS ⎦⎥ ⎣⎢CONSUMIDOS ⎥⎦ Si se considera que una materia prima, como el hierro, se encuentra en estado estable, la cantidad de mena de hierro extraída de la tierra debe ser igual a la cantidad de hierro desechada como materiales ferrosos (ENTRADA = SALIDA).

14.2

Generación de residuos

451

Sociedad humana

Materias primas que entran

Materiales producidos o consumidos

Materiales de desecho que salen

Materiales acumulados

Figura 14.9 Una caja negra que muestra el flujo de materiales a través de la sociedad humana.

ENFOQUE

Agua embotellada contra agua del grifo La popularidad del agua embotellada se ha disparado en Estados Unidos y en todo el mundo. En 2005, los estadounidenses gastaron 8,800 millones de dólares en 7,200 millones de galones de agua embotellada, más que los 4,000 millones de galones de 1999.2 La mercadotecnia, que capitaliza las preocupaciones sobre la seguridad del agua del grifo y presenta al agua embotellada como la única alternativa viable, ha motivado en parte este incremento en las ventas. Sin embargo, a pesar de que cuesta más de mil veces que el agua del grifo, en realidad se le examina con menos rigurosidad en cuanto a sus contaminantes. Casi 70% del agua embotellada en Estados Unidos está exenta de las regulaciones de la Administración de Alimentos y Medicamentos (FDA; Food and Drug Administration). Sólo las botellas que se venden en la zona de cruce de las líneas estatales deben cumplir apenas los estándares más básicos de la FDA. El Consejo Nacional para la Defensa de los Recursos (NRDC; National Resource Defense Council) estima que entre 25% y 40% de las botellas vendidas no contienen más que agua del grifo de la ciudad. Algunas en realidad son menos puras. Un estudio del NRDC encontró niveles inseguros de arsénico, carcinógenos orgánicos sintéticos y bacterias en casi 1 de cada 4 de las 103 marcas de agua que se examinaron. La conveniencia es otra razón por la que las personas compran agua embotellada: es muy fácil

simplemente abrir la botella y beberla. Sin embargo, la realidad de la producción y la transportación de una botella de agua no es fácil en absoluto y causa impactos negativos en el ambiente. La mayoría de las botellas de agua están hechas de tereftalato de polietileno (PET; polyethylene terephthalate), que se deriva del petróleo crudo. Se requieren más de 1.5 millones de barriles de petróleo para fabricar las botellas que los estadounidenses usan cada año, la misma cantidad que se necesitaría para impulsar 100,000 automóviles por el mismo periodo. Las emisiones de dióxido de carbono de la producción de estos plásticos pueden alcanzar 1,000 millones de libras por año. Para agravar este problema está la cuestión de la transportación. Algunas aguas embotelladas viajan cientos o miles de millas antes de ser bebidas, con lo que se usa aún más combustible fósil. El uso de agua embotellada también agrava los problemas de la gestión del agua y los residuos. Cada libra de plástico que se usa para fabricar botellas de agua requiere más de 24 galones de agua, lo cual significa que, cuando se bebe una botella de agua de 16 onzas, una persona en realidad consume hasta 10 veces esa cantidad de líquido. La ineficiencia de este proceso se incrementa por el hecho de que, según estimaciones, en Estados Unidos 86% de las botellas de agua se desechan en lugar de reciclarse. En contraste, la tasa de reciclaje para todos los recipientes de

452

Capítulo 14 Residuos sólidos

bebidas en Alemania y los países escandinavos de Noruega, Suecia, Dinamarca y Finlandia (donde la legislación nacional para el depósito de envases designa depósitos de botellas para reembolso) es mucho mayor pues varía de 80% a casi 100%. Aunque algunos países no cuentan con agua del grifo que sea segura para beber, la de Estados Unidos en conjunto es notablemente segura, en promedio mejor que la mayoría ía de las aguas embotelladas. Los estadounidenses podrían ahorrar dinero y prevenir un gran desequilibrio ambiental sólo con llenar en el grifo las botellas de agua reutilizables. Aunque el agua del grifo en algunos lugares es poco segura, el NRDC estima que el dinero que se gastado cada año en agua embotellada

sería más que suficiente para reparar todos los desperfectos que hay en la infraestructura actual de purificación y distribución del agua.3 Las personas que son sensibles al sabor y disfrutan bebiendo el agua más pura simplemente pueden comprar e instalar filtros para limpiar el agua del grifo en su propio hogar. Fuente: H2O Conserve (2008, 12 de julio). Bottled Water: Bottles of Trouble. Localizado en http://www.h2oconserve.org/index.php?page_ id=15&pd=bottle y Natural Resources Defense Council (2008, 10 de julio). Bottled Water: Pure Drink or Pure Hype? Localizado en http://www. nrdc.org/water/drinking/bw/bwinx.asp.

La figura 14.10 es una representación más detallada del flujo de materia a través de la sociedad humana. El ancho de las bandas pretende indicar la magnitud de la masa del flujo (por ejemplo, millones de toneladas por año). Cuanto más ancha es la banda, más grande es el flujo. Todos los materiales se originan de la tierra y la cantidad de material extraído se representa en la figura con la letra A. Éstos son las materias primas (primarias), como la mena de hierro y el petróleo, que alimentan a la industria; son extraídos y alimentan al sector manufacturero para la producción de bienes útiles. Sin embargo, no es posible usar todos los materiales que se extraen y algunos se convierten en residuos industriales de los que es preciso disponer en el ambiente. Además, algunos materiales se transforman en retazos industriales y pueden utilizarse en la misma industria o trasladarse a otra por medio de un intercambio de residuos. La distinción primaria entre los retazos y otros tipos de materiales secundarios es que los primeras nunca entran al sector público.

Reciclado Reutilización Recuperación Energía

Materias primas

Uso Producción industrial doméstico Residuos Gestión de industriales residuos

A

Retazos industriales

B

Figura 14.10 Una representación gráfica del flujo de materia a través de la sociedad humana.

14.3 Reutilización y reciclaje de los materiales de la basura

453

El público nunca los usa y, por tanto, no tiene que tomar una decisión sobre su destino final. Los materiales en forma de bienes manufacturados fluyen desde la industria hasta el público. Éste usa los materiales y luego desecha algunos después de que su utilidad ha terminado (por ejemplo, las baterías) o cuando el público es suficientemente rico para elegir otros productos (digamos, los discos compactos que reemplazaron a los discos LP). El material que el público clasifica como residuo se convierte en residuo doméstico como se muestra en la figura, y este material se otorga al sector de gestión de los residuos.

14.3 REUTILIZACIÓN Y RECICLAJE DE LOS MATERIALES DE LA BASURA El público cuenta con tres opciones de medios para deshacerse del material indeseable una vez que se genera: reutilización, reciclaje y disposición. En la reutilización un individuo usa los productos una vez más para el mismo propósito o les da un uso secundario, con frecuencia imaginativo. Un ejemplo de lo primero ocurre cuando se compra leche en envases de vidrio y éstos se devuelven a la tienda del distribuidor para que los lave y los llene de nuevo con leche fresca. En el segundo caso, cuando se utilizan las bolsas de papel y plástico de las compras para la disposición de basura ocurre el uso secundario de éstas. La creación de un comedero para aves con un recipiente de plástico para bebidas constituye un uso secundario; guardar los implementos para la limpieza del automóvil en una cubeta de detergente para lavar la ropa es un uso secundario; hacer un gato de juguete con un calcetín viejo también lo es, y así sucesivamente. La reutilización extiende la vida del producto original y, por tanto, reduce la cantidad de residuos. El reciclaje, o recuperación de material, por otra parte, implica la recolección de residuos y su procesamiento subsiguiente para fabricar productos nuevos; por ejemplo, transformar los recipientes de plástico para alimentos en bancas para el parque o ropa, o convertir las latas de aluminio usadas en latas nuevas. (El primero en realidad se denomina reciclado con pérdida de calidad debido a que el material desechado, en este caso plástico, no puede convertirse en un producto con tanta “calidad” como el original, en este caso los recipientes para alimentos.) Como se muestra en la figura 14.10, en la recuperación de material se usan como insumos los desechos domésticos en lugar de las materias primas. Este proceso (que se promovió en la década de 1970 como recuperación de recursos) incluye operaciones tan diversas como la recuperación de acero de los automóviles viejos y la producción de composta para viveros.

ENFOQUE

Nutrientes biológicos y sus metabolismos modificados con ingeniería En el capítulo 1 describimos el diseño de cuna a cuna y la idea de desarrollar productos que fluyen en metabolismos apropiados (es decir, ciclos). Es posible diseñar los productos para proporcionar servicios como nutrientes técnicos que fluyen en metabolismos técnicos o como nutrientes biológicos para un ciclo en los metabolismos biológicos. Algunos materiales pueden fluir en ambos.

Uno de estos productos es el ácido poliláctico o poliláctido (PLA; polylactic acid), un poliéster alifático, termoplástico y biodegradable derivado de los recursos renovables (como el almidón de maíz) que es biodegradable y reciclable. Aunque el PLA se ha conocido desde hace más de un siglo, ha captado el interés comercial en años recientes debido, en parte, a las innovaciones en

454

Capítulo 14 Residuos sólidos

su procesamiento. Entre sus beneficios se encuentran las reducidas emisiones de gases invernadero determinadas por la evaluación del ciclo de vida comparativo. Una compañía, NatureWorks LLC, fabrica PLA destinado principalmente a dos formas de uso: como fibra para la marca IngeoTM y como plástico que se utiliza en una amplia gama de aplicaciones de empaque, como películas valiosas, recipientes rígidos termoformados para alimentos y bebidas, y papeles y cartones recubiertos. Cuando se usa en los empaques para los alimentos, la preparación de composta es práctica debido a que el empaque puede formar composta junto con el alimento desechado. Sin embargo, de acuerdo con el sitio web de NatureWorks, “aunque esta (elaboración de composta) es superior al relleno sanitario (el destino de la mayor parte de los residuos de comida y empaques) todavía no es una forma superior de reciclar debido a los insumos de carbono y la energía que se encuentran en un paquete de PLA. El potencial de cuna a cuna real para el biopolímero de NatureWorks se presenta en las aplicaciones de valor más alto... En estas aplicaciones, el biopolímero NatureWorks puede reciclarse de nuevo como resina virgen por medio de la hidrólisis química...” Uno de los desafíos con el PLA es su novedad para la infraestructura de la gestión de residuos. En el caso de los envases para bebidas, las botellas PLA podrían representar una amenaza para el reciclaje del PET. Los recipientes de PLA se ven igual que las botellas de PET, de modo que quizá se mezclen durante el reciclado. Sin embargo, el PLA es incompatible a nivel químico con el PET. Si contamina la materia prima del reciclaje del PET, altera el reciclaje y perjudica la economía. Es importante entender lo que significa “compostable” o “biodegradable”. La mayoría de los materiales basados en sustancias químicas orgánicas son biodegradables en las condiciones correctas, si se les da suficiente tiempo (quizá cientos de años). Se han establecido estándares para certificar que los materiales son biodegradables, lo que significa que se descompondrán, en un periodo específico y en condiciones de tratamiento determinadas, en dióxido de carbono, metano, agua, compuestos inorgánicos o biomasa por medio de la asimilación microbiana. La American Society

of Testing and Materials (ASTM; Sociedad Estadounidense para Pruebas y Materiales) creó definiciones para lo que constituye la biodegradabilidad en diversos ambientes de disposición. El biopolímero de NatureWorks fue certificado con la ASTM D6400-99, verificando que es compostable en las instalaciones municipales e industriales de elaboración aeróbica de composta. En Europa, el biopolímero NatureWorks aprobó el método de prueba estandarizado equivalente EN 13432, que se aplica en la preparación de la composta en instalaciones industriales y semiindustriales. En Japón, se certificó que el PLA cumplía con los requerimientos del estándar GreenPla. Observe que un material que se ha certificado como compostable en forma industrial no siempre se degradará en condiciones no industriales o no ideales, por ejemplo como basura, en el suelo, en el agua o en unidades de composta domésticas. Bélgica es la única que ofrece la marca The OK Compost, que garantiza que los productos serán biodegradables en los sistemas domésticos de preparación de composta. La importancia de la biodegradación en el ambiente marino ha aumentado con la creciente contaminación de los océanos con plásticos; en el océano Pacífico flotan aproximadamente tres millones de toneladas. `Especulaciones recientes que sugieren que el valor de los residuos plásticos continuará elevándose con el incremento en los precios del petróleo hacen que recolectarlo sea factible desde el punto de vista económico dentro de una década! Pero se evitaría mucho daño si la basura plástica en el ambiente marino fuera biodegradable. Los ingenieros ambientales cada vez trabajan más en todas las etapas del ciclo de vida de los productos o los materiales (desde su diseño hasta el desarrollo de infraestructuras o estrategias en el final de su vida para recuperar su valor). Cualquiera que sea el punto de influencia, los ingenieros ambientales necesitan considerar cómo optimizar mejor los flujos de materiales para proteger la salud humana y el ambiente y para recuperar la materia o energía con el valor más alto posible. Fuente: http://www.natureworksllc.com/; http:// www.timesonline.co.uk/tol/news/environment/article45 10201.ece

14.3 Reutilización y reciclaje de los materiales de la basura

455

Los fabricantes pueden mejorar la factibilidad del reciclaje y la recuperación de material al elaborar de manera consciente productos cuya recuperación y reciclaje sean sencillos y baratos o que puedan ser reutilizados. En algún momento la sociedad puede hacer obligatorias esas reglas, pero los esfuerzos voluntarios serían mucho más eficaces que los mandatos del gobierno. Una instalación de procesamiento central se conoce como instalación de recuperación de material, o IRM. La característica principal de la recuperación de material en una instalación de este tipo es que se recuperan materiales producidos por los residuos domésticos mixtos o separados en la fuente y luego se reintroducen para su uso industrial. Observe que el proceso de reciclado debe incluir la recolección, el procesamiento, la transportación y la venta del material a una industria que luego lo utilice. Este último paso es muy importante; el proceso de reciclado depende de la disposición de la industria para comprar el material que se recicla. Sin el desarrollo de mercados dignos de confianza, el proceso no puede ser viable.

14.3.1

Procesamiento de los residuos

En ambos métodos, reutilización y reciclado, la meta primaria es la pureza. Por ejemplo, la basura diaria de una ciudad de 100,000 habitantes contendría quizá 200 toneladas de papel por día. El papel reusado se vende aproximadamente en 20 dólares por tonelada (pero fluctúa fluctúa mucho), así que el ingreso para la comunidad sería
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de dólares por año! Así que, ¿por qué no todas las comunidades recuperan el papel de su basura y lo venden? La respuesta es elemental: porque procesar la basura para recuperar el papel sucio cuesta más que producir papel de los árboles. La solución evidente sería nunca ensuciar el papel (y otros materiales que podrían tener valor en el mercado) en primer lugar; esto requiere que el público separe sus residuos, una práctica que se conoce como separación en la fuente. Pero los programas de reciclado dependen de la cooperación voluntaria y ésta puede ser voluble. Una forma de incrementar la cooperación sería la adopción de leyes que requieran que las personas separen su basura. Pero en una democracia no es un enfoque exitoso pues es posible que los funcionarios públicos que proponen una regulación impopular sean removidos de su cargo. Por otra parte, la implementación de la separación en la fuente en los regímenes totalitarios es fácil, perodifícilmente representará un argumento atractivo para abolir la democracia. Otra complicación es que si en algunos lugares es problemático convencer a las personas para que depositen sus desechos en los botes de basura, lo será mucho más persuadirlos para que los separen en los diversos componentes. Otra opción es olvidarse de la separación en la fuente y dejar que la instalación de recuperación de material se ocupe de todo. Esto disminuye la aportación del público así como los costos de recolección (porque sólo se requiere un tipo de vehículo y un viaje para cada parada) pero incrementa la complejidad y los costos de procesamiento en la IRM. Desde el punto de vista teórico, sin embargo, es posible reclamar de la basura grandes cantidades de materiales pero no es una tarea sencilla, sin importar cómo se enfoque. Al efectuar la separación en la fuente, una persona a punto de desechar ciertos artículos debe clasificarlos manualmente primero de acuerdo con algunas características y luego colocarlos en contenedores separados. En la IRM la búsqueda de pureza requiere la clasificación y separación manual o mecánica de los materiales. En ambos casos, la separación depende de alguna característica o de propiedades del material específico que se identifican con facilidad y que lo distinguen de todos los demás. Esta característica se conoce como código, y sirve para separar el material del resto de la basura mezclando o usando un interruptor, como se mencionó en el capítulo 4. En el reciclado, el código por lo general es sencillo y visual; cualquier persona puede distinguir los periódicos entre las latas de aluminio. Pero a veces puede haber confusiones, por

456

Capítulo 14 Residuos sólidos ejemplo cuando se trata de distinguir las latas de aluminio de las de acero o el papel periódico de los suplementos en papel brillante, en especial si éstos se incluyen en el diario dominical. Las operaciones más difíciles es en el reciclado son la identificación identificación y separación de plásticos. Debido a que el plástico mezclado tiene pocos usos económicos, el reciclado de plástico es económico sólo cuando se separan los diferentes tipos de plástico unos de otros. Sin embargo, la mayoría de las personas no pueden distinguir un tipo de otro. La industria del plástico ha respondido a esta situación marcando gran parte de los productos de consumo con un código que identifica el tipo de plástico, como se muestra en la figura 14.11. En la tabla 14.1 se listan ejemplos de uso para los distintos tipos de plásticos. Desde el punto de vista teórico, una persona que esté a punto de desechar un artículo de plástico no deseado sólo tiene que ver el código y separar los diversos tipos como corresponde. Si somos realistas sabremos que en ocasiones encontrar y leer el código es un desafío, y quizá sea imposible que en un hogar se tengan siete recipientes diferentes para este material ni hay suficiente de éste que se recolecte y use en forma económica. En general sólo los tipos más comunes de plástico se reciclan, como el PETE (tereftalato de polietileno), el material con que se hacen las botellas de refrescos de dos litros, y el HDPE (polietileno de alta densidad), el plástico blanco con que se fabrican las botellas de leche. Las operaciones de recuperación mecánica tienen una oportunidad de éxito si el material que se presenta para la separación se identifica con claridad con un código y si luego el interruptor es sensible a ese código. En la actualidad esa tecnología no existe. Es imposible, por ejemplo, identificar y separar en forma mecánica todas las botellas PET de la basura. De

1

2

3

4

5

6

7

PETE

HDPE

PVC

LDPE

PP

PS

OTRO

Figura 14.11 Marcas de identificación en plásticos.

Tabla 14.1 Ejemplos de plásticos Número de código

Nombre químico

Siglas

Usos comunes

1

Tereftalato de polietileno

PETE

Botellas de refrescos

2

Polietileno de alta densidad

HDPE

Envases de leche

3

Cloruro de polivinilo

PVC

Empaques de alimentos, aislamiento de cables y tuberías

4

Polietileno de baja densidad

LDPE

Película plástica que se usa para envolver alimentos, bolsas de basura, bolsas para abarrotes y pañales para bebé

5

Polipropileno

PP

Cubiertas de baterías para automóvil y tapas de botellas

6

Poliestireno

PS

Empaques de alimentos, tazas y platos de espuma y utensilios para comer

7

Plástico mezclado, ácido poliláctico

PLA

Postes para cercas, bancas, palés y empaques compostables

14.3 Reutilización y reciclaje de los materiales de la basura

457

hecho, en la mayor parte de las operaciones de recuperación intervienen los recolectores, seres humanos que identifican los materiales separables con más facilidad, como el cartón corrugado y los envases de HDPE, antes de que la basura sea procesada en forma mecánica. Muchos artículos en la basura no se han fabricado con un solo material y para utilizar una separación mecánica de los mismos deben separarse en partes diferenciadas de un solo material. Una lata común de estaño, por ejemplo, contiene acero en su cuerpo, zinc en la juntura, una etiqueta de papel en el exterior y quizá una tapa de aluminio. Otros artículos comunes en la basura representan problemas igual de desafiantes en la separación. Otros medios para producir piezas de un solo material y, por tanto, ayudar en el proceso de separación, es disminuir el tamaño de la partícula del residuo moliendo las piezas más grandes. Con esto aumentará el número de partículas y se obtendrán muchas de ellas que se denominan limpias, o de un solo material. El paso de la reducción de tamaño, aunque estrictamente no constituye una separación de materiales, en general es un segundo paso en una IRM, después del proceso de recolección. A la reducción de tamaño siguen otros procesos, como la clasificación con aire (que separa el papel ligero y los plásticos) y la separación magnética (para el hierro y el acero). En la figura 14.12 se muestran varias operaciones unitarias que se efectúan en una IRM típica.

14.3.2

Mercados para los residuos

La recuperación de materiales, aunque suena bastante atractiva, todavía es una opción marginal. El problema más difícil que enfrentan los ingenieros que diseñan dichas instalaciones es la disponibilidad de mercados sólidos para el producto recuperado. En ocasiones, los mercados son bastante volátiles y los precios del material reusado pueden fluctuar de modo desenfrenado; un ejemplo es el mercado de papel reusado. Las compañías de la industria del papel están constituidas por lo que se conoce como una integración vertical; esto significa que posee y opera todos los pasos en el proceso de manufactura de papel; cuentan con tierras en las que crecen los bosques; hacen su propia tala y llevan los troncos a su propia planta de papel. Por último, comercializan el papel terminado al público. Esto se muestra en forma esquemática en la figura 14.13. Suponga que una compañía papelera se percata de que tiene una demanda base de 100 millones de toneladas de papel; entonces ajusta las operaciones de tala, pulpa y papel para satisfacerla. Ahora suponga que hay una fluctuación a corto plazo de cinco millones de toneladas que debe cumplir. No hay forma de que pueda plantar los árboles necesarios para satisfacer esta demanda inmediata, ni es capaz de incrementar la capacidad de las plantas de pulpa y papel con tan poca anticipación. Lo que hace entonces es ir al mercado de papel reusado y comprar fibra secundaria para responder al aumento en la demanda. Si varias compañías papeleras grandes encuentran que tienen un incremento en la demanda, todas tratarán de comprar el papel reusado y de pronto la demanda incrementará en gran medida el precio del papel de desecho. Cuando la demanda disminuye o la compañía papelera ha sido capaz de expandir su capacidad, ya no necesita el papel reusado y el precio del papel de desecho se desploma. Debido a que las compañías papeleras compran papel de desecho en forma marginal, los distribuidores de papel reusado siempre están en una situación de auge o de quiebra. Cuando las compañías que únicamente usan papel reusado para fabricar productos de consumo incrementan su producción (debido a la demanda de papel reciclado o recuperado), estas fluctuaciones disminuyen.

Capítulo 14 Residuos sólidos

© Cortesía de P. Aarne Vesilind

458

Trituradora

Fracciones ligeras

Clasificador de aire

Tambor magnético Metales ferrosos Aire

Pantallas Vidrio Para disposición

Figura 14.12 Instalación de recuperación de recursos que genera varios productos comercializables a partir de los residuos sólidos municipales.

14.4

Combustión de basura

459

100 millones de toneladas

Bosque Madera Pulpa Papel Mayoreo Menudeo

5 millones de toneladas

Al consumidor Déficit que se soluciona comprando papel secundario

Demanda real

Demanda Base debida a la integración vertical

Esceso de capacidad, producción reducida

Tiempo

Figura 14.13 Una compañía de papel está integrada en forma vertical y produce de los árboles el papel que se vende a los consumidores. Las fluctuaciones en la demanda a corto plazo se satisfacen con la compra de papel secundario.

14.4 COMBUSTIÓN DE BASURA Un producto que siempre tiene mercado es la energía. Debido a que la basura es aproximadamente 80% material combustible, puede quemarse tal como está o procesarse para producir un combustible derivado de basura (CDB). En la figura 14.14 se muestra la sección transversal de una instalación de obtención de energía a partir de desechos (OEPD). La basura se descarga de los camiones de recolección hacia una fosa para mezclar e igualar el flujo durante el periodo de 24 horas, ya que estas instalaciones deben operar día y noche. Una grúa levanta la basura de la fosa y la coloca en una tolva que alimenta el horno. El mecanismo de rejilla mueve la basura, haciéndola rodar y forzando aire desde abajo y desde arriba mientras la combustión tiene lugar. Los gases calientes producidos por los residuos quemados se enfrían por medio de un banco de tubos llenos de agua. Conforme los gases se enfrían, el agua se calienta, produciendo vapor a baja presión. El vapor puede usarse para calentar y enfriar o para producir electricidad en una turbina. Los gases enfriados se limpian entonces con dispositivos de control de la contaminación, como precipitadores electrostáticos (como se describen en el capítulo 13) y se descargan por una chimenea.

Capítulo 14 Residuos sólidos

© Cortesía de P. Aarne Vesilind

460

Condensador de vapor enfriado por aire

Grúa Cubo de pinza

Caldera Economizador

Tolva de carga

Horno

Precipitador electrostático

Unidad de fogones del incinerador

Figura 14.14 Una instalación de obtención de energía a partir de desechos.

ENFOQUE

Manufactura de cemento y el uso de combustibles y recursos alternativos Los hornos para cemento figuran entre los contribuyentes más grandes en la generación de gases invernadero, pues producen hasta 5% de las emisiones mundiales totales de CO2. El CO2 proviene tanto de la calcinación de la piedra caliza, una

materia prima importante para el cemento, y de las toneladas de combustible (principalmente carbón) quemado para proporcionar energía.4,5 El proceso de elaboración de cemento comienza con la trituración de las materias primas

14.4 que contienen cantidades apropiadas de compuestos de calcio, sílice, alúmina y óxido de hierro. Los materiales se tapan y colocan, ya sea húmedos o secos, en un horno giratorio de 10-25 pies de diámetro y 150-750 pies (que es más de un octavo de milla) de largo. En el extremo de la salida hay chorros de fuego que calientan más el material hasta 2,700-3,000 °F (1,480-1,650 °C). Este calor elevado repele, o calcina, el agua y el CO2 de las materias primas, que se funden en bolas del tamaño de canicas llamadas “clinker”. Después de varias horas, el clinker sale del horno y cae en la unidad de enfriamiento. Por cada tonelada de material que entra en el extremo de alimentación del horno, se producen dos tercios de tonelada de clinker. Entonces el cemento Portland se fabrica con el clinker finamente molido. Los impactos en la calidad del aire que se deben a la manufactura del cemento se derivan principalmente de la necesidad de gran cantidad de energía y la combustión, en particular del carbón, para satisfacerla. Las emisiones contienen polvo, CO2, NOx, SO2 y sustancias tóxicas. Tradicionalmente la emisión de polvo, en particular de las chimeneas del horno, ha sido la preocupación ambiental principal. Las fuentes primarias de polvo son las operaciones en que grandes volúmenes de gases fluyen a través de materiales polvorientos: los hornos, los molinos de materias primas, los enfriadores de clinker y los molinos de cemento.6 Aproximadamente 60% de las emisiones de CO2 se originan en el proceso de calcinación y el 40% restante se relaciona con la combustión del combustible. El calor intenso que el proceso requiere también produce emisiones significativas de NO y NO2 (NO > 90% de los óxidos de nitrógeno). Las fuentes del nitrógeno son el aire y el combustible. Las emisiones de SO2 son determinadas principalmente por el contenido del azufre volátil en las materias primas. Las emisiones tóxicas contienen dioxinas, furanos y varios compuestos de hidrocarburos a los que se hace referencia como productos de la combustión incompleta (PCI); gases ácidos generados por la combustión de elementos como el cloro y el bromo; y metales pesados. Estos contaminantes se encuentran en las chimeneas y en las emisiones fugitivas (es decir, polvo y gas levantados de las operaciones de la planta y emitidos desde ubicaciones distintas de las chimeneas).7

Combustión de basura

461

Para abordar su sostenibilidad, la industria cementera se ha comprometido con iniciativas para mejorar la eficiencia de la energía, el desempeño ambiental y la transparencia, que se consideran los indicadores del desempeño sostenible. Bajo la sombra del Grupo de Trabajo del Cemento del Consejo Mundial de Negocios para el Desarrollo Sostenible (WGC-WBCSD; Working Group Cement of the World Business Council for Sustainable Development), los principales fabricantes de cemento del mundo (incluyendo compañías como CEMEX, Holcim y Lafarge) elaboraron una serie de estrategias sostenibles, como el establecimiento de un marco común para informar sobre las emisiones invernadero, una promesa para publicar datos de desempeño individuales y objetivos para las reducciones de la emisión de CO2, diálogos con los interesados para elaborar lineamientos sobre el uso de combustible y otras medidas para hacer más verdes sus plantas .8 Otras iniciativas constan de programas para reciclar concreto (el producto final, por ejemplo, como agregado en carreteras), para mejorar la supervisión y el informe de emisiones mundiales y llevar a cabo actividades relacionadas con el uso responsable de combustibles y materias primas. Un programa controvertido es el uso de los combustibles y recursos alternativos (CRA) en el proceso de manufactura de cemento. Los CRA son los residuos y productos secundarios de otras industrias y pueden ser sólidos o líquidos, peligrosos o inofensivos. El volumen de CRA (neumáticos, residuos sólidos peligrosos y residuos líquidos peligrosos e inofensivos) que el sector cementero de Estados Unidos usa fue de 15% en el año 2000.9 En Suiza, la parte de los combustibles alternativos fue 47.8% del consumo de energía térmica total de la industria cementera en 2002.10 En promedio, en las plantas de cemento europeas los combustibles alternativos proporcionan alrededor de 12% del consumo de energía térmica, pero en algunas regiones los CRA proporcionan hasta 72%.11 Las preocupaciones relacionadas con los CRA se enfocan sobre todo en el uso de residuos peligrosos; éstos con frecuencia contienen sustancias químicas orgánicas tóxicas, metales pesados y cloro, cantidades trazas de las que pueden ser liberadas en la atmósfera. Los hornos que queman residuos peligrosos (en especial, halogenados)

462

Capítulo 14 Residuos sólidos

emiten más partículas que los hornos que queman combustible convencional, proporcionando una vía para los metales en una forma que es peligrosa, en particular para los seres humanos (ligados a partículas finas). La ceniza suelta de los hornos que queman residuos peligrosos está cargada con metales pesados. Otra fuente de problemas pueden ser las liberaciones químicas resultantes del transporte de los residuos peligrosos. Por otra parte, el uso de combustibles alternativos es compatible con los principios de desarrollo sostenible. En términos del proceso de manufactura del cemento, los CRA pueden proporcionar una fuente de energía con emisiones más limpias que el carbón que desplaza. Ciertos plásticos, polímeros y productos agrícolas principalmente hechos de carbono e hidrógeno, no son peligrosos y no contienen metales como el mercurio que en general se encuentra en el carbón. Es importante asegurar que los residuos son seleccionados no sólo por su valor energético y por las cuotas que el generador de residuos pagará por su disposición sino también por la química inherente. Por ejemplo, los materiales halogenados, como el cloruro de polivinilo (PVC) y los solventes, son indeseables por diversas razones; forman ácidos; se precipitan como sales que se acumulan en el horno, paralizando la producción, y en condiciones no ideales (es decir, al iniciar y detenerse) pueden facilitar la formación y liberación de dioxina. En términos de un sistema de gestión de residuos, los hornos de cemento ofrecen una alternativa a la disposición convencional de los residuos en incineradores dedicados y da como resultado una reducción general de CO2 y otras emisiones en comparación con la incineración de los residuos en incineradores dedicados. El uso de los residuos en las plantas de cemento europeas ahorra el equivalente a aproximadamente tres millones de

toneladas de carbón por año. Un fallo emitido por la Corte de Justicia Europea en febrero de 2003 sostuvo que el uso de residuos como combustible en los hornos de cemento se clasificaba como recuperación, mientras las quemas de residuos municipales en los incineradores dedicados, aun con la recuperación de energía, se clasificaban como disposición.12 Este fallo contrasta con la determinación de la USEPA, que establece que quemar los residuos peligrosos en un horno de cemento se considera disposición. El uso de CRA presenta algunas interrogantes espinosas. Si se maneja en forma apropiada y se aplica a tipos de residuos apropiados, la combustión puede efectuarse por completo y con seguridad. Y la energía que se extrae de los residuos puede ahorrar combustible que de otra manera sería necesario. Parece ser una sinergia clásica: resolver un problema de disposición de residuos y ahorrar recursos. Pero el público tiene preocupaciones y expectativas. ¿Las compañías cementeras, cuya pericia está en la producción de volúmenes altos de una mercancía con un margen de ganancia bajo, tienen una destreza comparable en el manejo de los residuos? ¿Las formas alternativas de manejar los residuos serían mejores o peores? ¿Sería mejor obligar a aquellos que generaron los residuos en primer lugar a trabajar más en la reducción en la fuente negándoles la opción de la disposición relativamente fácil proporcionada por los hornos de cemento?12 El uso de CRA seleccionados con cuidado en hornos de cemento puede ser una estrategia provisional adecuada, en especial si contrarresta la necesidad de los incineradores de residuos y el uso de combustible sucio. Los hornos son flexibles respecto a los combustibles, a diferencia de los incineradores de residuos sólidos municipales que se vuelven institucionalizados en su demanda de residuos para operar.

Debido a que los residuos sólidos pueden quemarse como están y procesarse en muchas formas antes de la combustión, podría haber confusión acerca de qué es con exactitud lo que se está quemando. La Sociedad Estadounidense para Pruebas y Materiales (ASTM) elaboró un esquema para clasificar los residuos sólidos destinados a la combustión: RDF-1 RDF-2

RSM no procesados RSM triturados (pero sin separación de materiales)

14.4 RDF-3 RDF-4 RDF-5

RDF-6 RDF-7

Combustión de basura

463

fracción orgánica de los RSM triturados (por lo general producidos en una IRM o de orgánicos de fuentes separadas, como periódicos) desechos orgánicos producidos por una IRM que se han triturado en una forma más fina, casi polvo, en ocasiones llamada “pelusa” desechos orgánicos producidos por una IRM que han sido densificados por una peletizadora o un dispositivo similar y que con frecuencia pueden ser quemados con carbón en hornos existentes fracción orgánica de los desechos que se han procesado además en un combustible líquido, como petróleo desechos orgánicos procesados en un combustible gaseoso.

El RDF-4 rara vez se ha usado debido al costo adicional del procesamiento. El RDF-6 se intentó hace algunos años, pero la instalación a gran escala no pudo funcionar de manera apropiada. Del mismo modo, el RDF-7 no ha tenido éxito hasta ahora. Los RSM orgánicos pueden ser procesados en un gas por digestión anaeróbica, pero aunque el proceso es engañosamente (y seductoramente) simple y parece usar componentes comunes, todas las experiencias hasta la fecha han sido fracasos (incluyendo el famoso intento de Harrelson que se describió en el capítulo 1). Los problemas más difíciles son el preprocesamiento de los residuos para lograr una fracción orgánica de alta calidad, la mezcla de los digestivos de sólidos altos y la presencia de material tóxico que puede obstaculizar en forma severa la operación del digestor anaeróbico. Una razón por la que las instalaciones de obtención de energía a partir de desechos no han encontrado un favor mayor es la preocupación relacionada con las emisiones al aire, que parece estar fuera de lugar. Los estudios han mostrado que el riesgo de las instalaciones de combustión de RSM en la salud humana es despreciable, mucho más bajo que los riesgos resultantes de la combustión de gasolina en automóviles, por ejemplo. De interés particular para muchas personas es la producción de dioxina en la combustión de desechos. La dioxina en realidad es una familia de compuestos orgánicos llamados policlorodibenzodioxinas (PCDD). Los miembros de esta familia se caracterizan por una estructura de triple anillo de dos anillos de benceno conectados por un par de átomos de oxígeno (figura 14.15). Una familia relacionada de sustancias químicas orgánicas son los policlorodibenzofuranos (PCDF), que tienen una estructura similar excepto que los dos anillos de benceno están conectados sólo por un oxígeno. Debido a que cualquiera de los sitios de carbono es capaz de unirse a un átomo de hidrógeno o de cloro, el número de posibilidades es grande. Los sitios que se usan para el enlace de átomos de cloro son identificados por número, y esta signatura identifica la forma específica de PCDD o PCDF. Por ejemplo, 2,3,7,8-tetracloro-dibenzo-p-dioxina (o 2,3,7,8-TCDD en forma abreviada) tiene cuatro átomos de cloro en las cuatro esquinas exteriores, como se muestra en la figura 14.15. Esta forma de dioxina es tóxica, en especial para los animales de laboratorio y con frecuencia se identifica como un constituyente primario de pesticidas contaminados y emisiones de plantas de obtención energía a partir de desechos. Se ha encontrado que todos los compuestos PCDD y PCDF (a los que aquí se hace referencia como dioxinas) son en extremo tóxicos para los animales; no se ha encontrado uso comercial para los compuestos PCDD ni para los PCDF y no se fabrican. Sin embargo, se presentan como contaminantes en otras sustancias químicas orgánicas. Se han hallado varias

Cl Cl

O

O

Figura 14.15 2,3,7,8-tetracloro-dibenzo-p-dioxina.

Cl Cl

464

Capítulo 14 Residuos sólidos formas de dioxinas en pesticidas (como el Agente Naranja, que se usó mucho durante la Guerra de Vietnam) y en varias sustancias químicas orgánicas cloradas (como los clorofenoles). Curiosamente, la evidencia no ha confirmado el mismo nivel de toxicidad para los seres humanos y parece menos probable que las dioxinas sean en realidad tan peligrosas con base en los estudios de laboratorio. Se esperaba que un derrame químico importante en Italia resultara en un desastre de salud pública de acuerdo con extrapolaciones de los experimentos con animales pero, hasta ahora, esto no se ha materializado. No obstante, las dioxinas son capaces, en concentraciones muy bajas, de perturbar los procesos metabólicos normales y esto ha causado que la USEPA continúe estableciendo limitaciones severas a la emisión de dioxinas de los incineradores. Hay pocas dudas de que las plantas de obtención de energía a partir de desechos emiten cantidades traza de dioxinas, pero nadie sabe con seguridad cómo se originan las dioxinas. Es posible que algunas se encuentren en los residuos y simplemente no se quemen, y se emitan con los gases que se desprenden. Por otra parte, también es probable que cualquier proceso de combustión que tenga incluso cantidades traza de cloro produzca dioxinas y que éstas sean simplemente un producto final del proceso de combustión. La presencia de cantidades traza de dioxinas en las emisiones de las estufas de leña y chimeneas parece confirmar esta opinión. Bien podría recordarse aquí que las dos fuentes de riesgo, incineradores y chimeneas, son claramente desiguales. El efecto de las últimas en la salud humana es mayor que el de las emisiones del incinerador. Pero la chimenea es un riesgo voluntario, mientras que el incinerador lo es involuntario. Las personas están dispuestas a aceptar riesgos voluntarios mil veces mayores que los involuntarios y, por consiguiente, son capaces de oponerse con vehemencia a los incineradores mientras disfrutan una fogata romántica en la chimenea.

14.5

DISPOSICIÓN FINAL DE RESIDUOS: RELLENOS SANITARIOS La disposición de residuos sólidos tiene un nombre poco apropiado; nuestras prácticas presentes equivalen a poco más que ocultarlos lo suficiente para que sea imposible encontrarlos con facilidad. Las únicas dos opciones realistas para la disposición se relacionan con los océanos (u otros cuerpos de agua grandes) y la tierra. La primera está prohibida en la actualidad por la ley federal en Estados Unidos y también es ilegal en la mayoría de las naciones desarrolladas. Se necesita decir poco más sobre la disposición en los océanos, excepto quizá que su uso fue un capítulo menos que glorioso en los anales de la salud pública y la ingeniería ambiental. Aunque el volumen de los residuos se reduce en más de 90% en las instalaciones de obtención de energía a partir de desechos, el restante 10% todavía tiene que eliminarse de alguna manera, junto con los materiales que no es posible incinerar, como los refrigeradores viejos. Por tanto, se necesita un relleno sanitario, aun si los residuos se queman, y por ello la planta de obtención de energía a partir de desechos no es una instalación de disposición final. Un relleno sanitario para cenizas es mucho más simple y pequeño que uno para basura, y el problema con el emplazamiento de rellenos sanitarios ha dado como resultado más instalaciones de obtención de energía a partir de desechos debido a que la reducción de volumen prolonga de manera significativa el ciclo de vida de los rellenos existentes. La colocación de residuos sólidos en la tierra se denomina tirar en Estados Unidos y botar en Gran Bretaña. Tirar es con mucho el medio más barato de disposición de residuos sólidos y por tanto fue la elección original en casi todas las comunidades tierra adentro. El funcionamiento de un relleno sanitario es sencillo y sólo implica asegurarse de que los camiones se vacían en el punto apropiado. Con frecuencia se reduce el volumen por medio del incendio de los rellenos sanitarios, con lo que su ciclo de vida se prolonga.

14.5

465

Disposición final de residuos: rellenos sanitarios

© Cortesía de P. Aarne Vesilind

Sin embargo, los roedores, el olor, la contaminación del aire y los insectos en el relleno sanitario pueden dar como resultado problemas de salud pública y estéticos graves, y se requieren métodos alternos para la disposición. Las comunidades grandes pueden costear el uso de un incinerador para la reducción del volumen, pero pueblos más pequeños no pueden permitirse esa inversión de capital, así que esto conduce al desarrollo del relleno sanitario. El relleno sanitario difiere de manera notable de los tiraderos abiertos en que estos últimos son simplemente lugares para tirar los residuos mientras los rellenos sanitarios son operaciones de ingeniería, que se han diseñado y y se dirigen de acuerdo con estándares aceptados. El principio básico del funcionamiento de un relleno sanitario es preparar un sitio con revestimientos para impedir la contaminación de los mantos freáticos, depositar la basura en la fosa, compactarla con maquinaria pesada construida en forma especial con ruedas de acero enormes, y cubrir el material al concluir la operación de cada día (figura 14.16). El emplazamiento y desarrollo de un relleno sanitario apropiado requiere planeación y habilidades de diseño de ingeniería.

Respiradero de gas

Recubrimiento

Basura compactada y cubierta Basura diaria Suelo no perturbado

Figura 14.16 Relleno sanitario.

Sistema de recolección de lixiviado

466

Capítulo 14 Residuos sólidos Tabla 14.2 Densidad aproximada de los residuos sólidos municipales Ubicación/condición

Densidad (lb/yd3)

Cuando se genera, en el bote de basura de la cocina

100

En el cubo de la basura

200–400

En el camión compactador

400–800

En el relleno sanitario, después de que la compactación de la basura se cubre

800–1,600

Aun cuando las cuotas que se pagan para usar los rellenos sanitarios se cobran con base en el peso del residuo aceptado, la capacidad del relleno se mide en términos de volumen, no de peso. Los ingenieros que diseñan los rellenos sanitarios estiman primero el volumen total disponible para ellos y luego la densidad de la basura conforme se deposita y compacta en el relleno. La densidad de la basura aumenta de manera significativa desde que se genera en la cocina hasta que se coloca finalmente en el relleno. La tabla 14.2 es una estimación burda de la densidad de los residuos domésticos.

EJEMPLO 14.2

Problema Imagine una ciudad donde 10,000 hogares llenan cada uno un recipiente de 80 galones de basura por semana. ¿A qué densidad tendría que compactar la basura un camión compactador de 20 yardas cúbicas para ser capaz de recolectar de todos los hogares durante un viaje? Solución Aquí se ha involucrado (por supuesto, ¿qué más?) un balance de masa. Imagine el camión compactador como una caja negra; la basura entra en los hogares y sale en el relleno sanitario. [Masa ENTRADA] = [Masa SALIDA] VLCL = VPCP donde V y C son el volumen y la densidad de la basura y los subíndices S y C denotan residuo suelto y el compactado. Suponga que la densidad en los botes de basura es 200 lb/yd3 (tabla 14.2). [(10,000 hogares)(80 gal/hogar)(0.00495 yd3/gal)] 3 3 × [200 lb/yd ] = (20 yd )CC

CC = 39,600 lb/yd3(!) Evidentemente imposible. Es obvio que se requiere más de un camión o más de un viaje.

Una complicación adicional en el cálculo del volumen del relleno sanitario es la necesidad de la cubierta diaria, que puede ser removible (como una “lona” de plástico) y no usar nada del volumen, o no ser removible (como tierra). Cuanto más permanente es el material de la cubierta (por ejemplo, tierra) que se coloca sobre la basura, el volumen disponible para los residuos en sí es menor, así que la vida del relleno será más breve. Por lo común, los ingenieros estiman que el volumen que ocupa la cubierta de tierra es una cuarta parte del volumen total del relleno.

14.5

467

Disposición final de residuos: rellenos sanitarios

© Cortesía de P. Aarne Vesilind

Sin embargo, los rellenos sanitarios no son inertes. El material orgánico enterrado se descompone, primero en forma aeróbica óbica bica y luego anaeróbica. óbica. bica. La degradación anaeróbica óbica bica produce varios gases (como metano y dióxido de carbono) y líquidos (conocidos como lixiviado) que tienen una elevada capacidad contaminante cuando entran en los mantos freáticos. Se usan recubrimientos hechos de arcilla impermeable o de materiales sintéticos, como plástico, para tratar de impedir el movimiento del lixiviado hacia los mantos freáticos. La figura 14.17 muestra cómo se instala un recubrimiento sintético de relleno sanitario en una fosa preparada. Las uniones tienen que sellarse con cuidado y es preciso colocar una capa de suelo en el recubrimiento para impedir que los vehículos del relleno y los residuos lo perforen. Los recubrimientos sintéticos de los rellenos son útiles para capturar la mayor parte del lixiviado, pero no pueden ser perfectos. Ningún relleno es bastante hermético para evitar por completo la contaminación del manto freático con el lixiviado. Es preciso perforar pozos

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Figura 14.17 Recubrimiento sintético siendo instalado en un relleno sanitario.

468

Capítulo 14 Residuos sólidos alrededor del relleno para comprobar la contaminación del manto freático debida a las fugas en los recubrimientos, y si se detecta dicha contaminación, se requiere una acción de remedio. El uso de recubrimientos plásticos aumentó en forma considerable el costo de los rellenos sanitarios hasta el punto en que uno moderno cuesta por tonelada de basura casi tanto como una planta de obtención de energía a partir de desechos. Y, por supuesto, el relleno nunca desaparece; estará ahí por muchos años, limitando el uso de la tierra para otros propósitos. Los rellenos modernos también requieren que los gases se recolecten y quemen o descarguen a la atmósfera. Los gases son aproximadamente 50% dióxido de carbono y 50% metano, ambos son gases invernadero (capítulo 12). En el pasado, cuando no se practicaba el control de gases en los rellenos, se sabía que causaban problemas con el olor, la productividad del suelo y explosiones. Ahora los rellenos más grandes usan los gases para impulsar turbinas que producen electricidad que se vende a la compañía de energía. En los rellenos más pequeños los gases simplemente se queman en llamaradas. Sin importar cuál sea la propaganda, los rellenos sanitarios son, en el mejor de los casos, una solución provisional a nuestro problema de residuos sólidos. Las preocupaciones ambientales pronto dictarán que la recuperación de material o energía sea el método de disposición elegido para el manejo de los residuos sólidos. Obviamente, debemos atacar el problema de los residuos sólidos desde ambos extremos: reduciendo su cantidad total (digamos, haciendo materiales más reciclables) y desarrollando métodos de disposición más aceptables desde el punto de vista ambiental. Todavía estamos a muchos años del desarrollo y uso de materiales completamente reciclables o biodegradables. El único empaque en verdad desechable disponible en la actualidad es el cono de helado.

14.6

RESIDUOS: REDUCCIÓN EN LA FUENTE Hay una tercera forma en que podemos modificar la cantidad y el contenido del flujo de residuos sólidos: seleccionar con cuidado los materiales y productos que usamos y que, por consiguiente, tiramos. Hay mucho que decir sobre ser selectivos en el tipo de empaques aceptados para varios productos; por ejemplo, las envolturas de plástico de espuma (unicel, telgopor o plastoformo) para las comidas rápidas tienen poca utilidad; un pedazo de papel funciona igual de bien, como muchas cadenas de comida rápida descubrieron una vez que sus clientes comenzaron a quejarse (y en algunos casos, a aprobar ordenanzas locales que prohibían ían esos empaques). Rechazar las bolsas inútiles en las tiendas cuando no se necesitan es un modo apropiado. Todos podemos hacer algo para causar una gran disminución en la cantidad y composición del flujo de residuos sólidos.

14.6.1

¿Por qué?

La cuestión es, por supuesto, ¿por qué deberíamos hacerlo? Considere la ventaja para una persona que rechaza una bolsa innecesaria en una tienda. El esfuerzo puede ser significativo (en ocasiones tendrá que discutir) y la conveniencia es menor porque ahora la compra no se lleva en forma tan cómoda. En lo personal no habría costado nada disponer de la bolsa si la recolección es un servicio municipal. Entonces, ¿para usted cuál es el beneficio de rechazar la bolsa? En esencia, ninguno. La cantidad de espacio en el relleno que ahorrará con sus acciones es despreciable y su elección de compras que reduce la cantidad de residuos no lo beneficiará a usted en absoluto (a menos, por supuesto, que el producto con menos empaque cueste menos). Así que queda la pregunta, ¿por qué debería hacer algo que no le reporta un beneficio mensurable?

14.6

Residuos: reducción en la fuente

469

La respuesta podría ser que “es lo correcto” y esto quizá sea perfectamente satisfactorio para usted; hace que se sienta parte de la comunidad, todos trabajando juntos para lograr un fin bueno, sumando las acciones individuales de todos para causar un efecto significativo. Podría argumentar que si no lo hiciera no tendría bases para esperar que los otros lo hicieran y entonces no habría forma de lograr nada por medio de la acción comunitaria. Pero si alguien dice, “Demuéstreme que debo participar en esa actividad altruista”, tiene que admitir que no existe tal prueba. Hay argumentos, pero todos ellos dependen de la bondad básica de los seres humanos. Cuando ya no es la norma, entonces no hay esperanza para la civilización humana.

14.6.2

Análisis del ciclo de vida

Un medio para entender las cuestiones del uso de materiales y productos es efectuar lo que se conoce como análisis del ciclo de vida (ACV). Éste es un enfoque holístico para la prevención de la contaminación analizando el ciclo de vida completo de un producto, proceso o actividad, abarcando materias primas, manufactura, transportación, distribución, uso, mantenimiento, reciclado y disposición final. En otras palabras, el ACV debería proporcionar un panorama completo del impacto ambiental de un producto. Los ACV se realizan por varias razones, como la comparación de productos para comprar y la comparación de productos por industria. En el primer caso se compara el efecto ambiental total de, digamos, botellas de vidrio retornables con el efecto ambiental de las botellas de plástico no reciclables; si se consideran todos los factores que intervienen en la manufactura, distribución y disposición de ambos tipos de botellas, un recipiente podría ser claramente superior. En el caso de comparar los productos de una industria, podríamos determinar si el uso de potenciadores de fosfato en los detergentes es más perjudicial que el de los sustitutos que tienen sus propios problemas en el tratamiento y la disposición. Un problema con tales estudios es que con frecuencia son llevados a cabo por grupos EF
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QSPNVFven su propio producto. Por ejemplo, Procter & Gamble, el fabricante de una marca popular de pañales desechables para bebé, encontró en un estudio que realizó que los pañales de tela consumen tres veces más energía que los desechables. Pero una investigación de la Asociación Nacional de Servicios de Pañales (National Association of Diaper Services) halló que los pañales desechables consumen 70% más energía que los de tela. La diferencia se encontraba en el procedimiento de cálculo; si uno usa la energía contenida en el pañal desechable como recuperable en una instalación de obtención de energía a partir de desechos, entonces el pañal desechable es más eficiente desde el punto de vista energético.16 El ACV también adolece de una escasez de datos; es casi imposible obtener alguna información vital para los cálculos. Por ejemplo, no es posible calcular o medir con facilidad algo tan sencillo como el tonelaje de los residuos sólidos. E incluso si los datos estuvieran ahí, el procedimiento padece de la invariabilidad de un solo sistema de cálculo. ¿Hay un nivel óptimo de contaminación o todos los contaminantes deben ser eliminados al 100% (una imposibilidad práctica)? Si hay contaminación del aire y del agua, ¿cómo deben compararse ambas? Un ejemplo sencillo de las dificultades en el ACV es encontrar la solución al gran debate de la taza de café: usar tazas de papel o de poliestireno. La respuesta que la mayoría de las personas proporcionaría es no usar ninguna, sino confiar en la taza permanente. No obstante, en ocasiones se necesitan las tazas desechables (por ejemplo, en los hospitales) y es preciso tomar una decisión respecto a cuál elegir.17 Así que permítanos usar el ACV para tomar una decisión.

470

Capítulo 14 Residuos sólidos

ENFOQUE

La ciudad de Wellesley es una comunidad predominantemente residencial en las afueras de Boston, Massachusetts. También es universitaria, pues dentro de sus límites se encuentran el Wellesley College, el Babson College y el Massachusetts Bay Community College. De manera sorprendente, un área de notoriedad para la ciudad es la Instalación de Reciclado y Disposición (RDF; Recycling and Disposal Facility) de Wellesley, también conocida como el tiradero. La RDF es una instalación de 88 acres sólo para uso de los residentes de la ciudad.14 Alrededor de 85% de ellos frecuentan con regularidad el tiradero; no hay servicio de recolección, aunque disponen de servicios de transporte privados. Casi 40 categorías de productos y materiales se recolectan para reciclar (figura 14.18 y tabla 14.3). Las áreas de trueque de “Intercambio de libros” y “Tómelo o déjelo” son, en particular, muy populares. Y el reciclado en Wellesley tuvo como objetivo 35% a lo largo de 2009, lo que está por encima del promedio nacional para el reciclado (entre 26.5 y 27.2%).15 ¿Qué explica el éxito y la popularidad del tiradero? La conveniencia y el amplio alcance de las opciones de reciclado se citan como las razones principales. Otra es que el tiradero se ha convertido en uno de los puntos más populares en la ciudad para socializar y comprar bienes. Los residentes bromean diciendo que al visitar el tiradero por lo común regresan a casa con tantas cosas como las que llevaron debido a que los tesoros de la chatarra son abundantes. La opulencia también puede desempeñar un papel porque Wellesley es una comunidad relativamente acomodada. Muchas personas no se molestan en realizar ventas de cochera y otros se apresuran a tirar los artículos que están poco usados, si es que lo están. Hallazgos notables incluyen una parrilla Weber, una bicicleta de carreras Bianchi y un libro raro con valor de 12,000 dólares; un hombre afirma haber encontrado una pelota de beisbol firmada por Ted Williams. Los trueques se han vuelto tan populares en Wellesley y en otras ciudades también que en algunos casos los funcionarios han tomado medidas para mantener alejados a los forasteros pepenadores y han impuesto reglas nuevas para desalentar las tácticas agresivas.

© Nordiephotos/ Alamy

El lado social de la basura

Figura 14.18 Ejemplo de reutilización.

Pero hay más. Aunque la fiebre del tiradero se ha extendido claramente, el de Wellesley siempre ha sido un lugar social. Antes de las elecciones los políticos frecuentan el tiradero para conocer a los votantes y los residentes se mezclan con sus vecinos. Los 88 acres del tiradero tienen un paisaje tan bonito que se han corrido rumores de que incluso se han realizado bodas ahí, quizá simbolizando los ciclos imperecederos del amor y los flujos de material. Quizás es tiempo de que algún empresario abra una cafetería, con tazas reutilizables o intercambiables, por supuesto. Los costos asociados con la RDF (como mano de obra, equipo, ferretería, transportación y educación/promoción) se obtienen del dinero de los impuestos. Todos los ingresos conseguidos se devuelven luego al Fondo General de la Ciudad. En el año fiscal 2007 el programa de reciclado devolvió aproximadamente 644,000 dólares. Un equipo de más de cien voluntarios rescató el trueque de la ciudad de los recortes de presupuesto y ahora la dirigen como una organización sin fines de lucro, clasificando y categorizando en montones artículos que van desde esquíes hasta maletas. En una época en que los estadounidenses de clase media reducen su gasto discrecional, cuando los consumidores ambientalmente conscientes cuestionan si sus hijos en realidad necesitan más juguetes de plástico baratos, cuando craigslist.com ha hecho divertido y de moda comprar cosas usadas, las tiendas de trueque en los sitios de tiradero prosperan, como lo ejemplifican los residentes de Wellesley, quienes con el espíritu del ahorro sostienen su tiradero.

14.6

Residuos: reducción en la fuente

471

Tabla 14.3 Materiales aceptados en la RDF de Wellesley Reciclado doméstico

Composta

Metales

Reutilización

Latas de aluminio Papel y charolas de aluminio Cajas de cartón y cartón prensado Bolsas de papel de estraza Cartulinas y cartones corrugados Teléfonos celulares Medios electrónicos Anteojos Vidrio (café/verde/ transparente) Pilas domésticas Cartuchos para impresoras de inyección de tinta Papel mezclado Papel de oficina mezclado Periódicos Bolsas de plástico Botellas de plástico (transparentes/de colores/naturales) Plásticos que no sean botellas Recipientes recuperables Latas de acero/estañadas

Composta Residuos de madera

Aluminio Cobre Metal/hierro ligero

Intercambio de libros Ropa/textiles Equipo de cuidado de la salud

Peligros especiales Aparatos electrodomésticos Baterías para automóvil Computadoras y monitores Bombillas fluorescentes Pintura Tanques de propano Llantas Aceite usado

Fuente: Basado en Town of Wellesley Department of Public Works. RDF Recycling Guide. Se tuvo acceso en http://wellesleyma.virtualtounhall. net/pages/WellesleyMA_DPW/rdf/recyclingposter.pdf el 9 de enero de 2009.

La taza de papel viene de los árboles, pero la acción de cortar árboles resulta en la degradación ambiental; la taza de espuma proviene de los hidrocarburos, como el petróleo y el gas, y esto también causa impactos ambientales adversos, como el uso de recursos no renovables. La producción de la taza de papel causa una contaminación significativa del agua, con 30-50 kg de DBO por taza producida, mientras la producción de la taza de espuma no contribuye esencialmente con nada de DBO. La producción de la taza de papel da como resultado la emisión de cloro, dióxido de cloro, sulfuros reducidos y particulados mientras la de la taza de espuma no provoca nada de esto. La taza de papel no requiere clorofluorocarbonos (CFC), pero tampoco las tazas de espuma, ya que se eliminaron los CFC en el poliestireno. Las tazas de espuma, sin embargo, contribuyen con 35-50 kg por taza de emisiones de pentano mientras la taza de papel con nada contribuye. La reciclabilidad de la taza de espuma es mucho mayor que la de la taza de papel porque la segunda está hecha de varios materiales, como el recubrimiento plástico del papel. Ambas se queman bien, aunque la taza de espuma produce 40,000 kJ/kg mientras la taza de papel sólo produce 20,000 kJ/kg. En el relleno sanitario, la taza de papel se degrada como CO2 y CH4, ambos gases invernadero, mientras la taza de espuma es inerte. En vista de que es inerte, permanecerá en el relleno por un tiempo muy largo mientras que la taza de papel TF
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472

Capítulo 14 Residuos sólidos en la reacción mientras la taza de papel produce gases y probablemente lixiviado. Si, por otra parte, el relleno se considera una instalación de tratamiento, entonces la taza de espuma es altamente perjudicial. Así que, ¿cuál taza es mejor para el ambiente? Si usted deseara hacer lo correcto, ¿cuál usaría? Esta pregunta, como muchas otras en este libro, no es tan fácil de responder.

14.7

GESTIÓN INTEGRADA DE LOS RESIDUOS SÓLIDOS La EPA elaboró una estrategia nacional para la gestión de residuos sólidos llamada “gestión integrada de los residuos sólidos” (ISWM; integrated solid waste management). La intención de este plan es asistir a las comunidades locales en su toma de decisiones al alentar las estrategias más aceptables desde el punto de vista ambiental pero proporcionando flexibilidad para gestionar los residuos de manera eficiente. Se basa en la jerarquía para la gestión de residuos sólidos, y las estrategias de gestión, de la más deseable a la menos deseable son: r
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TBOJUBSJP Es decir, cuando se implementa un plan ISWM para una comunidad, el primer medio para atacar el problema debería ser la reducción en la fuente. Éste es un término desafortunado porque es incorrecto y engañoso; uno no reduce la fuente sino la cantidad de desechos que provienen de ella y, por tanto, el término en realidad debería ser reducción de residuos. En un nivel doméstico, es posible reducir de manera significativa la cantidad de residuos generados en cada hogar por medio de una compra juiciosa; por ejemplo, comprar productos agrícolas desempacados en lugar de adquirir los que se han empacado en charolas plásticas con envoltura de plástico retráctil es una forma sencilla de hacerlo. Comprar los productos que tienen una vida más larga es otra manera de lograr la reducción de residuos. Por ejemplo, comprar neumáticos de automóvil que duran 80,000 millas en lugar de aquellos que se desgastan a las 40,000 reduce la producción de neumáticos de desecho en 50%. Además, retirar su nombre de las listas de correo es una gran ayuda porque reduce la correspondencia basura. Esta opción de gestión de los residuos sólidos es aún más eficaz en los niveles industrial y comercial. Por desgracia, es difícil medir la reducción en la fuente residencial y usted no necesita equipo nuevo para implementarla, así que se ignora con frecuencia. En cambio, el enfoque se ha colocado en el reciclado, la segunda opción, aun cuando en el ISWM el reciclado (y la reutilización) debe efectuarse después de que la mayor parte de las opciones de reducción de los residuos se ha implementado debido a que hay costos asociados con la recolección y el procesamiento del material reciclable. Sin embargo, el reciclado y la reutilización reducen algo de residuos. La figura 14.10 es útil para mostrar este efecto; un incremento en los flujos de materiales por medio de los ciclos de reutilización y reciclado reducirá los residuos. Por ejemplo, el uso de bolsas de papel para tirar la basura presupone que el público elige no comprar bolsas de plástico para la disposición de la basura. Si esto ocurre, se producirán y venderán menos bolsas de plástico y la cantidad total de residuos destinados a la disposición se reducirá del mismo modo. Las botellas de vidrio pueden separarse de la basura, recolectarse y remanufacturarse en botellas de vidrio nuevas, incrementando así el reciclado. Por último, la basura mezclada puede clasificarse en forma manual, eliminando y recuperando el cartón corrugado, con lo que se incrementa el flujo de materiales en el ciclo de recuperación.

14.7

Gestión integrada de los residuos sólidos

473

ENFOQUE

Vehículos

© AP/Wide World Photos

mejor ejemplo de diseño de ingeniería en el que el único objetivo es el costo de producción y no existen preocupaciones ambientales, de modo que merece ser inmortalizado como el peor ejemplo de un diseño ambientalmente destructivo. Contraste el Trabi con la intención de la legislación europea relativamente reciente. Debido, en parte, a que hay una mayor presión sobre el espacio en los rellenos que en Estados Unidos, se hacen más cosas para maximizar la cantidad de material reciclado de los 14 millones de vehículos de motor que llegan al final de su vida útil y terminan como 8-9 millones de toneladas de residuos en los Estados miembros de la Unión Europea (UE) al año. La directiva 2000/53/EC de la UE, la directiva de vehículos para desguace, se adoptó en mayo de 2000. La legislación aspira a proteger el ambiente y prevenir la formación de residuos promoviendo la recolección, la reutilización y el reciclado de los componentes de los vehículos. Para 2015, la legislación asegurará que los Estados miembros de la UE reutilizan o reciclan 85% de un vehículo desguazado por peso. Aunque el objetivo principal de la directiva es gestionar el flujo de los vehículos desguazados en la corriente del reciclado, también incluye estipulaciones sobre el diseño de automóviles más amigables con el ambiente. Por ejemplo, aunque los vehículos desguazados están llenos de material

© Wim Wiskerke/Alamy

Abundan ejemplos de las preocupaciones ambientales que se descuidan debido a la ganancia económica a corto plazo. El uso y la manufactura de los envases para bebidas no reciclables quizás es el ejemplo más ubicuo, pero el producto menos amigable con el ambiente que se haya manufacturado tiene que ser el Trabi. El Trablant, conocido afectuosamente como el Trabi, fue manufacturado en Alemania oriental durante las décadas de 1970 y 1980 (figura 14.19A). Este automóvil de apariencia sencilla se diseñó como la versión de Alemania oriental del Volkswagen (el auto del pueblo) y el objetivo era hacerlo lo más barato posible. Así que para impulsar al Trabi los ingenieros usaron un motor de dos tiempos que es bastante contaminante. Todos los componentes se diseñaron al menor costo y pocos sobrevivieron al uso normal. Lo peor de todo fue que la carrocería estaba hecha de un compuesto de fibra de vidrio cuya reparación era imposible `FYDFQUP
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se refiere a la gestión de residuos sólidos, no tenía absolutamente ningún valor de reciclado debido a que no podía fundirse ni reprocesarse en ninguna otra forma; tampoco podía quemarse en incineradores. Después de la reunificación de Alemania, miles de Trabis fueron abandonados en las calles y se han desechado en tiraderos. El Trabi es el

A

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Figura 14.19 A) Un método para desechar la carrocería de un Trabi; B) Automóvil conceptual Ford modelo U.

474

Capítulo 14 Residuos sólidos

fácilmente reciclable, tienen su parte de componentes problemáticos. Los plásticos compuestos pueden ser un desafío debido a que no están diseñados para ser desarmados, y las partes como los parabrisas con vidrio y cubiertas de plástico laminado son difíciles de separar. La directiva de los vehículos desguazados provoca que los fabricantes reduzcan la cantidad de plásticos mezclados en los vehículos, y también que equilibren la facilidad de desmantelar y reciclar con la funcionalidad del vehículo básico y la seguridad del conductor Z
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con demasiada facilidad es potencialmente problemático! Aunque algunas personas perciben las regulaciones como restrictivas, las que son efectivas pueden motivar la innovación. Sin embargo, un vehículo con un concepto innovador que no es motivado por la legislación sino por una ética ambiental (y de negocios) es el Ford modelo U (figura 14.19B). En contraste con el Trabi, el modelo U se caracteriza por:1

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el montaje, el movimiento y la adición posterior de distintos componentes r
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interenfriado y supercargado de cuatro cilindros y 2.3 litros acoplado con una transmisión eléctrica híbrida... [que proporciona] el equivalente de 45 millas por galón y aproximadamente 300 millas de rango más cero emisiones reguladas y 99% de reducción en el dióxido de carbono” r
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de los sistemas a bordo r
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sensores previos al choque, faros delanteros adaptativos y un sistema de visión nocturna r
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El tercer nivel del plan ISWM es la combustión de los residuos sólidos, lo que en realidad debería significar todos los métodos de tratamiento. La idea es tomar la corriente de residuos sólidos y transformarla en un producto no contaminante. Esto puede hacerse por combustión pero otros métodos de tratamientos térmicos y químicos quizá demuestren con el tiempo que son igual de eficaces. Por supuesto, es preferible recuperar algo de producto (por ejemplo, energía) del tratamiento. Por último, si todas las técnicas anteriores se han implementado o considerado y todavía quedan residuos (que estarán ahí), la solución final es el relleno sanitario. En realidad no hay alternativa al relleno (excepto la disposición en aguas profundas, que es ilegal) y, por consiguiente, todas las comunidades deben desarrollar alguna alternativa de relleno. Aunque esta estrategia ISWM es útil, puede causar problemas si se toma en forma literal. Algunas comunidades no pueden, por mucho que lo intenten, implementar el reciclado; en otras la única opción desde el principio es el relleno; en otras más lo inteligente sería proporcionar un tipo de tratamiento para una clase de residuos (por ejemplo, elaboración de composta para los desechos del patio) y un segundo tipo para otro (relleno para la basura). Aquí interviene el criterio de la ingeniería y donde el ingeniero de residuos sólidos en realidad gana su salario. Tenemos que hacer juegos malabares con todas las opciones e integrarlas con las características especiales (economía, historia, política) de la comunidad. El ingeniero, después de todo, está ahí para atender las necesidades de las personas.

Problemas

475

PROBLEMAS 14.1 El plan de calle para el ejemplo 14.1 en la figura 14.7A se analiza como la figura 14.7C si la recolección tiene que efectuarse por el frente de la cuadra; es decir, el camión debe viajar a lo largo de cada cuadra para recolectar y sus ocupantes no pueden cruzar la calle. En vista de que es posible construir una ruta de Euler, encuentre una solución. 14.2 Usando la red de calles en la figura 14.20, diseñe la ruta más eficiente posible si el camión a) recolecta sólo en un lado de una calle a la vez. b) recolecta en ambos lados de una calle al mismo tiempo. 14.3 El objetivo de esta asignación es evaluar e informar sobre los residuos sólidos que usted genera. Por un día, seleccionando al azar, recolecte todos los residuos que de manera normal habría descartado. Esto incluye alimentos, periódicos, envases de bebidas, entre otros. En una báscula pese sus residuos sólidos y elabore un informe como el siguiente: Componente

Peso

Porcentaje del peso total

Papel Plásticos Aluminio Acero Vidrio Basura Otros 100 × Empieza y termina aquí

Figura 14.20 Véase el problema 14.2

Su informe deberá contener una hoja de datos y un análisis. Responda las siguientes preguntas: a) ¿Cómoo se compara su porcentaje y generación total con los promedios nacionales? b) ¿Qué cosas en su basura podrían haber sido reutilizables (como distinción de recuperable) y, si las hubiera reutilizado, cuánto habría reducido esto la basura? c) ¿Qué cosas en su basura son recuperables? ¿Cómo podría hacerse esto? d) ¿Qué tan típico fue este día en términos de la composición y cantidad de su basura? 14.4 Uno de los aspectos más costosos de la recolección de basura municipal es el movimiento de la misma desde el hogar hasta el camión. Sugiera un método con el que esto pueda mejorar. La originalidad cuenta más, el aspecto práctico mucho menos. 14.5 Sugiera cómo enfocaría el problema del Trabi que se expuso en el capítulo si de pronto estuviera a cargo de este proyecto. Liste todas las alternativas factibles y analice cada una, eligiendo al final la que usted prefiera. 14.6 ¿Papel o plástico? Ambos tienen defensores y detractores. Por ejemplo, los defensores del reciclado con frecuencia señalan las bolsas de plástico como el prototipo del desperdicio y la contaminación, cosas que obstruyen nuestros rellenos sanitarios. En respuesta, los fabricantes de bolsas de plástico desarrollaron una campaña de relaciones públicas para promover su producto. En uno de los folletos (impreso en papel) decían: Las bolsas (de plástico) no emiten humos tóxicos cuando se incineran en forma apropiada. Cuando se queman en plantas de obtención de energía a partir de desechos, los productos secundarios resultantes de la combustión son dióxido de carbono y vapor de agua, los mismos que usted y yo producimos cuando respiramos. La bolsa es inerte en los rellenos sanitarios, donde no contribuye al lixiviado ni a problemas bacterianos o de gases explosivos; se fotodegradan con la luz solar hasta el punto en que los factores ambientales normales del viento y la lluvia causarán que se descomponga en partes muy pequeñas, con lo que se aborda el problema de la basura antiestética.

476

Capítulo 14 Residuos sólidos Critique esta declaración. ¿Todo es cierto? ¿Algo es engañoso? ¿Está de acuerdo con su evaluación? Escriba una respuesta de una página.

14.7 El emplazamiento de los rellenos sanitarios es un problema importante para muchas comunidades. Con frecuencia éste es un trabajo exasperante para los ingenieros porque el público está implicado íntimamente. Un ingeniero ambiental prominente, Glenn Daigger de CH2M Hill, es citado como sigue: Las cuestiones ambientales están en primera plana en la actualidad porque nosotros, la industria ambiental, no cumplimos las expectativas de las personas. Nos dicen que la responsabilidad y la calidad no son cuestiones abiertas que deberían considerarse. En ocasiones es difícil captarlo frente a toda la desinformación que hay allá afuera: a final de cuentas, somos responsables de complacer el punto de vista del público, no al contrario.19

Concuerda usted con él? ¿Debería el ingeniero “complacer el punto de vista del público” o imponer su propio punto de vista en el público en vista de que tiene una mejor comprensión del problema? Escriba un resumen de una página de cuál cree que debería ser el papel del ingeniero en el emplazamiento de un relleno sanitario para una comunidad. 14.8 Los símbolos de reciclado que se muestran en la figura 14.21 se tomaron de varios empaques. a) ¿Qué propósito supone que tenían en mente los fabricantes del envase al colocar los símbolos en él? b) ¿Este uso fue ético en todos los casos? Argumente su conclusión.

CARTÓN HECHO CON 100% DE CARTÓN RECICLADO

MÍNIMO DE 35% DE CONTENIDO POSCONSUMIDOR

CICLABL E RE

LE

U

O RENO

14.9 Una preparatoria tiene un cuerpo estudiantil de 660 alumnos. Los estudios han mostrado que, en promedio, se espera que cada estudiante contribuya con 0.2 lb de residuos sólidos cada día de todas las fuentes excepto la cafetería, que contribuye con 320 libras diarias. Si la densidad de la basura en un contenedor es de 3 200 lb/yd , y si la recolección de la basura ocurre sólo una vez a la semana, ¿cuántos contenedores necesita la escuela si cada uno tiene una capacidad de 20 yd3? 14.10 La figura 14.22 muestra un desarrollo aislado al que es preciso dar servicio de recolección de basura. Los números en las cuadras indican la cantidad de hogares que requieren la recolección en esa cuadra. Suponga que en cada hogar hay cuatro personas y que la generación de residuos es 3 lb/cabeza/día. La densidad de la basura en un camión compactador estilo an3 tiguo es aproximadamente de 400 lb/yd . a) Si la recolección ocurrirá una vez a la semana, ¿cuántos camiones se necesitarían? b) Si los camiones entraran y salieran del desarrollo en el punto mostrado por E, ¿cuál sería una ruta eficiente para estos camiones? (Cuente el número de viajes con el vehículo vacío como una estimación de la eficiencia.) c) Si los camiones viejos se reemplazaran por otros que lograran 1,000 lb/yd3, ¿cómo cambiaría el sistema de recolección?

Papel reciclable Empaque reciclable

VA B

REC

RS

c) Recorte otro símbolo de reciclado de un empaque y analice sus méritos.

HECHO DE 100% FIBRAS RECICLADAS

Figura 14.21 Símbolos de reciclado que se tomaron de empaques para el consumidor. Véase el problema 14.8.

Problemas

c) Si el contenedor es capaz de manejar 2,000 lb, ¿alguna vez estará lleno? (Ésta es una bola curva; tenga cuidado con su respuesta.)

14.11 ¿Cómo piensa que cambiará la composición de los residuos sólidos municipales en 20 años? ¿Por qué? 14.12 Un establecimiento comercial tiene un transportista privado que pesa los residuos sólidos transportados al relleno sanitario. Los datos para 10 semanas consecutivas son: Número de semana 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

14.13 Un incinerador de residuos sólidos tiene una capacidad de operación máxima de 100 toneladas/día. La instalación recibe DSM durante la semana laboral, pero no los fines de semana ni días festivos. Por lo común, recibe las siguientes cargas diarias:

Basura (lb) 540 620 920 410 312 820 540 420 280 780

Lunes Martes Miércoles Jueves Viernes Sábados Domingos

4 4

Recibido (toneladas/día) 180 160 150 120 80 0 0

¿Qué tan grande debería ser la fosa receptora para contener suficientes residuos a fi fin n de operar a lo largo de un fin de semana de tres días? (No hay una respuesta correcta a este problema; piense en lo que haría si fuera el ingeniero

a) ¿Cuál es la generación de residuos promedio para este establecimiento? b) ¿Cuál podría ser la semana más baja en el año entero, con base en estos datos?

4

12 4

4

6

4

4

4

4

4

4

10

10

10

10

4

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4 4

3

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8

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6 6

6 6 4

E

477

4

4

4

4

6

4

4

6

4

Figura 14.22 Problema de camiones y rutas. Véase el problema 14.10.

478

Capítulo 14 Residuos sólidos que tuviera que tomar esta decisión.) Justifique su respuesta.

14.14 Suponga que usted es el ingeniero de la ciudad de una comunidad pequeña, y el ayuntamiento le dice que diseñe un programa de reciclado que logre al menos 50% de desvío del relleno. ¿Cuál sería su respuesta al ayuntamiento? Si acuerda lograr ese desvío, ¿cómo lo haría? Para este problema tiene que preparar una respuesta formal para el ayuntamiento, que contenga un plan de acción y qué se requeriría para su éxito. Esta respuesta incluiría una carta de presentación dirigida al ayuntamiento y un informe de varias páginas, todo encuadernado en un formato con carátula y cubierta. 14.15 Diseñe, con diagramas de flujo, cómo produciría RDF-1, RDF-2, RDF-3 y RDF-4 como los definen los estándares ASTM para combustibles derivados de basura. 14.16 Responda brevemente las preguntas que se plantean en la siguiente cita de Rubbish! The Archaeology of Garbage por William Rathje y Cullen Murphy (2001). Las ventajas que nos trajo el automóvil, ahora sabemos, vinieron con un costo de 46,000 vidas perdidas cada año, y muchas veces ese

número de lesiones devastadoras; el precio que pagamos por el automóvil en términos de contaminación ha sido, por supuesto, sorprendente. Si hubiéramos sabido con anticipación que éste podría ser el caso, ¿se habría permitido que procediera alguna vez la producción de esta máquina? ¿Se habría hecho?

14.17 Usted es el ingeniero de la ciudad de Kattown, que gestiona el programa de residuos sólidos para sus residentes. a) Usted determina que 2,500 residencias por semana necesitan ser atendidas por cada vehículo de recolección. Ahora debe fijar en yardas cúbicas el tamaño del vehículo que es preciso comprar. Cada vehículo hará tres viajes por día, cuatro días por semana, y compactará la basura a 500 lb/yd3. En cada residencia viven aproximadamente 2.5 personas. Plantee con claridad todas las suposiciones que haga. b) ¿Por qué necesita datos sobre la generación y composición de los residuos sólidos locales en lugar de basarse en promedios estatales o nacionales para elaborar un plan de gestión de residuos sólidos?

NOTAS FINALES 1. La tasa de generación de 4.6 lb/c/d incluye residuos residenciales y comerciales, la USEPA estima que 55-65% de los residuos generados es de residencias y 35-45% es de negocios e instituciones. 2. H2O Conserve (2008). Bottled Water: Bottles of Trouble. Se tuvo acceso en http://www. h2oconserve.org/index.php?page_id=15& pd=bottle el 12 de julio de 2008. 3. Natural Resources Defense Council (2008, 10 de julio). Bottled Water: Pure Drink or Pure Hype? Se tuvo acceso en http://www.nrdc.org/ water/drinking/bw/bwinx.asp el 10 de julio de 2008. 4. Portland Cement Association. Se tuvo acceso en http://www.cement.org/basics/concretebasics_faqs.asp el 8 de diciembre de 2008.

5. European Commission (2001, diciembre). Integrated Pollution Prevention and Control (IPPC): Reference Document on Best Available Technique in the Cement and Line Manufacturing Industries. European IPPC Bureau at the Institute for Prospective Technological studies: Seville, Spain. 6. Reference Document on Best Available Techniques in the Cement and Lime Manufacturing Industries (BREF Report). (2000, marzo). Se tuvo acceso en http://eippcb.jrc.es/pages/FActivities.htm el 8 de diciembre de 2008. 7. Recycling or Disposal? Hazardous Waste Combustion in Cement Kilns. Se tuvo acceso en http://www.mindfully.org/Air/CementKilns-Burning-Waste5.htm el 8 de diciembre de 2008.

Notas finales 8. Energy Use in the Cement Industry in North America: Emissions, Waste Generation and Pollution Control, 1990-2001, pp. 33-34. Se tuvo acceso en http://www.texascenter.org/ publications/cement.pdf el 8 de diciembre de 2008. 9. Ibíd. 10. Sevler, Christina, Stefanie Hellweg y Michel Monteil (2005, marzo) Life Cycle inventory for use of waste solvent as fuel substitute in the cement industry. A Multi-Input Allocation Model The International Journal of Life Cycle Assessment, vol. 10, núm. 2, pp. 120-130. 11. Cement Bureau. Se tuvo acceso en http://www. cembureau.be/ el 8 de diciembre de 2008. 12. Ibíd. 13. Impacts, Risks and Recommendations. Se tuvo acceso en http://ccm.ncms/ERI/new/IRRcement.htm el 8 de diciembre de 2008. 14. Wellesley, MA Recycling and Disposal Facility. Se tuvo acceso en http://wellesleyma.vir-

15.

16.

17. 18.

19.

479

tualtownhall.net/Pages/WellesleyMA_DPW/ rdf/index Simmons, Phil, Scott M. Kauffman y Nickolas J. Themelis (2006). Satate of garbage in American recycling data analysis. BioCycle 47, núm. 10 en enero de 2009. (octubre): 21. Life cycle analysis measures greenness, but results may not be black and white (1991, 28 de febrero). Wall Street Journal. Hocking, M.B. (1991, febrero). Paper versus polystyrene: a complex choice. Science 251: 1. Model U concept: A model for change (2008). Ford Motor Company. Se tuvo acceso en http:// media.ford.com/article_display.cfm?article_ id=14047 el 8 de diciembre de 2008. Glenn Daigger, citado en The new environmental age. Engineering news record 228: 25, 22 de junio de 1992.

C

A

P

Í

T

U

L

O

15

© Visions of América, LLC Alamy

Manejo de residuos peligrosos

Suceso de recolección de residuos caseros peligrosos

Los ingenieros ambientales diseñan sistemas para manejar apropiadamente los residuos peligrosos y consideran los impactos de los diseños en la gestión de los productos al final de su ciclo de vida útil. 480

15.1

Definición de residuo peligroso

481

Lo que es asombroso, visto en retrospectiva, es la total indiferencia con que el pueblo estadounidense toleró la eliminación de residuos sumamente tóxicos desde que su industria comenzó a generarlos. Vertederos a cielo abierto, enormes lagunas de residuos, vertidos flagrantes en cursos de agua, todo esto existió durante muchas décadas. No fue sino hasta principios de la década de 1980, sin embargo, que el público cobró conciencia de lo que esos vertidos indiscriminados pueden ocasionar. Desde entonces hemos realizado esfuerzos heroicos por limpiar los casos más detestables de agresiones al ambiente y peligros para la salud, y por la industria para impedir futuros problemas.

15.1 DEFINICIÓN DE RESIDUO PELIGROSO En Estados Unidos, la USEPA define como sustancia peligrosa a cualquiera que debido a su calidad, concentración o características físicas, químicas o infecciosas, ocasiona un incremento en la mortalidad o contribuye en forma importante a la misma; genera un aumento en una enfermedad grave irreversible o reversible pero discapacitante; representa un importante peligro actual o potencial para la salud humana y el ambiente cuando se trata, almacena, transporta o elimina o, en todo caso, se maneja en forma inapropiada.

Residuo peligroso es el nombre que se da al material que, cuando se pretende eliminar, cumple dos criterios (tabla 15.1). Tabla 15.1 Ejemplos de códigos de residuos peligrosos según la RCRA (CFR 40, parte 261) Contaminante

Código de la RCRA de residuos peligrosos

Residuo característico Residuo intangible Residuo corrosivo Residuo reactivo

D001 D002 D003

Residuo tóxico Arsénico Mercurio Benceno

D005 D009 D018

Residuo de fuentes no específicas Sedimentos de tratamiento de aguas residuales de electrodeposición Sedimento de baño de enfriamiento de operaciones de tratamiento de metales por calor

F006 F010

Residuos de fuentes específicas Sedimento de tratamiento de aguas residuales de la producción de clordano Sedimento de amoniaco en presencia de cal de la coquificación

K032 K060

Sustancias químicas no especificadas y desechadas, derrame y residuos de recipiente Trióxido de arsénico Plomo tetraetílico Creosota Mercurio

P012 P110 U051 U151

482

Capítulo 15 Manejo de residuos peligrosos

ENFOQUE

Sistema global para clasificar y etiquetar las sustancias químicas El Sistema Globalmente Armonizado (SGA; GHS, Globally Harmonized System) de Clasificación y Etiquetado de Sustancias Químicas es una iniciativa mundial que busca fomentar criterios estándar para la clasificación de las sustancias químicas de acuerdo con los peligros sanitarios, físicos y ambientales que supongan. Emplea pictogramas, indicaciones de peligrosidad y palabras de advertencia como “Peligro” y “Cuidado” para comunicar información sobre el grado de peligrosidad en las etiquetas de los productos y las fichas de datos de seguridad de los materiales (FDSM). El sistema SGA define la forma en que se clasifican los peligros con base en información científica y pruebas estandarizadas. Aborda los peligros asociados con las sustancias químicas en lo individual lo mismo que con mezclas de las mismas. La principal meta del SGA es proteger la salud humana y el ambiente en todo el mundo de mejor manera, al proporcionar a los usuarios y las personas que manejan sustancias químicas una información más amplia y consistente sobre los peligros químicos. El manejo racional de las sustancias químicas exige que los fabricantes de las mismas identifiquen los peligros importantes y luego los comuniquen. El SGA garantizará una mayor consistencia en este proceso, al mejorar y simplificar la comunicación relacionada con este tipo de peligros. Este sistema de comunicación informará a los usuarios sobre la presencia de un peligro y la necesidad de reducir al mínimo el riesgo ya sea minimizando la exposición o hallando opciones más seguras. El resultado final será la transportación, el manejo y el uso más seguros de las sustancias químicas. Además, el SGA reducirá las ineficiencias ocasionadas por la necesidad de cumplir con los

diversos sistemas de clasificación y etiquetado. A las empresas que realizan negocios en varios países por lo común se les ha exigido cumplir con los requisitos de etiquetado de productos peligrosos específicos de cada país. En ocasiones, no es posible que las etiquetas de los productos contengan toda la información necesaria para que un producto se venda apropiadamente en varios países. Cuando cada nación requiere diferentes sistemas de comunicación y etiquetado de productos peligrosos, el producto quizá no sea suficientemente grande para contener la etiqueta que se requiere para venderlo. Con el SGA, habrá un fundamento armonizado para la comunicación de los posibles peligros. Para los países que no cuentan con sistemas regulatorios debidamente desarrollados, el SGA resultará muy útil porque esas naciones pueden adoptarlo y de modo automático tener un sistema equivalente con el del resto del mundo. El SGA también proporcionará una aproximación estandarizada a las fichas de datos de seguridad de los materiales [denominadas FDSM en Estados Unidos y fichas de datos de seguridad (FDS) en Europa]. Las FDS(M) acompañan a los productos al venderse. (Nota: en Estados Unidos, las FDSM son obligatorias sólo en el caso de los productos industriales; los productos adquiridos para el hogar no los necesitan, lo que dificulto a los consumidores saber más sobre la composición química y los peligros asociados con los artículos que compran. El SGA no cambiará eso.) Fuente: United States Environmental Protection Agency, http://www.epa.gov/oppfead1/international/globalharmon.htm.

1. Contiene uno o más de los contaminantes de los criterios o aquellas sustancias químicas que se han identificado (enumerado) en forma explícita como peligrosas. Más de 50,000 sustancias químicas se definen así. 2. Es posible establecer (de acuerdo con pruebas de laboratorio) que el residuo tiene por lo menos una de las características siguientes: r
JOáBNBCJMJEBE r
SFBDUJWJEBE

15.1

Definición de residuo peligroso

483

r
DPSSPTJWJEBE r
UPYJDJEBE Los materiales inflamables son aquellos líquidos con grados de inflamación por debajo de los 60 ºC o aquellos materiales que “se inflaman fácilmente y queman en forma vigorosa y persistente”. Los materiales corrosivos son aquellos que, en solución acuosa, poseen valores de pH fuera del rango de los 2.0 a 12.5 o cualquier líquido que muestra corrosividad al acero a un ritmo mayor a los 6.35 mm por año. Los residuos reactivos se clasifican como inestables y pueden formar humos tóxicos o explotar. La mayor dificultad para definir los residuos peligrosos proviene del hecho de establecer lo que es y lo que no es tóxico. La toxicidad es casi imposible de medir. ¿Tóxico para cuáles animales (o plantas), en qué concentraciones y durante qué periodo? La USEPA define la toxicidad en términos de cuatro criterios: r
CJPDPODFOUSBDJÓO r
%-50, r
-$50, r
àUPUPYJDJEBE La bioconcentración es la capacidad de un material para mantenerse en el tejido animal al grado en que los organismos por encima del nivel trófico tendrán concentraciones cada vez más elevadas de esta sustancia química. Muchos pesticidas, por ejemplo, residirán en los tejidos adiposos de los animales y no se descompondrán con rapidez. Conforme los organismos más grandes se coman a las criaturas más pequeñas, la concentración en los tejidos grasos de los organismos más grandes puede alcanzar niveles tóxicos para ellos. De mayor preocupación son los animales acuáticos y las aves que se alimentan de peces, como las focas y los pelícanos, lo mismo que otras aves carnívoras como las águilas, los halcones y los cóndores. La DL50 es un indicador de la cantidad de una sustancia química que se necesita para matar a la mitad de un grupo de especimenes de prueba, como los ratones de laboratorio. En un estudio de toxicidad, se alimenta a los animales de manera progresiva con dosis cada vez más altas de la sustancia química hasta que la mitad mueren, y esta dosis se conoce entonces como dosis letal mediana (50%), o DL50. Cuanto menor sea la cantidad de la toxina que se usa para matar a 50% de los especimenes, más elevado será el valor tóxico de la sustancia. Algunas sustancias, como la dioxina y los PCB, muestran DL50 muy bajas, lo cual señala que son bastante peligrosas para los animales pequeños y otras especies de prueba. Sin embargo, hay algunos problemas graves con una prueba de esta índole. En primer lugar, las pruebas se realizan en especimenes de laboratorio, como ratones, y la cantidad de la toxina que produciría la muerte en los seres humanos se extrapola sobre la base del peso corporal, como se ilustra en el ejemplo siguiente. EJEMPLO 15.1

Problema Se ha realizado un estudio de toxicidad sobre la resistencia de los ratones a un nuevo pesticida que ha generado los resultados siguientes: Cantidad ingerida (mg)

Fracción que murió luego de 4 horas

0 (grupo de control) 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07

0 0 0.1 0.1 0.3 0.7 1.0 1.0

Capítulo 15 Manejo de residuos peligrosos 1 0.9 Fracción de ratones que murieron

484

0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0

0

0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 Pesticida ingerido (mg)

Figura 15.1 Cálculo de la DL50 a partir de datos sobre ratones. Véase el ejemplo 15.1.

¿Cuál es la DL50 de este pesticida para un ratón? ¿Cuál es la DL50 en el caso de un ser humano común que pesa 70 kg? Suponga que un ratón pesa 20 gramos. Solución Los datos se trazan como en la figura 15.1 (conocida como relación entre dosis y respuesta) y se identifica el punto en que los ratones mueren. La DL50 del ratón es, por tanto, alrededor de 0.043 mg. La dosis letal humana se estima como 70, 000 g (0.043 mg) = 150 mg 20 g

Sin embargo, esta conclusión es poco sólida. En primer lugar, la fisiología de una persona es muy distinta de la de un ratón, de modo que una persona quizá pueda ingerir más o menos cantidad de una toxina antes de manifestar un efecto adverso. En segundo lugar, el que se mide es un efecto agudo, no uno a largo plazo (crónico). Por tanto, no se mide la toxicidad de las sustancias químicas que afectan al cuerpo lentamente, durante años, ya que los experimentos con ratones se efectúan en cuestión de horas. Por último, la sustancia química investigada puede actuar en forma sinérgica con otras toxinas, y esta técnica supone que sólo hay un efecto adverso. Como ejemplo de estos problemas, considere el caso de la dioxina (que se analizó en el capítulo 14), que ha demostrado ser sumamente tóxica para los animales pequeños de laboratorio. Sin embargo, todos los datos epidemiológicos disponibles muestran que los seres humanos al parecer son bastante más resistentes a las dioxinas de lo que los datos indicarían. La CL50 es la concentración a la que una sustancia química es tóxica y esto se usa cuando no es posible medir la cantidad ingerida, como en el ambiente acuático o al evaluar la calidad del aire. Los especimenes, como los carpines, se colocan en una serie de acuarios y se aplican concentraciones cada vez más elevadas de una toxina. Luego se registra la fracción de peces que mueren al cabo de un periodo determinado y se calcula la CL50. Como pauta aproximada, se considera que un residuo es tóxico si se descubre que tiene una DL50 de menos de 50 mg/kg de peso corporal o si la CL50 es menor a los 2 mg/kg.

15.1

Definición de residuo peligroso

485

Finalmente, se considera que una sustancia química es tóxica cuando manifiesta fitotoxicidad o toxicidad para las plantas. Por tanto, todos los herbicidas son, por definición, materiales tóxicos, y cuando deben eliminarse tienen que tratarse como residuos peligrosos. Un último criterio para que un material sea peligroso consiste en que sea radiactivo. Sin embargo, los residuos radiactivos se manejan por separado y se rigen por reglas y regulaciones aparte. En la sección 15.3, se estudia el manejo de los residuos radiactivos. Un motivo de preocupación en la eliminación de los residuos peligrosos es la velocidad con que la sustancia química se libera y produce efectos tóxicos en plantas y animales. Por ejemplo, un método para la eliminación de residuos peligrosos que se usa a menudo consiste en mezclar el residuo con un compuesto de cemento, cal y otros materiales (proceso que se conoce como estabilización/solidificación). Cuando se deja endurecer la mezcla, se entierra en forma segura el material tóxico dentro del bloque de concreto, del que no puede escapar para ocasionar problemas. ¿O puede? Esta pregunta es también pertinente en casos como la eliminación de ceniza de un incinerador. Muchos de los materiales tóxicos, como los metales pesados, no se destruyen durante la incineración y escapan con la ceniza. Si estos metales se ligan sin obstáculos a la ceniza y no se filtran hacia las aguas subterráneas, entonces en apariencia no hay problema. Sin embargo, si se filtran en el agua cuando la ceniza se coloca en un relleno sanitario entonces sería preciso tratar la ceniza como residuo peligroso y, en consecuencia, eliminarse. ¿Cómo es posible entonces medir la velocidad a la que esas toxinas potenciales escapan del material en el que están insertas? Como aproximación rudimentaria a esa filtración o lixiviación potencial, la EPA utiliza un procedimiento de extracción, en el que el residuo solidificado se aplasta, se mezcla con ácido acetílico débil y se agita durante varias horas. Este proceso se conoce como procedimiento de lixiviación característico de la toxicidad (TCLP; Toxicity Characteristic Leaching Procedure). Una vez que ha ocurrido la lixiviación, el producto lixiviado se analiza en busca de posibles materiales peligrosos. La USEPA ha determinado una lista de contaminantes que constituyen un posible peligro agudo y su nivel no debe rebasarse en el lixiviado. En la tabla 15.2 se incluyen algunas de estas sustancias químicas. Muchas de las cifras en esta lista son Normas de Agua Potable de la USEPA multiplicadas por 100 para obtener la norma de lixiviación.

Tabla 15.2 Algunos ejemplos de máximas concentraciones permisibles de la EPA en lixiviados con la prueba TCLP Contaminante Arsénico Benceno Cadmio Cromo Cloroformo 2,4-D Heptacloro Plomo Pentaclorofenol Tricloroetileno Cloruro de vinilo

Nivel permisible (mg/L) 5.0 0.5 1.0 5.0 6.0 10.0 0.008 5.0 100.0 0.5 0.2

486

Capítulo 15 Manejo de residuos peligrosos Los críticos de la prueba señalan que calcular la toxicidad con fundamento en las normas para el agua potable es agravar una serie de posibles errores. Las normas del agua potable se fundan, después de todo, en datos escasos y a menudo establecidos con base en la conveniencia (tema que se analizó en el capítulo 1). ¿Cómo es posible entonces multiplicar estas cifras falaces por 100 y con rostro impasible decir que algo es tóxico o no? El procedimiento de lixiviación característico de la toxicidad (TCLP) también es una prueba con muchos cabos sueltos. Las condiciones, como el pH del agua y la temperatura, son importantes, por supuesto, así como la turbulencia de la mezcla y la condición del sólido colocado en la mezcladora. Las repercusiones financieras para una industria pueden ser sorprendentes si una de sus pruebas de lixiviación muestra niveles del contaminante que rebasan las concentraciones permisibles. Los resultados de la prueba que significan tanto para las empresas industriales a menudo tienen una base epidemiológica débil. Por desgracia, hasta que podamos aportar algo mejor, esto es todo lo que tenemos. Sí, es conservador, pero esta técnica nos permite darle la vuelta aunque sea en esta forma rudimentaria a los posibles efectos perjudiciales de los residuos peligrosos. En suma, un residuo es peligroso cuando no pasa ninguna de las pruebas que impedirían que se le clasificara de esa forma (y en las regulaciones no se especifica que esté exento). Con ayuda de estos criterios, la EPA ha creado una lista de sustancias químicas que considera peligrosas. La lista es larga y crece a medida que se identifican nuevas sustancias químicas y corrientes de residuos. Una vez que una sustancia química o la corriente de un proceso se presentan en la lista, debe tratarse como residuo peligroso y está sujeta a todas las regulaciones aplicables. Salir de la lista es un proceso difícil y costoso, y la carga de la prueba recae en el peticionario. Se trata de una situación, en cierto sentido, en la que la sustancia química se considera culpable hasta que demuestre su inocencia. Si se agrega un residuo a la lista, su eliminación se convierte en un verdadero dolor de cabeza porque sólo se dispone de algunos complejos para la eliminación de residuos peligrosos. Por lo común, se necesita una transportación larga y costosa, lo que obliga a la industria a eliminar el residuo en forma subrepticia (como las 200 mi de carretera en Carolina del Norte que se contaminan con PCB cuando los conductores sólo abren las válvulas de escape y drenan los camiones en lugar de hacer los largos viajes al complejo de eliminación) o a rediseñar sus plantas para no generar residuos. Esto último exige capacidad y capital, y más de un sector de la industria ha tenido que cerrar cuando no ha dispuesto de una o ambas cosas.

15.2

MANEJO DE RESIDUOS PELIGROSOS En Estados Unidos, la USEPA controla los residuos peligrosos. Este mandato se basa en una de varias legislaciones, particularmente la Ley para el Control de Sustancias Tóxicas (TSCA; Toxic Substances Control Act); La Ley de Respuesta, Compensación y Responsabilidad Ambiental Integral (CERCLA; Comprehensive Environmental Response, Compensation, and Liability Act); su enmienda, la Ley de Enmiendas y Reautorización de Superfondo (SARA; Superfund Amendments and Reauthorization Act); la Ley para la Conservación y Recuperación de Recursos (RCRA; Resource Conservation and Recovery Act) y su enmienda, las Enmiendas para Residuos Peligrosos y Sólidos (HSWA, Hazardous and Solid Waste Amendments). La TSCA busca prevenir la creación de materiales que a la larga puedan resultar perjudiciales o difíciles de eliminar en forma segura, en tanto que la RCRA aborda la eliminación de los residuos peligrosos al establecer normas para vertederos y procesos de tratamiento seguros. La CERCLA se enfoca en corregir los errores del pasado por medio de la limpieza de los viejos sitios de residuos peligrosos y se le conoce comúnmente como Superfondo porque se estableció un gran fondo fiduciario pagado por los sectores de la industria química y de la extracción con

15.2

Manejo de residuos peligrosos

487

la finalidad de proporcionar los recursos para limpiar los sitios abandonados. La USEPA usa estos fondos para resolver los problemas agudos debidos a la inapropiada eliminación de los residuos peligrosos o la descarga accidental y la limpieza de los sitios abandonados.

15.2.1

Limpieza de sitios abandonados

Como parte del programa del Superfondo, la USEPA estableció una Lista de Prioridades Nacionales (LPN) de los sitios con residuos peligrosos que necesitan un saneamiento inmediato y que reúnen los requisitos para recibir el financiamiento de acuerdo con la CERCLA. Las estimaciones sobre la cantidad de estos sitios varía, pero hay decenas (si no es que cientos) de miles que necesitan cierto nivel de saneamiento, con un costo entre millones y miles de millones de dólares (!). La LPN aún incluye unos 1,100 sitios no federales que necesitan atención inmediata. Cuando redactábamos este libro se habían limpiado alrededor de 980 sitios en total. Debido a la gran cantidad de posibles sitios merecedores del Superfondo, la USEPA ha creado un sistema de clasificación para que se resuelvan las peores situaciones y las menos apremiantes esperen hasta que se disponga de más fondos, tiempo y personal. Este Sistema de Clasificación de Peligros (SCP) trata de incorporar los efectos más sensibles de un área de residuos peligrosos, incluidos los posibles efectos adversos para la salud, el potencial de inflamabilidad o explosiones y el potencial de contacto directo con la sustancia. Estas tres modalidades se calculan por separado y luego se utilizan para obtener la calificación final. Tomando en cuenta la opinión pública, las puntuaciones se ven rebasadas por situaciones en las que la salud humana está en peligro, sobre todo en el caso de los materiales explosivos almacenados en zonas densamente pobladas. El potencial de contaminación de las aguas subterráneas en zonas donde las reservas de agua provienen de fuentes subterráneas también recibe una condición de prioridad. Esta técnica reduce al mínimo la crítica que a menudo enfrentan los funcionarios de la USEPA en el sentido de que no han hecho lo suficiente por limpiar los sitios merecedores del Superfondo. Han saneado, en realidad, los más difíciles y sensibles en primer lugar y debería elogiárseles por su rápida respuesta ante un problema que se ha agravado durante varias generaciones. Además de la lista de la USEPA, el Departamento de Energía cuenta con 160 sitios que necesitan saneamiento, y el Departamento de la Defensa tiene miles más. Este último ha gastado miles de millones de dólares en saneamientos; buena parte de esto es herencia de las pruebas y la fabricación de armas nucleares porque muchos de estos complejos eran estrictamente secretos y los operadores contratados podían hacer casi cualquier cosa que desearan con el residuo. Las entidades estatales también tienen listas de sitios que deben rehabilitarse. (Un sitio contaminado con cromo en la ciudad de Jersey en Nueva Jersey, por ejemplo, se analizó en el capítulo 1.) El tipo de trabajo que se efectúa en estos sitios depende de la gravedad y magnitud del problema. En algunos casos, en los que hay una amenaza inminente para la salud humana, la USEPA autoriza una acción de eliminación, lo que genera la extracción del material peligroso para su eliminación y tratamiento seguros. En casos menos agudos, autoriza una acción de rehabilitación, que puede consistir en la eliminación del material o, más a menudo, la estabilización del sitio de modo que haya menos probabilidades de ocasionar problemas para la salud. Por ejemplo, en el caso del notorio Canal Love en las Cataratas del Niágara, la acción de rehabilitación elegida fue esencialmente encapsular el sitio y vigilar todas las aguas subterráneas y emisiones de aire. El costo de excavar el canal habría sido exorbitante y no había garantía de que la eliminación final de los materiales peligrosos fuera más segura que dejarlos ahí. Además, el acto real de sacarlo y transportarlo habría generado problemas de salud humana significativos. La acción de rehabilitación, por tanto, sólo supone que se ha identificado el sitio y que se ha emprendido la acción para reducir al mínimo el riesgo de que el material peligroso ocasione problemas para la salud humana.

488

Capítulo 15 Manejo de residuos peligrosos En la situación más común algunas sustancias químicas ya han contaminado el agua subterránea, de modo que la rehabilitación es necesaria. Por ejemplo, una lavandería que ofrece servicios de lavado en seco puede descargar por accidente (o en forma deliberada) el líquido que utiliza para la limpieza de los residuos y éste puede hallar su camino hasta un pozo de agua potable que es el suministro de una residencia cercana. Una vez detectado el problema, la primera pregunta es si la contaminación representa o no una amenaza para la vida o si supone un riesgo importante para el ambiente. Luego, se realiza una serie de pruebas en las que se vigilan los pozos o se evalúan muestras de suelo para determinar la geología de la zona y el tamaño y la forma de la columna de humo o el rango del área contaminada. Dependiendo de la gravedad de la situación, se dispone de varias acciones alternas de rehabilitación. Si no hay una amenaza contra la vida y cabe esperar que la sustancia química se metabolice en productos finales inofensivos, entonces una de las soluciones consiste en no hacer nada salvo seguir vigilando, método conocido como atenuación natural. En la mayoría de los casos no sucede así y se necesita una intervención directa. La contención se utiliza cuando no hay necesidad de eliminar el material agresivo o si el costo de la eliminación resulta prohibitivo. La contención en general es la instalación de muros de lechada, que son zanjas profundas llenas de bentonita u otro material impermeable, y la vigilancia continúa en busca de fugas. Con el tiempo el material agresivo podría biodegradarse lentamente o modificar su composición química hasta convertirse en una forma no tóxica, o quizá se disponga de nuevos métodos de tratamiento para eliminar su toxicidad. La extracción y el tratamiento consisten en bombear agua subterránea contaminada hacia la superficie para su eliminación o tratamiento, o en excavar el suelo contaminado para eliminarlo o tratarlo. En ocasiones se inyecta aire en el suelo y se recolecta el aire contaminado. Las características de las sustancias químicas peligrosas determinan a menudo su ubicación subterránea y, por tanto, dictan el proceso de rehabilitación. Si la sustancia es inmiscible con el agua y es más ligera que ésta, es muy probable que flote en la superficie del acuífero, como se aprecia en la figura 15.2A. Extraer del suelo por bombeo esta sustancia química es relativamente sencillo. Sin embargo, si ya está disuelta en el agua entonces cabe esperar que se mezcle en una columna contaminada, como se muestra en la figura 15.2B. En tales situaciones será necesario contener la columna ya sea instalando muros a manera de barreras y bombear el residuo a la superficie para su tratamiento, o perforar un pozo de descarga para revertir el flujo de agua. Una tercera opción es que la sustancia química sea más densa que el agua e inmiscible, en cuyo caso cabría esperar que se encontrara en una capa impermeable en alguna parte bajo el acuífero, como se muestra en la figura 15.2C. Por lo común se perforan pozos alrededor del sitio contaminado de modo que el flujo de agua subterránea pueda revertirse o que el agua subterránea pueda contenerse en el área, como se expuso en el capítulo 10. El agua contaminada extraída debe tratarse, y la opción de tratamiento depende obviamente de la naturaleza del problema. Si la contaminación se debe a hidrocarburos, como el tricloretileno, es posible eliminarlos con carbono activado. También es posible usar algún sistema de tratamiento biológico o proceso de destilación. Si la contaminación es causada por metales, entonces puede utilizarse el proceso de precipitación o redox (reducción-oxidación). Algunos suelos pueden estar tan gravemente contaminados que la única opción es excavar el sitio y tratar el suelo ex-situ. Así suele ser con la contaminación por PCB pues al parecer ningún otro método funciona bien. El suelo se extrae y por lo común se incinera para eliminar los PCB, y luego se devuelve al sitio o vertedero. Dependiendo del contaminante, es posible usar la biodegradación en reactores o pilas. (La excavación y el vertedero también se usan comúnmente para cumplir con los programas de construcción y transacción de bienes raíces.)

15.2

Manejo de residuos peligrosos

489

Vertido A

Acuífero Acuicludo

B

Acuífero

Columna Acuicludo

C

Acuífero Acuicludo

Figura 15.2 Tres posibles ubicaciones del residuo peligroso subterráneo.

El tratamiento in situ del suelo contaminado supone la inyección de bacterias o sustancias químicas que destruirán el material agresivo. Si el motivo de preocupación son los metales pesados, éstos pueden unirse o fijarse químicamente de modo que no se filtren en el agua subterránea. Los solventes orgánicos y otras sustancias químicas pueden degradarse, inyectando para ello bacterias congeladas y desecadas o haciendo que las condiciones sean adecuadas para que las bacterias autóctonas degraden el residuo (por ejemplo, inyectando aire y nutrientes). Se han descubierto microorganismos que pueden descomponer materiales que previamente se pensó que eran refractarios o hasta tóxicos.

15.2.2

Tratamiento de residuos peligrosos

El tratamiento de materiales considerados peligrosos depende obviamente del material y la situación. Por tanto, hay varias opciones que los ingenieros pueden considerar en estas operaciones de tratamiento. Por lo común se usa el tratamiento químico, específicamente cuando se trata de los residuos inorgánicos. En algunos casos, una simple neutralización del material peligroso hará inofensiva la sustancia química; en otros se utiliza la oxidación, como en la destrucción de cianuro. El ozono a menudo se emplea como agente oxidante. En un caso en el que hay que eliminar metales pesados, el método elegido es la precipitación. La mayoría de los metales

490

Capítulo 15 Manejo de residuos peligrosos se vuelven sumamente insolubles en rangos de pH elevados, así que el tratamiento consiste en la incorporación de una base, como cal o ácido cáustico, y el asentamiento del precipitado (similar al proceso de reblandecimiento por cal y sosa cáustica descrito en el capítulo 10.) Otros métodos físicos y químicos empleados en la industria incluyen la ósmosis inversa, la electrodiálisis, la extracción de solventes y el intercambio de iones. Si el material peligroso es orgánico y fácilmente biodegradable, a menudo el tratamiento menos costoso y más confiable es el biológico, con las técnicas que describimos en el capítulo 11. Sin embargo, la situación se vuelve interesante cuando el material peligroso es un compuesto antropogénico (creado por el ser humano). Debido a que estas combinaciones de carbono, hidrógeno y oxígeno son nuevas para la naturaleza, quizá no haya microorganismos que los usen como fuente de energía. En algunos casos aún es posible hallar un microorganismo que use esta sustancia química como fuente de alimento, y el tratamiento consistiría entonces en un tanque de contacto biológico en el que se mantenga el cultivo puro. De manera opcional, es cada vez más probable que se diseñen microorganismos específicos por medio de manipulación genética para atacar ciertos residuos orgánicos difíciles de tratar. Encontrar el organismo específico puede ser una labor difícil y ardua. Hay millones para elegir así que, ¿cómo se sabría que al Corynebacterium pyrogens le gusta el toxafeno, un pesticida orgánico particularmente refractario? En segundo lugar, a menudo la ruta es intrincada y un organismo único sólo puede descomponer la sustancia química en otro compuesto refractario, que después sería atacado por un organismo diferente. Por ejemplo, el DDT se metaboliza por medio de hidrogenomonas al ácido p-clorofenilacético, al que luego atacan varias especies de arthrobacter. En las pruebas en que sólo se utiliza un cultivo para estudiar el metabolismo no se lograría observar, por tanto, la necesidad de una secuencia de especies. Un desarrollo interesante ha sido el uso de la metabolización conjunta para tratar sustancias químicas orgánicas que otrora se consideraba no biodegradables. Con esta técnica, el material peligroso se mezcla con otro no peligroso y por lo menos parcialmente biodegradable, y la combinación se trata en un biorreactor de lecho suspendido o fijo. Los microorganismos en apariencia están tan ocupados elaborando las enzimas necesarias para la degradación del material biodegradable (el metabolito) que olvidan su incapacidad para tratar el material tóxico (el metabolito conjunto). Sin embargo, las enzimas producidas biodegradarán ambas sustancias químicas. La incorporación de fenol al suelo, por ejemplo, engañará a algunos tipos de microorganismos, como el hongo, para que descompongan el clorofenol, aunque éste suele ser tóxico para el hongo. Una de las técnicas de tratamiento de uso más generalizado para los residuos orgánicos es la incineración. En términos ideales, los incineradotes de residuos peligrosos producen dióxido de carbono, vapor de agua y una ceniza inerte. En la actualidad, ningún incinerador logrará la combustión completa de los compuestos orgánicos. Descargará algunas sustancias químicas en las emisiones, concentrará otras en la ceniza de fondo y producirá varios compuestos denominados productos de combustión incompleta (PCI). Por ejemplo, se considera que los bifenilos policlorados (PCB) se descomponen dentro del incinerador a niveles de policloridibenzofuranos (CDBF) sumamente tóxicos que, aunque son orgánicos, no se oxidan a las temperaturas normales de los incineradores. Pese a estos problemas, los incineradotes de residuos peligrosos deben lograr niveles elevados de eficiencias en la eliminación, a menudo de 99.99% o superiores, lo que comúnmente se denomina criterio de los “cuatro nueves”. En algunos casos, las eficiencias de la eliminación exigen criterios de cinco o incluso seis nueves.

15.2 EJEMPLO 15.2

Manejo de residuos peligrosos

491

Problema Un incinerador de residuos peligrosos va a quemar 100 kg/h de residuo de un PCB compuesto por 22% de PCB y 78% de solventes orgánicos. En un ensayo de prueba, se mide la concentración de PCB en la emisión en 0.02 g/m3 y la velocidad de flujo del gas en la chimenea es de 40 m3/min. En la ceniza no se detecta PCB. ¿Qué eficiencia de eliminación (destrucción de PCB) logra el incinerador? Solución trada es

Una vez más es útil una caja negra. Lo que entra debe salir. La velocidad de en-

(100 kg/h)(0.22)(1,000 g/kg) = 22,000 g/h La velocidad de salida de la chimenea es QC = (40 m3/min)(0.02 g/m3)(60 min/h) = 48 g/h Como no hay PCB en la ceniza, la cantidad de PCB quemado debe ser la diferencia entre lo que entra y lo que sale: 22,000 − 48 = 21,952 g/h de modo que la eficiencia en la combustión es Eficiencia =

21, 952 g/h × 100 = 99.78% 22, 000 g/h

Sólo hay dos nueves, de manera que esta prueba no cumple con el criterio de los cuatro nueves.

15.2.3

Eliminación de residuos peligrosos

La eliminación de residuos peligrosos es similar en muchos sentidos a la de los residuos sólidos no peligrosos. Dado que la eliminación en los mares está prohibida y en el espacio exterior es aún muy costosa, el lugar de descanso final tiene que ser en la tierra. La inyección en pozos profundos se ha utilizado en el pasado y aún es el método elegido en el sector petroquímico. La idea es inyectar el residuo tan profundamente en la tierra que no pueda reaparecer en ningún periodo concebible y ocasionar daño. Éste es, por supuesto, el problema. Una vez en lo profundo de la tierra es imposible decir cuál será su destino final y qué agua subterránea terminará por contaminar. Un segundo método de eliminación en tierra consiste en rociar el residuo sobre ésta y brindar a los microorganismos del suelo la oportunidad de que metabolicen los compuestos orgánicos. Esta técnica se usaba de modo generalizado en las refinerías de petróleo y al parecer funcionaba excepcionalmente bien. Sin embargo, la USEPA la ha restringido porque hay poco control sobre la sustancia química una vez que está en la tierra. El método que más se utiliza para la eliminación de los residuos peligrosos son los rellenos sanitarios seguros. Estos rellenos en esencia se parecen a los del subtítulo D de la Ley para Conservación y Recuperación de Recursos (RCRA; Resource Conservation and Recovery Act), que se analizó en el capítulo anterior, sólo que de manera más acentuada. En lugar de una funda impermeable, los rellenos sanitarios seguros exigen múltiples fundas. El resido líquido

492

Capítulo 15 Manejo de residuos peligrosos está prohibido; todo el residuo debe encontrarse estabilizado o en recipientes. Las filtraciones se recolectan y se coloca una tapa en el relleno una vez ocupado. También se necesita cuidado continuo, aunque en la actualidad la USEPA exige sólo 30 años de vigilancia. La mayoría de los ingenieros especializados en residuos peligrosos coinciden en que no hay rellenos sanitarios seguros y que finalmente todo el material hallará su curso una vez más hacia el agua o el aire. Por tanto, apostamos a que los residuos en estos depósitos de almacenamiento se degraden solos o que los depósitos de almacenamiento se abran y el material se trate. Descubrimos que no es conveniente hacerlo ahora y esto queda como una herencia para las futuras generaciones.

15.3

MANEJO DE RESIDUOS RADIACTIVOS Hay un tipo de material peligroso especial que emite radiación ionizante, que en dosis elevadas puede resultar perjudicial para la salud humana. Los ingenieros ambientales por lo común no participan en materia de seguridad radiactiva, que es un campo especializado, pero deberían conocer tanto los riesgos como la tecnología para la eliminación de los materiales radiactivos. Además de la USEPA, la Comisión de Regulación Nuclear y el Departamento de Energía tienen autoridad sobre el manejo de los residuos radiactivos. La USEPA tiene particular injerencia cuando el residuo radiactivo se mezcla con los residuos peligrosos enumerados en la RCRA (sustancias conocidas como residuos mixtos).

15.3.1

Radiación ionizante

La radiación es una forma de energía que se debe a la descomposición de isótopos. El isótopo de un elemento tiene el mismo número atómico (cantidad de protones) pero un número de masa diferente (cantidad de neutrones y protones) que el elemento estándar. (En otras palabras, tiene un número distinto de neutrones.) Recuerde que el número atómico define al elemento; por ejemplo, el número atómico del uranio es 92. El uranio 235 (U-235), por tanto, es un isótopo de uranio (U-238). Para recuperar el equilibrio, los isótopos se descomponen emitiendo protones, neutrones o radiación electromagnética que se llevan la energía. Este proceso natural espontáneo es la radiactividad. Los isótopos que se descomponen de este modo se denominan radioisótopos. La energía emitida por esta descomposición que es suficientemente fuerte para deshacer los electrones y cortar los enlaces químicos se llama radiación ionizante. Hay cuatro tipos de radiación ionizante: partículas alfa, partículas beta, rayos gama (o fotones) y rayos X. Las partículas alfa consisten en dos protones y dos neutrones, de modo que son el equivalente del núcleo de un átomo de helio inyectado. Las partículas alfa son muy grandes y no penetran el material fácilmente; por tanto, la piel y el papel las detienen sin dificultad y no son de preocupación importante para la salud a menos que se ingieran, en cuyo caso pueden ocasionar mucho daño. La descomposición transforma el elemento principal en uno distinto, conocido como producto secundario. La radiación beta se deriva de una inestabilidad en el núcleo entre los protones y los neutrones. Al haber demasiados neutrones, algunos de éstos se descomponen y se convierten en un protón y un electrón. El protón permanece en el núcleo para reestablecer el equilibrio entre neutrones y protones en tanto que el electrón se inyecta como partícula beta. La partícula beta es mucho más pequeña que la partícula alfa y puede penetrar en el tejido vivo. Sin embargo, un centímetro de material protegerá en contra de las partículas beta. La descomposición beta, como sucede con la alfa, transforma el elemento principal en uno nuevo.

15.3 Manejo de residuos radiactivos

493

Tanto la descomposición alfa como beta están acompañadas por radiación gama, que es una liberación de energía a partir de la transformación de un núcleo desde un estado excitado hasta uno más estable. El elemento, por tanto, permanece igual y la energía se emite como radiación gama. Relacionados con la radiación gama están los rayos X, que se derivan de una liberación de energía cuando los electrones se transfieren de un estado energético más elevado a uno más bajo. Ambos tipos de radiación tienen más energía y poder de penetración que las partículas alfa y beta, de modo que se necesita un material denso, como el plomo o el concreto, para detenerlas. Todos los isótopos radiactivos se descomponen y, al final, alcanzan niveles energéticos estables. Como se presentó en el capítulo 5, la descomposición del material radiactivo es de primer orden, en cuanto a que el cambio en la actividad durante el proceso de descomposición es directamente proporcional a la actividad original presente, o dA = − kA dt

De donde

A = actividad t = tiempo k = constante de descomposición radiaactiva, unidades de tiempo inversas

Como antes, la integración resulta A = A0 e(− kt)

donde

A0 = la actividad en el momento cero.

De particular interés es la vida media del isótopo, lo cual significa que la mitad de los núcleos se han descompuesto en este momento. Al introducir y despejar A = A0/2 en la ecuación anterior, la vida media se calcula como t1/2 =

ln 2 0.693 = k k

La vida media de los radioisótopos pueden ser desde casi instantánea (como el polonio-212, con una vida media de 3.03 × 10–7 s!) hasta muy larga (el carbono-14 con una vida media de 5,570 años) (tabla 15.3). La vida media es característica de un isótopo. Por tanto, si se conoce el isótopo, se conoce la vida media y viceversa.

EJEMPLO 15.3

Problema ¿Cuál será la actividad después de cinco días de una fuente de 1.0 curies (Ci) de Rn-222? (Un Ci y un Bq, becquerel, son indicadores de la tasa de emisión o de descomposición.) Solución Para determinar la actividad, necesitamos usar A = A0 e(− kt)

494

Capítulo 15 Manejo de residuos peligrosos Tenemos A0 y t, y podemos calcular la constante k porque conocemos el elemento, Rn-222. En la tabla 15.3 vemos que Rn-222 tiene una vida media de 3.824 días. Con ayuda de t1/2 =

ln 2 k

da k = 0.181/d. De modo que la actividad será de 0.40 Ci en 5 días.

Tabla 15.3 Ejemplos de vida media Radioisótopo

Vida media

Carbono C-14

5 570 años

Oro Au-195 Au-198

183 días 2.696 días

Hidrógeno H-3

12.28 años

Hierro Fe-55 Fe-59

2.7 días 44.63 días

Plomo Pb-210 Pb-212

22.26 años 10.643 horas

Mercurio Hg-203

46.6 días

Polonio Po-210 Po-212 Po-214 Po-218

138.38 días 3.03 × 10−7 segundos 1.64 × 10−4 segundos 3.05 minutos

Radón Rn-220 Rn-222

55.61 segundos 3.824 días

Uranio U-234 U-235 U-238

2.45 × 105 años 7.04 × 105 años 4.47 × 109 años

15.3.2

Riesgos asociados con la radiación ionizante

Poco después de que Wilhelm Röntgen (1845-1923) descubriera los rayos X, se conoció el efecto perjudicial de la radiación ionizante en los seres humanos y se estableció el nuevo campo de la física de la salud con la creación de normas de seguridad, cuya premisa era identificar el grado de exposición seguro. Calcularon que debía haber un umbral, una exposición por debajo de la cual no se hallarían efectos. Luego de más de 30 años de estudiar los casos agudos y crónicos, descubrieron que su umbral era cada vez más bajo. Si bien se ha descubierto que pequeñas cantidades de radiación por encima de los niveles de fondo estimulan los sistemas

15.3 Manejo de residuos radiactivos

495

biológicos (proceso conocido como hormesis por radiación), llegaron a la conclusión de que suponer la ausencia de un umbral en la radiación es el curso de acción más seguro. La exposición del tejido humano a la radiación ionizante se complica por el hecho de que diferentes tejidos absorben la radiación de modo distinto. Sin embargo, para entender esto primero debemos definir cierta unidad de energía que exprese la radiación ionizante. Históricamente, ésta se estableció como el roentgen, definido como la exposición de la radiación gama o de rayos X igual a una cantidad unitaria de carga eléctrica producida en el aire. El roentgen es una cantidad puramente física que mide la tasa de ionización; no tiene nrelación con la absorción o el efecto de la radiación. Diferentes tipos de radiactividad pueden crear distintos efectos y no todos los tejidos reaccionan del mismo modo a la radiación. Por tanto, se inventó el rem (roentgen equivalent man [roentgen equivalente en el hombre]). El rem toma en cuenta el efecto biológico de la radiación nuclear absorbida, de modo que mide el grado de lesión biológica. El rem, en contraste con el roentgen, es una dosis biológica. Cuando se comparan diferentes fuentes de radiación en busca de un posible daño a la salud humana, se emplean los rems como unidades de medición. La higiene radiológica moderna ha sustituido al roentgen por una nueva unidad, el gray (Gy), definida como la cantidad de radiación ionizante que genera la absorción de un julio de energía por kilogramo de material de absorción. Pero existe el mismo problema, en cuanto a que la absorción puede ser la misma, pero el daño podría ser distinto. Por tanto, se inventó el sievert (Sv). Un Sv es una dosis de radiación absorbida que causa la misma cantidad de daño biológico al tejido que un Gy de radiación gama o de rayos X. Un Sv es numéricamente igual a 100 rems. El daño de la radiación es crónico y agudo. El envenenamiento por radiación, como en los bombardeos de Hiroshima y Nagasaki al final de la Segunda Guerra Mundial, demostró que la radiación puede matar al cabo de algunas horas o días. Con el tiempo, los niveles bajos de exposición a la radiación pueden generar cáncer o efectos mutagénicos, y éstas son las exposiciones de mayor preocupación para el público. Las fuentes de exposición de los seres humanos a la radiactividad pueden clasificarse como: radiación de fondo involuntaria, radiación voluntaria, radiación incidental involuntaria y exposición a la radiación involuntaria debida a accidentes. La radiación de fondo se debe principalmente a la radiación cósmica proveniente del espacio, la descomposición natural de los materiales radiactivos en las rocas (terrestres) y a la radiación por vivir dentro de edificios (interna). Un tipo muy especial de radiación de fondo es la que se debe al radón. El radón 222 es un isótopo natural con una vida media de 3.8 días y es producto de la descomposición del uranio en la superficie terrestre. El radón es un gas, y dado que el uranio es tan ubicuo en el suelo y la roca, hay mucho radón presente. En razón de su relativamente larga vida media, permanece el tiempo suficiente para acumular elevadas concentraciones en los edificios. Se sabe que los productos de su descomposición son isótopos peligrosos que, si se aspiran y llegan a los pulmones, pueden producir cáncer. La mejor técnica para reducir el riesgo del radón es vigilar primero para ver si existe un problema y, si es necesario, sacar al exterior el radón por medio de ventilación. La radiación voluntaria puede provenir de fuentes como los diagnósticos por medio de rayos X. Una placa de rayos X dental puede producir cientos de veces la radiación de fondo y debería evitarse a menos que fuese absolutamente necesaria. Después del descubrimiento de los rayos X (denominados rayos roentgen en todas partes del mundo salvo en Estados Unidos), empezaron a observarse sus efectos perjudiciales debido a las muertes prematuras de muchos amigos de Röentgen. Otra fuente de exposición voluntaria ocurre en los vuelos de gran altitud en las líneas aéreas comerciales. La atmósfera de la Tierra es un buen filtro para la radiación cósmica, pero la filtración es menor a mayor altitud.

496

Capítulo 15 Manejo de residuos peligrosos La radiación incidental involuntaria proviene de fuentes como las centrales de energía nuclear, los complejos armamentísticos y las fuentes industriales. Si bien la Comisión de Regulaciones Nucleares permite límites de exposición bastante altos para los trabajadores que laboran en estos complejos, es muy exigente respecto a permitir que la radiación rebase las premisas. Con toda probabilidad la cantidad de radiactividad producida en tales complejos estaría dentro del nivel de fondo. El cuarto tipo de exposición a la radiación ocurre a partir de los accidentes y esto es un asunto diferente. La exposición accidental a la radiación más difundida se ha debido a los accidentes o cuasi-accidentes en las centrales de energía nuclear. El que ocurrió en 1979 cerca de Harrisburg, Pennsylvania, en el complejo de energía nuclear de Three Mile Island fue suficientemente grave para detener en seco la ya sorprendente industria de energía nuclear en Estados Unidos. Después de una serie de errores operativos, se liberó una gran cantidad de productos de fisión en la estructura contaminada; la cantidad de estos productos hacia la atmósfera fue menor, de modo que en ningún momento se rebasaron los niveles de radiación aceptables en torno a la planta. La liberación de radiación durante el accidente fue tan pequeña, en realidad, que se estima que generaría una muerte adicional por cáncer en un radio de 50 millas alrededor del complejo de Three Mile Island. Sería imposible detectar esto porque dentro del radio puede esperarse que se desarrollen más de 500,000 casos de cáncer durante la vida de la gente que habita la zona. Un accidente de mucho mayor alcance ocurrió en Chernobyl, Ucrania. En realidad no se trató de un accidente en sentido estricto porque el desastre lo ocasionaron varios ingenieros que querían realizar ciertas pruebas no autorizadas en el reactor. Las señales de advertencia se apagaron cuando procedieron con su experimento, y sistemáticamente apagaron todas las alarmas hasta que el reactor experimentó una fusión de su núcleo. El núcleo del reactor quedó destruido; el reactor se incendió y la estructura contaminante endeble se derrumbó. Escaparon cantidades masivas de radiación a la atmósfera, y si bien una buena parte de ésta aterrizó a los pocos kilómetros del complejo, otra parte llegó hasta Estonia, Suecia y Finlandia. De hecho, el accidente se descubrió inicialmente cuando el personal de seguridad radiactiva en Suecia detectó niveles inusualmente elevados de radiactividad. Sólo entonces los funcionarios de la extinta Unión Soviética reconocieron que, en efecto, hubo un accidente. En total, 31 personas murieron de envenenamiento por radiación aguda, muchos al entrar heroicamente en el complejo radiactivo para tratar de extinguir las llamas. Las mejores estimaciones indican que el accidente producirá un exceso de hasta 9,000 muertes por cáncer en la población de Ucrania, Bielorrusia, Lituania y los países escandinavos. Pero, una vez más, esta cifra queda eclipsada por la expectativa total de muertes de cáncer de 10 millones durante la vida de las personas que habitan esta región. La radiación total que recibimos se relaciona, por supuesto, con la forma en que llevamos nuestra vida, dónde elegimos trabajar, si optamos por fumar o no, si tenemos radón en nuestros sótanos, entre otras cosas. No obstante, es posible hacer algunas estimaciones de dosis de radiación anual para el ciudadano promedio de Estados Unidos. Obviamente, la radiación total es mucho más elevada en el caso de algunas personas. El otro aspecto que vale la pena enfatizar es la importancia abrumadora del radón; esto es especialmente cierto cuando se entiende que sólo una fracción de la gente en Estados Unidos vive en casas con sótanos, donde por lo general ocurren los problemas de radón.

15.3.3

Tratamiento y eliminación de residuos radiactivos

La diferencia más importante que es preciso hacer respecto a la eliminación de los residuos radiactivos es el nivel de radiactividad emitido. Si bien parece haber un sistema cada vez más complejo para la caracterización de los residuos radiactivos, la clasificación general es de

15.4

Manejo de materiales sostenibles

497

residuos de alto nivel, de nivel intermedio y de bajo nivel. Los residuos de alto nivel se generan principalmente por la producción de energía eléctrica, y se identifican por actividades en el rango de los curies por litro. Los residuos de nivel intermedio se producen por la fabricación de armas, y aunque sus actividades están en el rango de los milicuries, estos isótopos en particular son de larga duración, de modo que estos residuos exigen un almacenamiento de largo plazo. Los residuos de bajo nivel, caracterizados por actividades en el rango de los microcuries por litro, se generan en hospitales y laboratorios de investigación. En las centrales de energía nuclear, la fisión nuclear ocurre cuando el material fisionable, como el uranio 237, se bombardea con neutrones y se establece una reacción en cadena. El material fisionable luego se divide (de ahí el nombre de “fisión”) para liberar grandes cantidades de calor, que se utiliza a su vez para producir vapor y después electricidad. Cuando el U-237 se descompone, produce una serie de isótopos secundarios que en sí se descomponen hasta que la velocidad y, por tanto, la producción de calor, se reducen. Lo que queda, comúnmente conocido como los fragmentos de la fisión, representa el material radiactivo de alto nivel que exige enfriamiento, almacenamiento a largo plazo y su eliminación final. El almacenamiento a largo plazo de los residuos radiactivos de alto nivel ha sido un tema polémico durante décadas. Por encima de las protestas, se ha elegido y prepara un sitio para este propósito en Yucca Flats, Nevada. La eliminación de los residuos radiactivos de bajo nivel no representan problema; dado que sus niveles de actividad son tan bajos que pueden manejarse por contacto directo parecería que, con una reducción sensata del volumen (digamos, por medio de incineración), cualquier relleno sanitario seguro sería adecuado. El Congreso de Estados Unidos aprobó la Ley de Políticas de Residuos de Bajo Nivel en 1980, que estipula que los estados deben formar compactos de modo que cada entidad ocupará su turno para proporcionar un complejo para la eliminación durante cierto tiempo. Por desgracia, la sola mención de la palabra “radiactividad” es suficiente para estimular a la opinión pública e impedir el establecimiento de estos complejos para la eliminación.

15.4 MANEJO DE MATERIALES SOSTENIBLES En el libro, Materials Matter, Kenneth Geiser identifica dos estrategias para respaldar el manejo de materiales sostenibles.1 Uno supone desarrollar formas de usar menos material para prestar el mejor servicio y satisfacer así las necesidades humanas, proceso que se conoce como “desmaterialización”. La segunda estrategia, llamada “desintoxicación”, se usa para disminuir el peligro inherente asociado con las sustancias químicas que se utilizan en los productos y los procesos industriales. La desmaterialización significa reducir la cantidad de material en un producto sin que mengue la calidad del servicio que presta. Reduce el flujo de materiales vírgenes en el sistema industrial/económico y a través de él. Las estrategias de desmaterialización consisten en reducir el peso y el grosor de los materiales de embalaje, desarrollar sustancias químicas orgánicas a partir de residuos de biomasa en lugar de combustibles fósiles y fomentar que los sectores del reciclamiento y de los materiales secundarios mantengan los materiales recorriendo los circuitos industriales en lugar de depender de los recursos vírgenes. Una variante de la desmaterialización es la rematerialización: modificar el uso de materiales inherentemente más sostenibles en lugar de usar menos del material inicial. El diseño de productos para reparar, actualizar y/o reciclar respalda la necesidad de menos recursos y ayuda a mantener los materiales dentro del sistema industrial/económico. La creciente demanda de materiales para el crecimiento pone en entredicho la desmaterialización como estrategia para el manejo sostenible de materiales,

498

Capítulo 15 Manejo de residuos peligrosos aunque sea a una tasa per capita menor. Un ejemplo de desmaterialización es el sistema de Soda Club.

EJEMPLO 15.4

Problema Muchas personas disfrutan el agua carbonatada (agua mineral o efervescente). El sistema de Club Soda exige la compra de una botella de un litro, un cartucho de CO2 recargable que producirá 110 L de refresco de soda y la caja que lo contiene. La botella es rellenable hasta que se cuartea o, en todo caso, deja de funcionar adecuadamente. Para hacer agua carbonatada, uno llena la botella con su propia agua del grifo o filtro, atornilla la botella en la caja del cartucho de CO2 y luego presiona un botón para liberar el CO2 en la botella. Luego de unos instantes, un ruido grave generado por la presión en la botella indica que el líquido está adecuadamente carbonatado y preparado para beberse. Suponga que el costo total para empezar es de 79 dólares; incluye el cartucho de CO2, la botella y la caja. Cuando se vacía el cartucho de CO2, uno puede devolverlo al lugar en que lo compró para recargarlo por 15 dólares. Suponga que su familia actualmente bebe 6 L de agua carbonatada a la semana a 1.50 dólares por botella y que usted compra una caja de 12 botellas y realiza un viaje a la tienda de comestibles en cada ocasión. Compare el costo, el transporte y los residuos generados de comprar botellas individuales de agua carbonatada con el uso del sistema de Club Soda. Solución

En primer lugar, determine la situación de comprar botellas individuales

Cantidad de botellas individuales =

(6 L/semana )( 52 semanas/año ) = 312 1 L/botella

312 botellas/año = $468/año $1.50/botella (312 botellas/año)( 1 viaje/caja ) = 26 viajes Viajes = 12 botellas/caja Costo =

Después, determine la situación de comprar el sistema. Cantidad de cartuchos =

(6 L/semana )( 52 semana/año) = 2.8 = 3 110 L/cartucho

Costo del primer año = $79 + $15(2) = $109 Costos de los años posteriores = $15(3) = $45

Los datos se resumen en la tabla siguiente.

Opción

Costo ($ por año)

Cantidad de botellas

Cantidad de viajes a la tienda

Compra de botellas por ocasión

468

312

26

Sistema de Soda Club (primer año)

109

1

3

45

0

3

Sistema de Soda Club (año siguiente)

15.4

Manejo de materiales sostenibles

499

Aunque ésta no es una evaluación del ciclo de vida completo, los datos evidencian que el sistema de Soda Club desmaterializaría el consumo de su familia de agua carbonatada. Esto significa que necesitaría mucho menos botellas para proporcionar la misma cantidad de bebida. Los beneficios colaterales agradables comprenden una reducción de sus costos directos y de transporte. Si se adopta en forma amplia, el impacto influiría en el mercado y la cantidad de residuos generados por las bebidas carbonatadas, lo que reduciría la necesidad de manejo de residuos sólidos.

La estrategia de la desintoxicación comprende: r
TVTUJUVJS
TVTUBODJBT
RVÎNJDBT
QSPCMFNÃUJDBT
QPS
PQDJPOFT
CFOJHOBT
QPS
FKFNQMP
TVTUJtuir surfactantes que se degradan hasta convertirse en subproductos tóxicos por surfactantes rápidamente biodegradables); r
SFUJSBS
EF
NBOFSB
HSBEVBM
FM
VTP
EF
TVTUBODJBT
RVÎNJDBT
QSFPDVQBOUFT
DPNP
BRVFMMBT
persistentes, bioacumulativas y tóxicas (PBT); r
HFOFSBS
UÓYJDPT
TPCSF
EFNBOEB
P
KVTUP
B
UJFNQP
QBSB
FWJUBS
MB
OFDFTJEBE
EF
BMNBDFOBmiento y transporte; r
EJTFÒBS
OVFWBT
TVTUBODJBT
RVÎNJDBT
Z
NBUFSJBMFT
RVF
TFBO
CFOJHOPT
SFTQFDUP
B
MB
TBMVE
humana y el ambiente. El diseño de estas sustancias químicas forma parte del ámbito del campo cada vez más amplio de la química ecológica. La química ecológica ha surgido como estrategia eficaz para la desintoxicación y como medio para diseñar productos y procesos químicos a fin de crear materiales y productos sostenibles.

15.4.1

Química ecológica

La química ecológica es el diseño de productos y procesos químicos que reducen o eliminan el uso y la generación de sustancias peligrosas.2 El enfoque de la química ecológica está puesto en el diseño porque las decisiones que se toman en el plano del diseño influyen en el desempeño, la toxicidad y el destino de las sustancias químicas. El enfoque en el peligro y no en el riesgo también es significativo. El riesgo está en función del peligro y la exposición. El término “peligro” se utiliza ampliamente para incluir cualquiera de los atributos inherentes a una sustancia química si uno está expuesto a ésta. El peligro puede comprender toxicidad humana aguda, toxicidad humana crónica (es decir, carcinogenecidad, toxicidad reproductiva o durante el desarrollo, irritación ocular o cutánea, sensibilidad de la piel o del sistema respiratorio), toxicidad ecológica, aspectos de seguridad (explosividad o inflamabilidad), potencial de daño a la capa de ozono, destrucción del hábitat biológico y más. La química ecológica o verde aborda el riesgo, pero desde un ángulo diferente del de las prácticas convencionales. El manejo de riesgo tradicional se concentra en administrar el riesgo controlando para ello el potencial de exposición. Sin embargo, los controles de la exposición fallan, lo que ha conducido a incidentes mortales, como en Bhopal, India, donde la liberación de isocianato de metilo mató a miles de personas en una población cercana. Dado que el isocianato de metilo es sumamente peligroso, cuando los controles de exposición fallaron y se liberó la sustancia, se generó una situación de alto riesgo. Al abordar y reducir el peligro inherente a una sustancia química, es posible reducir el riesgo y hasta eliminar la necesidad de controles de exposición, lo que puede ser muy costoso. La química ecológica es un instrumento para los químicos, los ingenieros químicos y otros que diseñan sustancias y materiales para ayudar a la sociedad en su tránsito hacia la

500

Capítulo 15 Manejo de residuos peligrosos meta de la sostenibilidad. Se define por un conjunto de 12 principios articulados por Anastas y Warner en 1998. La sabiduría que hay detrás del modelo de la química ecológica ha ganado popularidad en los últimos años, y ahora vemos el surgimiento de políticas y legislaciones que la respaldan. En Estados Unidos, el gobernador de Michigan promulgó la Orden Ejecutiva de Química Ecológica; California crea una plataforma política denominada Iniciativa de Química Ecológica para respaldar a la química ecológica y el diseño de cuna a cuna; y en el Congreso de Estados Unidos se presentó el proyecto de ley 2669 del Senado, la Ley de Investigación y Desarrollo de Química Ecológica de 2008. A continuación se presentan varios ejemplos de química ecológica para ilustrar cómo es posible diseñar materiales de modo que sean ambientalmente compatibles y que correspondan a un sistema de materiales sostenibles. Estos ejemplos se derivan de los participantes y ganadores del programa de Reconocimiento Presidencial al Reto de la Química Ecológica, el único de reconocimiento químico a nivel presidencial en Estados Unidos. En 1998, Rohm y Haas Company ganó el Reconocimiento Presidencial al Reto de la Química Ecológica por diseñar el antiincrustante marino llamado Sea-NineTM. El incrustante (crecimiento no deseado de plantas y animales en la superficie de los barcos) cuesta al sector naviero aproximadamente 3,000 millones de dólares al año; una parte significativa de este costo es el consumo creciente de combustible necesario para superar el arrastre hidrodinámico. Los principales compuestos utilizados históricamente en todo el mundo para controlar el incrustamiento se basan en organoestánnicos, como el óxido de tributilestaño (TBTO). Si bien son eficaces para prevenir el incrustamiento, son tóxicos y persistentes en el ambiente. Los efectos ambientales negativos asociados con el TBTO comprenden toxicidad aguda, bioacumulación, disminución de la viabilidad reproductiva y aumento del grosor de los mariscos. Rohm and Haas Company buscaron desarrollar un antiincrustante que protegiera los barcos del incrustamiento por medio de una amplia variedad de organismos marinos sin ocasionar perjuicio a los organismos que no eran los objetivos. Los científicos de la compañía eligieron compuestos de la clase 3-isothiazolone. En concreto, se eligió el 4,5-dicloro-2-n-octilo-4-isothiazolone-3-uno porque se descubrió que era eficaz y se degradaba con rapidez en el agua salada y más rápido (1 hora) en sedimento. Si bien el TBTO se considera sumamente bioacumulativo, el Sea-NineTM no se bioacumula en absoluto. Tanto el TBTO como el Sea-NineTM son en realidad tóxicos para los organismos marinos, que es una característica deseable de un antiincrustante marino. Pero el Sea-NineTM se degrada con rapidez y no es crónicamente tóxico. Por tanto, la sustancia química hace su trabajo, pero no ocasiona daño más allá de su función inmediata. El TBTO persiste y se bioacumula en el ambiente, de modo que sigue teniendo efectos tóxicos. EDEN Bioscience Corporation recibió el Reconocimiento Presidencial al Reto de la Química Ecológica en 2001 por el producto Messenger®. Éste se basa en una clase de proteínas no tóxicas que se generan en forma natural llamadas “harpins”. Las proteínas harpins activan los sistemas de defensa naturales de las plantas para protegerse de las enfermedades y las plagas. También activa ciertos sistemas de crecimiento de las plantas sin alterar el ADN vegetal. Al aplicarse a los cultivos, las harpins refuerzan la salud de la planta, lo que resulta en una mayor biomasa vegetal, fotosíntesis, ingesta de nutrientes y desarrollo de las raíces. Al final, estos aumentos generan un mayor rendimiento de las cosechas y calidad del producto. Se calcula que las pérdidas de los cultivos a causa de las plagas ascienden a unos 300,000 millones de dólares en todo el mundo. Los agricultores por lo común han seguido dos estrategias para limitar las pérdidas económicas y aumentar los rendimientos: 1) utilizar pesticidas químicos tradicionales o 2) sembrar cultivos diseñados genéticamente para resistir a las plagas. Cada uno de estos métodos tiene consecuencias negativas, sobre todo en los organismos que no son el objetivo de combate y en términos de percepción pública. En contraste, se ha demos-

15.4

Manejo de materiales sostenibles

501

trado que las proteínas harpins casi no tienen efectos adversos en ninguno de los organismos evaluados, incluidos mamíferos, aves, abejas, plantas, peces, invertebrados acuáticos y algas. En virtud de que se trata de una molécula frágil y que se degrada con rapidez por los rayos UV y los microorganismos naturales, no tiene posibilidades de bioacumulación y no contaminará los recursos superficiales y de agua subterránea. A diferencia de la mayor parte de las sustancias químicas agrícolas, los productos basados en las proteínas harpins se producen en un sistema de fermentación basado en agua que no utiliza solventes o reactivos duros, sólo necesitan entradas de energía modestas y no generan residuos químicos peligrosos. Desde la perspectiva del ciclo de vida, la proteína harpin se elabora por medio de procesos de la química ecológica, tiene características de peligrosidad bajas y respalda la agricultura sostenible. En 2008, Battelle y sus socios Advanced Image Resources y Ohio Soybean Council, recibieron el Reconocimiento Presidencial al Reto de la Química Ecológica por crear un tóner basado en la soya. Las impresoras y copiadoras láser utilizan unos 400 millones de libras de tóner cada año sólo en Estados Unidos. Los tóneres tradicionales se adhieren tan estrechamente que resulta difícil removerlos del papel residual para fines de reciclamiento. También están elaborados a partir de materiales que de entrada se basan en el petróleo, como los acrilatos de estireno y el butadieno de estireno. Battelle y sus socios crearon un tóner basado en la soya que se desempeña tan bien como los tóneres tradicionales, pero es mucho más sencillo de remover. La nueva tecnología de tóner puede ahorrar cantidades significativas de energía y permitir que se recicle más fibra de papel. El nuevo tóner se venderá bajo la marca BioRez® y Rezilution®. Una vez que se vuelva comercial, proporcionará a los usuarios las mismas cualidades de impresión y copiado, pero utilizando una química basada en la soya. Hay muchos más ejemplos de innovación de la química ecológica. Algunos de éstos reflejan cambios en los procesos químicos, como la eliminación de solventes peligrosos o el uso de catalizadores para reducir la cantidad de pasos que se dan en una síntesis química. Otros ejemplos ilustran la generación de nuevas sustancias químicas para sustituir a aquellas preocupantes. Y otros demuestran la innovación pues generan las sustancias químicas deseadas a partir de materias primas con bases biológicas y no basadas en el petróleo, aspecto que ha sido la columna vertebral de la química ecológica. Ésta es importante porque demuestra que es posible diseñar en forma deliberada nuevas moléculas y procesos químicos con la intención de reducir el peligro general y producir productos y procesos sostenibles. Aunque la tecnología no es una panacea para la sostenibilidad, puede ofrecer soluciones innovadoras. De acuerdo con Arnulf Grübler, en su libro, Technology and Global Change,3 “Por medio de la tecnología, la humanidad se ha ido liberando cada vez más durante 300 años del ambiente. La labor no está completa ya que miles de millones de personas siguen excluidas de los beneficios de la tecnología. La siguiente tarea inmediata consiste en asegurar su inclusión. Pero, ¿qué sigue? Necesitamos una visión utópica, un nuevo manifiesto tecnológico, a fin de establecer nuestras metas para el siglo xxi”. Grübler sostiene que la tarea que hay por delante es liberar progresivamente al ambiente de la interferencia humana adversa. “Para este largo viaje de un siglo necesitaremos más tecnología, no menos. A medida que la población del mundo alcanza los 10 000 millones o más de habitantes, reconocemos que la naturaleza no puede protegerse perfectamente de la intervención humana como tampoco nosotros podemos protegernos perfectamente de la naturaleza. Pero el cambio tecnológico puede relajar nuestro agarre y aligerar nuestro paso en el mundo natural. Nuestras opciones están limitadas por lo que ya existe y el legado ambiental del pasado. Pero a la larga, la capacidad de las opciones sociales para dar forma a la tecnología no tiene límites.”

502

Capítulo 15 Manejo de residuos peligrosos

15.4.2

Prevención de la contaminación

Un aspecto derivado del manejo de materiales sostenibles pero que se practica en forma muy generalizada es la prevención de la contaminación. La EPA define la prevención de la contaminación en los siguientes términos: El uso de materiales, procesos o prácticas que reducen o eliminan la generación de contaminantes o residuos desde su origen. Comprende prácticas que reducen el uso de materiales peligrosos, energía, agua u otros recursos y prácticas que protegen los recursos naturales por medio de una conservación o un uso más eficientes.

En el sentido más amplio, la prevención de la contaminación es la idea de eliminar los residuos al margen de cómo podría hacerse. Es el mismo concepto que el manejo de residuos sólidos municipales que describimos en el capítulo 14, pero los incentivos para utilizarlo son mucho mayores. Originalmente, la prevención de la contaminación se aplicaba a las operaciones industriales con la idea de reducir la cantidad de residuos procesados o modificar sus características para hacer que eliminarlos resultase más fácil. Muchos sectores industriales cambiaron a las pinturas solubles en agua, por ejemplo, eliminando con ello los solventes orgánicos, el tiempo de limpieza, etcétera, y a menudo ahorraron dinero en forma considerable. De hecho, el concepto se introdujo en un inicio como “la prevención de la contaminación paga”, subrayando que muchos de los cambios en realidad ahorrarían dinero a las compañías. Además, la eliminación o reducción de los residuos peligrosos y por lo demás difíciles tiene un efecto en el largo plazo. Reduce la responsabilidad social que la compañía carga sobre sí como consecuencia de sus operaciones de eliminación. Con la aprobación de la Ley para la Prevención de la Contaminación de 1990, a la EPA se le ordenó fomentar la prevención de la contaminación estableciendo para ello normas apropiadas para las actividades destinados a ese propósito, asistir a los organismos federales para que redujeran los residuos generados, trabajar con la industria para promover la eliminación de residuos creando intercambios y otros programas, buscar y eliminar las barreras para la transferencia eficiente de posibles residuos y hacer esto con la cooperación de cada una de las entidades estatales. En general, el procedimiento para la implementación de las actividades de prevención de la contaminación consiste en r
SFDPOPDFS
MB
OFDFTJEBE r
WBMPSBS
FM
QSPCMFNB r
FWBMVBS
MBT
PQDJPOFT r
JNQMFNFOUBS
MBT
TPMVDJPOFT Contrario a la actitud hacia la mayor parte de las actividades de control de la contaminación, los diferentes sectores de la industria en general han recibido de buena gana esta acción gubernamental, reconociendo que la prevención de la contaminación puede generar, y a menudo lo hace, una reducción de los costos para la industria. Por tanto, el reconocimiento de la necesidad a menudo es interno y la compañía busca iniciar el procedimiento de prevención de la contaminación. Durante la fase de valoración, un procedimiento común consiste en realizar una auditoría de los residuos, es decir, el balance de masa de la caja negra, utilizando a la compañía como tal. Considere el ejemplo 15.5.

15.4 EJEMPLO 15.5

Manejo de materiales sostenibles

503

Problema A una compañía manufacturera le preocupan las emisiones aéreas de los carbonos orgánicos volátiles (COV). Estas sustancias químicas pueden volatilizarse durante el proceso de manufactura, pero no hay forma de estimar cuántas o qué sustancias químicas. La compañía realiza una auditoría de tres de sus COV más utilizados y obtiene los resultados siguientes. (La velocidad de flujo del caudal de entrada promedio a la planta de tratamiento es de 0.076 m3/s.) Registros del departamento de compras Cantidad de compras Material (barriles)

Tetracloruro de carbono (CCl4) Cloruro de metileno (CH2Cl3) Tricloretileno (C2HCl3)

48 228 505

Caudal de entrada a la planta de tratamiento de aguas residuales Concentración promedio Material (mg/L)

Tetracloruro de carbono Cloruro de metileno Tricloretileno

0.343 4.04 3.23

Manifiestos de residuos peligrosos (que indican qué abandona la compañía para un com-

plejo de tratamiento de residuos peligrosos) Material

Barriles

Tetracloruro de carbono Cloruro de metileno Tricloretileno

Concentración(%)

48 228 505

80 25 80

Barriles no utilizados al final del año Material Barriles

Tetracloruro de carbono Cloruro de metileno Tricloretileno

1 8 13

¿Cuánto COV escapa? Solución

Realice un balance de masa de caja negra: Masa de A por unidad de tiempo ACUMULADA

Masa de A por unidad de tiempo de ENTRADA

=

+

+

Masa de A por unidad de tiempo PRODUCIDA

Masa de A por unidad de tiempo de SALIDA Masa de A por unidad − de tiempo CONSUMIDA

504

Capítulo 15 Manejo de residuos peligrosos El material A es, por supuesto, cada uno de los tres COV. Necesitamos conocer la conversión de barriles a metros cúbicos y la densidad de cada sustancia química. Suponga que cada barril tiene 0.12 m3, y que las densidades de las tres son de 1,548, 1,326 y 1,476 kg/m3, respectivamente. La masa anual del tetracloruro de carbono es [Masa ACUMULADA] = (1 barril/año)(0.12 m3/barril)(1,548 kg/m3) = 186 kg/año De igual modo, [Masa de ENTRADA] = (48 barriles/año)(0.12 m3/barril)(1,548 kg/m3) = 8 916 kg/año La masa de salida está en tres partes: descarga de la masa a la planta de tratamiento de aguas residuales, masa que se va en camiones al complejo de eliminación de residuos peligrosos y la masa que se volatiliza. Así que, suponiendo que la planta opera los 365 días del año: [Masa de SALIDA] = [(0.343 g/m3)(0.076 m3/s)(86,400 s/día)(365 días/año)(10−3 kg/g)] + [(48 barriles/año)(0.12 m3/barriles)(1,548 kg/m3)(0.80)] + Aaire = 822 + 7 133 + Aaire No hay tetracloruro de carbono consumido o producido, de modo que en kg/año 186 = 8,916 − [822 + 7,133 + Aaire] + 0 − 0 y Aaire = 775 kg/año Si se hace un balance similar sobre las otras sustancias químicas, al parecer las pérdidas atmosféricas son de unos 16,000 kg/año de cloruro de metileno y aproximadamente 7,800 kg/año de tricloretileno. Si la intención es cortar las emisiones COV totales, el primer objetivo puede ser el cloruro de metileno. Sin embargo, dependerá de muchos otros factores, como la facilidad para reducir las pérdidas, los peligros relativos de los solventes y la disponibilidad de solventes alternos menos peligrosos para las aplicaciones particulares relacionadas.4

Una vez que sabemos cuáles son los problemas y dónde se encuentran, el siguiente paso consiste en determinar opciones útiles. Éstas corresponden generalmente a tres categorías: 1. cambios operativos, 2. cambios materiales, 3. modificaciones de los procesos. Los cambios operativos podrían consistir simplemente en una mejor gestión: tapar las fugas, eliminar los derrames, entre otros. Un mejor programa de limpieza lo mismo que separar las

15.5 El manejo de los residuos peligrosos y las generaciones futuras

505

corrientes de residuos podría generar de igual forma un gran rendimiento sobre una inversión menor. Los cambios materiales a menudo comprenden la sustitución de una sustancia química por otra que es menos tóxica o que necesita menos materiales peligrosos. El uso de cromo trivalente para el laminado en cromo en lugar del cromo hexavalente que es mucho más tóxico ha sido acogido de manera muy favorable como sucede con el uso de tintes y pinturas solubles en agua. En algunos casos se han sustituido las biocidas por la radiación ultravioleta en el agua de refrigeración, lo que ha dado por resultado agua de mejor calidad y ningún problema en cuanto a la eliminación del agua de refrigeración. En una planta textilera de Carolina del Norte, se empleaban biocidas en la depuración de aire para controlar el crecimiento de algas. Los líquidos “purgados” y limpiados con periodicidad se descargaban a un arroyo, pero esta descarga resultó tóxica para el arroyo, de modo que el estado de Carolina del Norte revocó el permiso de descarga de la planta. La ciudad no aceptaba el residuo en sus alcantarillas, argumentando correctamente que esto tendría graves efectos adversos en sus operaciones de tratamiento de aguas residuales. La industria estaba a punto de cerrar cuando decidió probar con la radiación ultravioleta como desinfectante en su sistema de depuración de aire. Por fortuna, se descubrió que la radiación ultravioleta desinfectaba en forma eficaz el agua de refrigeración y que, por tanto, ya no se necesitaba biocida. Esto no sólo eliminó la descarga, sino también el uso de biocidas, lo que le ahorró dinero a la compañía. La recuperación fue de 1.77 años.5 Las modificaciones de los procesos por lo común suponen inversiones más elevadas, pero pueden dar por resultado mayores recompensas. Por ejemplo, el uso del lavado a contracorriente en lugar de la operación por lotes de un solo paso puede reducir en forma significativa la cantidad de agua de lavado que necesita tratamiento, pero un cambio así exige tuberías, válvulas y un nuevo protocolo del proceso. En sectores industriales en los que se vierten materiales en soluciones, como en el caso del chapado metálico, el uso de tanques de recuperación por arrastre, un paso intermedio, ha dado por resultado el ahorro de la solución de chapado y una reducción en el residuo generado. En cualquier caso, lo más maravilloso sobre la prevención de la contaminación es que la mayor parte del tiempo la compañía no sólo elimina o reduce buena parte de la descarga de residuos peligrosos, sino que también ahorra dinero. Estos ahorros se presentan en varias formas, incluidos por supuesto las economías directas en los costos de procesamiento, como en el ejemplo anterior sobre la desinfección por radiación ultravioleta. Pero hay otros ahorros, como no tener que dedicar tiempo a solicitar permisos y sufrir las posibles multas por incumplirlos. Las responsabilidades sociales a futuro pesan mucho cuando los residuos peligrosos tienen que enterrarse o inyectarse. Además, están los beneficios intangibles de las relaciones con los empleados y su seguridad. Y, por supuesto, para terminar, está el beneficio que se genera de hacer lo correcto, lo cual no es de desdeñarse. En el manejo de residuos peligrosos, hacer lo correcto a menudo implica la eliminación de un peligro potencial para las generaciones futuras. Se ha escrito mucho sobre este compromiso. ¿Debemos, en efecto, algo a esas personas aún por nacer?

15.5

EL MANEJO DE LOS RESIDUOS PELIGROSOS Y LAS GENERACIONES FUTURAS ¿Por qué preocuparnos siquiera de todo eso? ¿Acaso no es verdad que nosotros nunca nos veremos afectados en forma adversa en lo personal por los residuos peligrosos, y es poco probable incluso que cualquiera de nuestros hijos padezca por una eliminación inadecuada de estos materiales? ¿Por qué nos preocupa tanto el futuro y las generaciones por venir?

506

Capítulo 15 Manejo de residuos peligrosos La RCRA exige que los operadores de los complejos de residuos proporcionen un cuidado perpetuo de los depósitos; sin embargo, esto se define como un periodo de sólo 30 años. Un “cuidado perpetuo” significa sólo la mitad de una generación. La principal ley relacionada con los residuos peligrosos en Estados Unidos aparentemente no cuida de las futuras generaciones. Así que, ¿por qué nosotros sí deberíamos de hacerlo? Después de todo, esas personas aún no existen y quizá no existan siquiera. No son personas reales y la ética sólo se aplica a las interacciones entre personas reales. Además, no sabemos lo que el futuro traerá consigo; no podemos suponer que las personas por nacer tendrán las mismas preferencias o necesidades; en consecuencia, no podemos predecir el futuro. Tal vez tengamos buenas intenciones, pero quizá completamente equivocadas. Además, la historia nos enseña que por lo menos hasta ahora en la existencia de la civilización, cada sucesiva generación ha sido mejor que la anterior. Contamos más que nunca antes con una mejor salud, una mejor comunicación, mejores alimentos, más tiempo y mayores oportunidades para el crecimiento personal y el gozo de nuestra calidad de vida. Dado que podemos esperar que las generaciones futuras continúen con esta tendencia y tengan una mejor vida, no deberíamos hacer nada por ellas. Además, como dice la frase: “¿qué ha hecho la posteridad por mí?”. Así que tal vez sea muy noble tomar en cuenta a las generaciones futuras, pero al parecer no hay un fundamento para la afirmación de que debamos hacerlo. Por todas estas razones, entonces, puede parecer que no hay nada malo en que decidamos generar residuos nucleares a fin de disfrutar de los beneficios de la electricidad, o agotar los recursos no renovables como el petróleo, o interpretar nuestras obligaciones respecto al cuidado perpetuo extendiéndolo sólo 30 años. La planeación del manejo de residuos peligrosos (o cualquier otra cosa), por tanto, necesita tomar en cuenta sólo los intereses de las generaciones actuales. ¿Pero no hay argumentos en contra de todo esto? De seguro no podemos andar por ahí de manera hedonista sin preocuparnos por el futuro de la humanidad. ¿Qué razones podemos dar para preocuparnos por las generaciones futuras? Alastair Gunn6 sostiene que hay en efecto sólidas razones que justifican nuestras obligaciones con las generaciones futuras. En primer lugar, es cierto que (por definición) dichas generaciones no existen, pero eso no significa que no tengamos obligaciones para con ellas. Sin duda, no tenemos las obligaciones directas que los individuos identificables tienen entre sí; por ejemplo, las deudas y las promesas sólo se deben de una persona a otra. Pero también tenemos obligaciones con cualquiera que resulte perjudicado por nuestras acciones aunque desconozcamos su identidad.

ENFOQUE

“Si no está en su producto, no tiene por qué preocuparse” Uno de los lemas del Programa de Diseño para el Ambiente (DpA) es “Si no está en su producto, no tiene por qué preocuparse”. Esto significa que hay una sabiduría en el diseño de los productos en los que se evitan las sustancias químicas peligrosas, aun cuando no se espere que nadie se exponga a ellas. Considere, por ejemplo, una tragedia que ocurrió en el año 2006, cuando un niño de cuatro años de edad en Minneapolis murió después de

tragarse el dije “plateado” en forma de corazón de un brazalete que se obsequiaba con la compra de los zapatos para niños de la marca Reebok. El dije estaba hecho casi en su totalidad de plomo; por supuesto, no se le concibió para que el niño se lo tragara, pero eso no impidió que se disolviera en los jugos gástricos de su estómago y lo envenenara. El juguete se había fabricado en China, donde los dueños de la marca corporativa pueden elabo-

507

© AP/Wide World Photos

rar productos a costos mucho más bajos que en Estados Unidos debido a la mano de obra barata; pero tienen mucho menos control sobre la calidad del producto y los procesos de producción. El plomo del dije fue simplemente la punta del iceberg; también se ha descubierto en pinturas de muñecas y camiones parecidos a otros, y ha generado mucha preocupación (figura 15.3). Antes de la alarma por los juguetes que contenían plomo, hubiera parecido imposible la idea de que el Congreso de Estados Unidos prohibiera los ftalatos en los juguetes de los niños. Pero en lo que se ha dado en llamar la primera reforma importante de la Comisión para la Seguridad de los Productos de Consumo (Connsumer Product Safety Commission, CPSC), esta propuesta de ley no sólo se aprobó, sino que se hizo con un margen de mayoría a prueba de veto. La Ley para el Mejoramiento de la Seguridad de los Productos de Consumo garantiza que los juguetes no sólo estén libres de plomo neurotóxico, sino que también se concentra en seis clases de ftalatos (sustancias químicas que alteran el desarrollo hormonal de los niños). Los ftalatos se utilizan para hacer los plásticos suaves y que pueden ser absorbidos cuando los niños se ponen los juguetes en la boca. Tres ftalatos se prohibieron desde hace mucho en la Unión Europea: el di-(2-etilhexilo) ftalato (DEHP), el dibutil ftalato (DBP) y el butilbencil ftalato (BBP), y se prohibirán por completo en los juguetes. La prohibición de tres más: el diisonanil ftalato (DINP), el diisodecil ftalato (DIDP) y el ftalato de di-n-octilo (DnOP), está a la espera de los resultados de un estudio para evaluar sus posibles impactos en la salud de los niños y las mujeres embarazadas. El nuevo proyecto de ley también mejora mucho la vigilancia de la seguridad de los juguetes. Por lo común, al mercado ingresan los juguetes sin evaluarse y se retiran del mercado sólo si se descubre que contienen plomo una vez que llagan a los anaqueles de las tiendas. La propuesta de ley invierte este proceso y exige que se evalúen independientemente muestras adecuadas de todos los juguetes en busca de plomo y otros peligros antes de que puedan venderse. Al evitar las sustancias químicas peligrosas en los productos, ya sea que se añadan delibera-

© CPSH/Hand out/epa/Corbis

15.5 El manejo de los residuos peligrosos y las generaciones futuras

Figura 15.3 A) El dije de plomo de la promoción de Reebok; B) juguetes retirados del mercado.

damente o en forma no deliberada, se asume un grado de gestión que no siempre es evidente. De hecho, muchos minoristas y fabricantes no tienen conocimiento de la composición química de los productos que venden. A menudo, la información se considera reservada por derecho de patente para proteger secretos comerciales. La legislación REACH europea es la primera completa que exige a los fabricantes saber lo que hay en sus productos, evaluar los peligros asociados con las sustancias químicas de sus productos y sustituir las sustancias químicas sumamente peligrosas por opciones más seguras. En Estados Unidos, California encabeza la ofensiva con la Iniciativa de Química Ecológica de California, que pretende apoyar a la química ecológica y los productos de cuna a cuna. La conciencia sobre los peligros asociados con las sustancias químicas en los productos ha aumentado en los últimos años, junto con la conciencia sobre la necesidad de la sustentabilidad y la idea sobre el ciclo de vida. Los ingenieros ambientales saben que los productos no se elaboran en cajas negras mágicas y que tampoco se eliminan en un sitio mítico llamado “Lejos”. Aunque

508

Capítulo 15 Manejo de residuos peligrosos

algunos sostienen que diminutas cantidades de una sustancia peligrosa en un producto genera bajo riesgo, otros advierten que en alguna parte de la cadena de abastecimiento de la manufactura la sustancia química probablemente se transportó en volúmenes y concentraciones más grandes con grados de riesgo mucho mayores. Además, las sustancias químicas que se hallan en diversos productos con el tiempo pueden desprenderse de los mismos y mezclarse con el polvo y el aire y acumularse en el cuerpo de la gente. Poco se sabe sobre los efectos acumulados de las mezclas. Al final de la vida de un producto, la sustancia podría liberarse, transformarse o concentrarse de nuevo,

dependiendo de cómo se maneje. Puede convertirse incluso en un residuo peligroso. Algunos minoristas grandes como Wal-Mart gastan decenas de millones de dólares anualmente en la eliminación de productos que se vendieron al público, como pinturas, limpiadores, entre otros, sólo para convertirse legalmente en residuos peligrosos cuando se devuelven. Sin duda, tomar en serio el lema del programa DpA no sólo puede generar productos que sean mejores para la salud pública y el ambiente durante su ciclo de vida, sino también reducir los residuos peligrosos y aumentar los ahorros financieros.

Gunn se vale de la analogía de un terrorista que coloca una bomba en una escuela primaria. Obviamente el acto está mal y contraviene la obligación general de no causar daño (o poner en riesgo imprudentemente) a nuestros compañeros ciudadanos. Así es incluso en el caso de que el terrorista no sepa quiénes son los niños, o si algún niño se verá afectado. (Puede que la bomba no explote, que se descubra a tiempo o que la escuela esté cerrada.) Es igualmente incorrecto colocar una bomba de tiempo, programarla para que estalle en la escuela dentro de 20 años, aun cuando cualquier niño que pueda estar en ella cuando estalle aún no haya nacido. Un tiradero de residuos peligrosos inseguro puede considerarse análogo a una bomba de tiempo.

La analogía no es perfecta porque los dueños de la compañía que fabrica productos químicos no pretenden matar niños. Pero la intención no basta si hay una buena razón para creer que una acción ocasionará daño. Una persona que arroja una bomba de cereza a una multitud quizá no pretenda perjudicar a nadie, pero si ocurre un daño la persona es tan culpable como si la intención original hubiera sido lastimar a la gente. Que la gente afectada esté ahí hoy o en el futuro es irrelevante; el daño es lo que cuenta y ocasionarlo no es ético. Los argumentos en contra de la segunda afirmación, que nunca sabremos lo que las futuras generaciones valorarán, establece que, sí, en efecto, tenemos en realidad algunas ideas muy precisas de lo que no valorarán. Por ejemplo, es improbable que valoren el cáncer o el SIDA o el agua subterránea contaminada. Cabe esperar que las futuras generaciones, en realidad, sean mucho más similares que diferentes a nosotros. Señalar que deberíamos contaminar la Tierra porque no sabemos lo que valorará la gente en el futuro no es un argumento válido. La tercera objeción para cuidar a las futuras generaciones es que, como estarán mejor de lo que estamos nosotros, no hay necesidad de preocuparse por su bienestar. Esto no tiene sentido porque la condición económica de una persona es irrelevante en relación con el daño que podría causarse; no es legal o ético robar a una persona porque podría ser rica. Además, no hay garantía de que una mejor tecnología genere un bienestar continuo mayor. Hay más personas hambrientas hoy en el mundo que nunca antes y el crecimiento continuo de la población humana y la destrucción de los hábitat naturales puede llevar al mundo a un colapso económico y ecológico. Hemos estirado la capacidad de cuidado de la Tierra hasta sus límites y no tenemos garantía de que la tecnología (o el progreso social y político) nos permita siquiera tener una futura generación, mucho menos ser capaces de cuidar por ella. Como concluye Gunn:6

Problemas

509

Tenemos la obligación de evitar la generación de condiciones ambientales perjudiciales para las generaciones futuras que no deseamos ahora para nosotros mismos. Esto significa que, en términos del manejo de residuos, es necesario crear métodos para el almacenamiento aceptablemente seguro en el muy largo plazo y, lo que es más importante, reducir en forma sostenida la cantidad, toxicidad y persistencia de los residuos que generamos para que sea posible el manejo aceptablemente seguro. Además, al parecer no hay muchas dudas de que las futuras generaciones apreciarán que haya aire y agua limpia, zonas silvestres adecuadas y la preservación de los monumentos naturales, y que esto es una obligación de nuestra generación actual.

PROBLEMAS 15.1 El párrafo siguiente apareció como parte de un anuncio de toda una plana en un diario profesional: Las leyes actuales Una razón para actuar ahora La Ley para la Conservación y Recuperación de Recursos establece multas a las corporaciones de hasta un millón de dólares y sentencias de prisión de hasta cinco años a los ejecutivos y directivos por el manejo inapropiado de los residuos peligrosos. Ésta es la razón por la que la identificación de los problemas de los residuos y la creación de soluciones económicas es una necesidad absoluta. O’Brien & Gere pueden ayudar a usted a cumplir con las estrictas regulaciones y las realidades económicas actuales, con soluciones prácticas y rentables.

¿Qué opina usted de este anuncio? ¿Encuentra algo que sea poco profesional? Después de todo, es un hecho real. Suponga que usted es presidente de O’Brien & Gere (una de las empresas de ingeniería ambiental más respetables en el sector) y ve esto en el diario. Redacte un memorando de una cuartilla dirigido a su director de marketing en el que le haga un comentario sobre el anuncio. 15.2 En el sótano de un edificio de mantenimiento de una universidad se almacenaron algunos transformadores eléctricos y se dejaron ahí “al olvido”. Un día, un trabajador entró en el sótano y vio que cierta sustancia grasosa y pegajosa rezumaba de los transformadores y caía en un desagüe del suelo. Notificó al director del plantel, quien de inmediato se dio cuenta de la gravedad del problema. Se llamó a asesores en ingeniería especializados en residuos peligrosos, quienes primero sacaron los transformadores y eliminaron la fuente de los bifenilos

policlorados (PCB) que se filtraban al desagüe pluvial. Luego siguieron el desagüe hasta un pequeño arroyo y allí tomaron muestras de agua y de suelo. Descubrieron que el agua tenía 0.12 mg/L de PCB y que el suelo oscilaba entre los 32 mg de PCB/kg (suelo seco) y los 0.5 mg/kg. La administración ambiental del estado exigía que los arroyos contaminados con PCB se limpiaran de modo que estuvieran “libres” de ellos. Recuerde que el PCB es muy tóxico y muy estable en el ambiente, y que se biodegradará muy lentamente. Si no se hiciera nada, el contaminante en el suelo permanecería ahí tal vez durante cientos de años. a) Si usted fuera el ingeniero, ¿cómo abordaría este problema? ¿Qué haría? Describa cómo limpiaría este arroyo. Sea lo más detallado posible. ¿Su plan alterará el ecosistema del arroyo? ¿Esto le preocupa? b) ¿Será posible que el arroyo esté libre de PCB algún día? Si no, ¿qué considera usted que el estado entiende por esto? ¿Cómo sabría usted que ha hecho todo lo que puede? c) No cabe duda de que si esperamos lo suficiente, con el tiempo alguien llegará con una forma realmente ingeniosa para limpiar los arroyos contaminados con PCB y que este método será sustancialmente más barato que cualquier cosa de la que dispongamos en la actualidad. ¿Por qué no sólo aguardar, entonces, y dejar que alguna generación futura se ocupe del problema? El arroyo no nos amenaza directamente y la peor parte de éste puede acordonarse de modo que la gente no se acerque a él. Así, algún día, cuando haya

510

Capítulo 15 Manejo de residuos peligrosos mejorado la tecnología, podría limpiarse. ¿Qué piensa usted de esta solución? (Por supuesto es ilegal, pero esa no es la cuestión. ¿Es ética? ¿Estaría preparado usted para promover esta solución?)

15.3 En el ejemplo anterior, si la limpieza hiciera que la concentración de PCB en el agua fuera de 0.000073 mg/L, ¿cuál sería la reducción porcentual en el contaminante? ¿Cuántos nueves se habrían logrado? 15.4 Una lavandería de limpieza en seco compra 500 galones de tetracloruro de carbono cada mes. Como resultado de la operación de limpieza en seco, buena parte del tetracloruro de carbono se pierde en la atmósfera y sólo 50 galones permanecen para eliminarse. ¿Cuál es la tasa de emisión del tetracloruro de carbono de esta lavandería de limpieza en seco, en libras diarias? (La densidad del tetracloruro de carbono es aproximadamente de 1.6 g/mL.) 15.5 Un acuífero libre a 200 pies de profundidad está contaminado con un material peligroso. El acuífero está compuesto por arena con una permeabilidad (K) de 6 × 10–4 m/s. El agua subterránea contaminada se extrae por medio de bombeo para su tratamiento a una tasa de bombeo estable de 0.02 m3/s y se genera una reducción de 21 pies en un pozo de vigilancia a 30 pies de distancia del pozo de extracción. Si hay un segundo pozo de vigilancia, ¿qué tan lejos está si su reducción es de 6 pies? 15.6 Se construirá un tiradero de residuos peligrosos y se considera que parte de la arcilla en el sitio sea geosintética. El requisito es que la permeabilidad de la arcilla sea de menos de 1 × 10–7 cm/s. Se monta un permeámetro y se realiza una prueba. Si la profundidad de la muestra en el permeámetro es de 10 cm, se coloca en la muestra una columna de 1 m de agua, el diámetro del permeámetro es de 4 cm y transcurren 240 horas para reunir 100 mL de agua que drena del permeámetro, ¿cuál es la permeabilidad de la muestra? 15.7 Un camión cisterna cargado de amoniaco líquido es interceptado por un tren, lo que genera una fuga constante e incontrolable de gas amoniaco a una velocidad estimada de

1 kg/s. Usted calcula que la velocidad del viento es de 5 km/h y es una tarde soleada. Hay una pequeña población aproximadamente a 1 milla directamente en la dirección del viento. Al darse cuenta de que el límite del umbral del amoniaco es aproximadamente de 100 ppm, ¿recomendaría usted la evacuación de la población? 15.8 En la década de 1970 en Estados Unidos se descubrieron muchos lugares en los que había vertederos de residuos peligrosos. Algunos de ellos operaron durante décadas y algunos aún estaban activos. Sin embargo, la mayoría estaban abandonados, como el notable Valle de los Tambores en Tennessee. Éste era un valle rural en el que se había vertido una mezcla casi inimaginable de todo tipo de materiales peligrosos y el dueño sencillamente lo había abandonado después de reunir cuantiosas sumas por permitir que grandes compañías químicas se deshicieran de sus materiales peligrosos. ¿Por qué esperamos hasta 1970 para descubrir el problema de los residuos peligrosos? ¿Por qué no lo descubrimos años antes? ¿Por qué es tan reciente la preocupación por estos residuos? Exponga sus razonamientos en un trabajo de una cuartilla. 15.9 Peter ha trabajado con la filial local de Bigness Oil Company durante varios años y ha establecido una intensa relación de confianza con Jesse, el gerente del complejo local. El complejo, por recomendación de Peter, ha seguido todas las regulaciones ambientales al pie de la letra y cuenta con una reputación sólida con el organismo regulador estatal. La compañía local recibe varios productos petroquímicos por medio de una tubería y un camión cisterna y los mezcla para revenderlos al sector privado. Jesse ha estado tan complacido con el trabajo de Peter que ha recomendado que se quede como consultor en ingeniería de la corporación. Esto sería un progreso importante para Peter y su empresa de consultoría, lo que establecería las bases para un ascenso constante e impresionante en su empresa. Se habla de una vicepresidencia en cuestión de algunos años. Un día, al mientras toma una taza de café, Jesse relata a Peter una extraña historia

Problemas sobre la misteriosa pérdida de uno de los nuevos petroquímicos en bruto que recibe por la tubería. En algún momento durante la década de 1950, cuando las operaciones no eran tan estrictas, al auditar los libros se descubrió la pérdida de una de las sustancias químicas del proceso; al parecer había un faltante de 10,000 galones de la sustancia. Luego de realizar pruebas de presión en las tuberías, el gerente de la planta descubrió que uno de los tubos se había corroído y la sustancia química se había filtrado en el suelo. Después de detener la fuga, la compañía abrió pozos de observación y de muestreo y descubrió que el producto se había alojado en una columna vertical, difundiéndose lentamente en un acuífero profundo. Como no había contaminación superficial o de aguas subterráneas fuera de la propiedad de la planta, el gerente decidió que no se hiciera nada. Jesse pensó que en alguna parte bajo la planta aún está alojada esta columna, difundiéndose lentamente en el acuífero, aunque las pruebas más recientes de los pozos de muestreo demostraron que la concentración de la sustancia química en el agua subterránea a 400 pies de la superficie era esencialmente cero. Los pozos se taparon y la historia nunca apareció en la prensa. A Peter lo desconcertó esta revelación aparentemente inocente. Reconoce que la ley estatal le exige informar sobre todos los derrames pero, ¿qué pasa con los que ocurrieron hace años y cuyos efectos al parecer se disiparon? Frunce el ceño y dice a Jesse: “Tenemos que informar de este derrame al estado, lo sabes”. Jesse se muestra incrédulo: “Pero no hay derrame. Si el estado hace que lo busquemos, probablemente no lo hallaremos, y aunque lo hiciéramos, no tiene sentido sacarlo por bombeo o contenerlo de algún modo”. “Pero la ley dice que tenemos que informar…”, afirma Peter. “Mira. Te conté esto como una confidencia. Tu propio código de ética como ingeniero exige la confidencialidad sobre la información del cliente. ¿Y cuál sería el bien de informar al estado? No hay nada que pueda hacerse. Lo único que sucedería es que la compañía tendría problemas y que habría que gastar inútilmente

511

dinero para corregir una situación que no puede corregirse y que no necesita remediarse.” “Pero…” “Peter. Déjame ser franco contigo. Si informas al estado sobre esto, no le harías ningún bien a la compañía ni al ambiente y, sin duda, ni a tu propia carrera. No puedo tener un asesor en ingeniería que no valore la lealtad hacia el cliente.” ¿Cuál debería de ser la respuesta de Peter ante esta situación? ¿Qué debería hacer? ¿Cuáles son las partes interesadas? (¡No olvide a las generaciones futuras!) ¿Cuáles son todas sus opciones? Haga una lista de ellas en orden de los efectos perjudiciales para la carrera de Peter, y luego una lista en orden de los efectos perjudiciales para el ambiente. Luego de considerar todos los aspectos, ¿qué tiene que hacer Peter? 15.10 El benceno (C6H6) es ligeramente soluble en agua (1.8 g/L). Es un carcinógeno conocido. El NMC en el agua potable es de 5 ppb. La gasolina tiene un límite por volumen de 0.62% de benceno. ¿Cuánta agua contaminará 1 galón de gasolina en relación con el NMC? 15.11 ¿Cuánto tiempo se llevará para que la radiación de un derrame de Po-210 y Po-214 se descomponga en 80%? 15.12 Entre otras contaminaciones, se descubrió que un sitio tiene 4.5 Ci de tritio (H-3) el 15 de enero del año 2000. Los registros indican que la liberación original probablemente haya sido en junio de 1963. El sitio es ahora propiedad de la ciudad debido a la falta de pago de los impuestos. a) ¿Cuántos curies de H-3 se liberaron originalmente? b) ¿Quién debe ser responsable de la limpieza del sitio? 15.13 Suponga que se filtra 1.0 g/d de dieldrina a un estanque de retención de agua pluvial con capacidad de 30,000 m3 (es decir, no tiene desagüe). Si la dieldrina tiene una vida media de 2 días y se genera una mezcla completa, ¿cuál sería la concentración en estado constante en el estanque? 15.14 La tierra libera radón 222 y éste puede quedar atrapado en los edificios. Suponga que la

512

Capítulo 15 Manejo de residuos peligrosos concentración medida en el edificio de aulas de una universidad es de 1,500 pCi/m3, lo que está significativamente por encima del nivel para una acción de rehabilitación recomendado de 4 a 8 pCi/m3. a) Si se sellan todas las filtraciones al edificio (es decir, que ya no le entre radón),

¿cuánto tiempo le llevará a la concentración de radón alcanzar el nivel recomendado? b) ¿Recomienda usted que se emprenda en cambio algún tipo de acción de rehabilitación (es decir, eliminación de la fuente)? ¿Por qué sí o por qué no?

NOTAS FINALES 1. Geiser, Kenneth (2001). Materials Matter: Toward a Sustainable Materials Policy. Cambridge, MA: MIT Press. 2. Anastas, P. T. y J. Warner (1998). Green Chemistry: Theory and Practice. Nueva York: Oxford University Press. 3. Grübler, A. (1998). Technology and Global Change, Cambridge, Inglaterra: Cambridge University Press. 4. Este ejemplo se basa en parte en uno similar en Davis, M. L. y D. A. Cornwell (1991). Introduc-

tion to Environmental Engineering. Nueva York: McGraw-Hill. 5. Richardson, S. (1990). Pollution prevention in textile wet processing: An approach and case studies. Proceedings, Environmental Challenges of the 1990’s, USEPA 66/9–90/039. 6. Vesilind, P. Aarne y Alastair Gunn (1997). Making a Difference: Engineering, Ethics and the Environment. Nueva York: Cambridge University Press.

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A

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© egd/Shutterstock

Contaminación por ruido

© Cliff Keeler/Alamy

Embotellamiento en Los Ángeles

Parque estatal Ha Ha Tonka, Missouri

Los ingenieros ambientales consideran los impactos potenciales del ruido de los diseños en los seres humanos y en la vida silvestre. 513

514

Capítulo 16 Contaminación por ruido Si un árbol cae en el bosque, ¿produce un sonido? Quizás haya escuchado esta pregunta muchas veces; ahora tendrá una respuesta para ella. De hecho, si un árbol cae en el bosque, en efecto habrá un sonido, porque el sonido son las ondas de presión en el aire. Pero quizá no haga un ruido, que se define como un sonido indeseable para los seres humanos. Por tanto, si no hay seres humanos alrededor, la caída del árbol en el bosque no hace ruido. (Sin embargo, la definición de ruido se amplía para incluir el sonido que causa un impacto adverso en la vida silvestre, así que la respuesta depende entonces de si la vida silvestre encuentra objetable el sonido de un árbol que cae, lo que depende de si está en el árbol, cerca o lejos de éste cuando cae.) En este capítulo exponemos primero los fundamentos del sonido, definiendo algunos de los términos que los ingenieros acústicos usan para describir y controlar el sonido indeseable (ruido). Luego exponemos algunos efectos del ruido y terminamos con una exposición sobre su control.

16.1

SONIDO El sonido puro se describe como las ondas de presión que viajan a través de un medio (aire, en casi todos los casos). Estas ondas se caracterizan por su amplitud y su frecuencia. En la figura 16.1, observe que la onda de sonido pura puede representarse como una curva sinusoidal, que tiene presiones positivas y negativas dentro de un ciclo. El número de estos ciclos por unidad de tiempo se llama frecuencia del sonido, y en general se expresa como ciclos por segundo, o Hertz (Hz).1 Los sonidos normales que los oídos humanos sanos escuchan varían desde 15 Hz hasta aproximadamente 20,000 Hz, un rango enorme. El sonido de baja frecuencia es grave (de tono más bajo) mientras el de frecuencia alta es de tono alto. Por ejemplo un la medio en el piano tiene una frecuencia de 440 Hz. El habla por lo general está en el rango de 1,000 a 4,000 Hz. El amplio espectro de frecuencias se reduce de manera significativa con la edad y la exposición ambiental a los ruidos fuertes. Las fuentes más importantes del ruido perjudicial son las ocupacionales y la música fuerte, en particular los conciertos de rock y los audífonos con volumen alto. El equipo de reproducción de sonido de alta calidad está diseñado para reproducir un espectro completo de frecuencias, aunque la publicidad respecto a que es capaz de una reproducción menor que 10 Hz es un tanto ridícula porque la mayoría de las personas pueden escuchar sólo hasta 20 Hz.

Amplitud + Presión –

Tiempo

1 ciclo

Figura 16.1 El sonido puro viaja como una onda sinusoidal perfecta.

16.1

Sonido

515

Las personas jóvenes y sanas (en particular, las mujeres) pueden escuchar frecuencias muy altas, a menudo incluso señales como los abridores automáticos de las puertas. Con la edad y con el daño lamentable que tantas personas jóvenes hacen a sus oídos, la capacidad para detectar un rango amplio de frecuencias disminuye. Las personas mayores tienden a perder el extremo agudo del espectro de audición y podrían quejarse de que “todos balbucean”. La intensidad de un ruido se expresa por su amplitud. De nuevo en la figura 16.1, la energía en una onda de presión es el área total bajo la curva. Debido a que la primera mitad es una presión positiva y la segunda es negativa, la suma de éstas producirá una presión neta de cero. El truco es usar un análisis de raíz media cuadrada de una onda de presión, multiplicando primero la presión por sí misma y luego sacando su raíz cuadrada. En vista de que el producto de dos números negativos es uno positivo, el resultado es un número de presión positivo. En el caso de las ondas sonoras, la presión se expresa como newtons por metro cuadrado (N/m2), aunque en ocasiones la presión del sonido también se expresa en bares o atmósferas. En este texto usamos la designación moderna de N/m2. El oído humano es un instrumento fenomenal, es capaz de escuchar el sonido tanto en un rango enorme de frecuencias como en uno aún más espectacular de presiones. De hecho, el rango de audición en los seres humanos varía de 1 a 1018, lo cual dificulta expresar la presión del sonido en alguna forma significativa y útil. Lo que se ha desarrollado a lo largo de los años es una convención para usar razones que expresen la amplitud del sonido. Los psicólogos han sabido por muchos años que las respuestas humanas ante los estímulos no son lineales. De hecho, la capacidad para detectar un cambio incremental en cualquier respuesta, como calor, frío, olor, sabor o sonido, depende por completo del nivel original de ese estímulo. Por ejemplo, suponga que tiene los ojos vendados y sostiene un peso de 20 lb en su mano, y se le agrega 0.1 lb. Es probable que no detecte el cambio. Por otra parte, si sostiene 0.1 lb en su mano y se agrega otra 0.1 lb (un incremento de 100%), sí sería capaz de percibirlo. Por tanto, la capacidad para detectar estímulos puede describirse en una escala logarítmica. Respecto al sonido, tiene sentido no considerar su presión sino su nivel de energía, de modo que la razón de dos energías de sonido es log10

W Wref

donde W y Wref representan la energía en watts de la onda sonora y alguna energía de referencia, respectivamente. Debido a que la energía es proporcional a la presión al cuadrado, esta razón también puede expresarse como log10

donde

P2 Pref 2

P = presión del sonido, N/m2 Pref = alguna presión de referencia, N/m2

Por convención, esta expresión define al bel.2 Al dividir esta unidad en 10 facilita su uso y evita fracciones y se conoce como decibel (dB). Pero, ¿cuál presión de referencia usar? Parece que la presión mínima que un oído humano es capaz de detectar es de aproximadamente 2 × 10–5 N/m2 y éste sería un dato conveniente.

516

Capítulo 16 Contaminación por ruido Si se usa 2 × 10–5 N/m2 como un valor de referencia, el nivel de presión del sonido (SPL; sound pressure level) se define entonces en términos de decibeles como SPL = 10 log10

donde

P2 Pref 2

= 20 log10

P Pref

SPL = nivel de presión del sonido, dB P = la presión del sonido medida en N/m2 Pref = la presión del sonido de referencia, 2 × 10–5 N/m2

Los niveles de presión del sonido típicos se muestran en la tabla 16.1. Observe que el SPL más alto posible, punto en el que las moléculas de aire ya no pueden transportar ondas de presión, es de 194 dB mientras 0 dB es el umbral de la audición. El sonido más fuerte que se ha registrado parece ser el del cohete Saturn, a 134 dB, no lejos del umbral de dolor a 140 dB. Los seres humanos por lo común podemos detectar cambios de 3 dB y mayores en las presiones del sonido; los cambios de 1 a 2 dB no son perceptibles. Pero recuerde que la escala es logarítmica. Una diferencia en decibeles de 40 a 41 es considerablemente menos energía que una diferencia en decibeles de 80 a 81. Cada incremento de 10 dB produce una duplicación del nivel de energía y una duplicación del peligro de daño por ruido excesivo. Debido a que los niveles de presión del sonido son razones logarítmicas, no pueden sumarse en forma directa. Si se combinan dos fuentes de sonido, la razón P2/Pref2 tiene que calcularse primero de la ecuación SPL. Luego se suman estas razones, y se calcula un SPL nuevo: SPLTotal = 10 log

10SPLi /10

(16.1)

Tabla 16.1 Niveles de presión del sonido típicas Sonido Umbral de la audición Interior de una cámara de examen de audición Área remota de Yellowstone Biblioteca Subdivisión suburbana no cercana a ninguna fuente importante de ruido Salón de clases típico Habla normal Oficina ocupada Alarma del despertador cerca de la cabeza Tráfico promedio en la calle Podadora Camión individual que pasa a 50 pies de distancia Concierto de rock Llanto promedio de un recién nacido Paso elevado de un avión caza F-16 al despegar Cohete Saturn al despegue Umbral de dolor SPL máximo en el aire

SPL (dB) 0 10 20 40 45 50 60 65 80 85 90 90 110 110 120 134 140 194

16.1

Sonido

517

Cuando se suman sonidos es posible usar dos reglas empíricas. Primera, si se suman dos sonidos iguales dan como resultado un incremento de aproximadamente 3 dB en el nivel de sonido general (que es apenas notable). Segunda, si la diferencia entre dos sonidos es mayor que 10 dB, el menor de los dos no contribuye mucho al nivel de sonido general. (Puede comprobar estas reglas empíricas siguiendo el procedimiento que se acaba de resumir.)

EJEMPLO 16.1

Problema Un taller tiene dos máquinas, una que produce un nivel de presión del sonido de 70 dB y otra que produce 58 dB. Se lleva a la habitación una máquina nueva que produce 70 dB. ¿Cuál es el nuevo nivel de presión del sonido en la habitación? Solución Usando la regla empírica de la diferencia de 10 dB, 70 – 58 = 12, lo que es mayor que 10, así que el efecto del sonido de 58 dB es despreciable, y la habitación con el equipo existente tendría un nivel de presión de sonido de 70 dB. (Usando la ecuación 16.1, la respuesta es 70.2 dB, que se redondea a 70 dB.) Si se lleva otra máquina de 70 dB, los dos sonidos son iguales, lo que produce un incremento de 3 dB. Por tanto, el nivel de presión del sonido en la habitación sería de 73 dB. (Una vez más, con la ecuación 16.1, la respuesta es 73.1 dB para las tres máquinas, que se redondea a 73 dB.)

El sonido en la atmósfera viaja de manera uniforme en todas direcciones, irradiando desde su fuente. Su intensidad se reduce como el cuadrado de la distancia desde la fuente del sonido de acuerdo con la ley de la inversa del cuadrado; es decir, el nivel de presión del sonido es proporcional a 1/r2, donde r es la distancia radial desde la fuente. Es posible desarrollar una relación aproximada si la potencia del sonido se expresa como una razón logarítmica basada en alguna potencia de referencia estándar, como SPLr ∼ = SPL0 − 10 log r 2

donde

EJEMPLO 16.2

(16.2)

SPLr = nivel de presión del sonido a alguna distancia r desde la fuente del sonido, dB SPL0 = nivel de presión del sonido en la fuente, dB r = distancia desde el sonido, m

Problema

Una fuente de sonido genera 80 dB. ¿Cuál sería el SPL a 100 m de la fuente?

Solución Con la ecuación 16.2, SPLr % 80 – 10 log(100)2 = 40 dB

Ésta es, por supuesto, una aproximación. Suponemos que el sonido se propaga en todas direcciones de manera uniforme, pero en el mundo real esto nunca sucede. Si, por ejemplo, el sonido ocurre en una superficie plana de modo que el área a través de la que se propaga es

Capítulo 16 Contaminación por ruido

70 60 50 40 30 20

32,000

16,000

8000

4000

2000

1000

500

250

125

63

10 31.5

Nivel de presión del sonido en la banda de frecuencia (dB)

518

Frecuencia (Hz)

Figura 16.2 Un análisis de frecuencia típico de un sonido “sucio”.

una semiesfera en lugar de una esfera, la adición aproximada es de 3 dB al SPL que se calculó en el ejemplo 16.2. En espacios cerrados, la reverberación también puede incrementar en gran medida el nivel de presión del sonido debido a que la energía no se disipa. El punto más importante que es preciso recordar es que el SPL se reduce aproximadamente como el logaritmo del cuadrado de la distancia desde él. La frecuencia en ciclos por segundo (Hz) y la amplitud en decibeles describen un sonido puro a una frecuencia específica. Sin embargo, se dice que todos los sonidos ambientales son bastante “sucios”, con muchas frecuencias. Un panorama verdadero de tales sonidos se obtiene con un análisis de frecuencia, en el que se mide el nivel de sonido en un número de frecuencias diferentes y los resultados se grafican como se muestra en la figura 16.2. A menudo un análisis de frecuencias es útil en el control del ruido debido a que es posible identificar la frecuencia del nivel de presión más alta y tomar medidas correctivas. Por convención, las frecuencias son designadas como bandas de octavas que representan un rango reducido de frecuencias, como se muestra en la tabla 16.2. Es posible calcular la presión del sonido promedio a partir de un diagrama de frecuencia sumando los niveles de presión del sonido en las frecuencias individuales. Una vez más, debiTabla 16.2 Bandas de octavas Rango de frecuencia de octavas (Hz)

Frecuencia media geométrica (Hz)

22–44 44–88 88–175 175–350 350–700 700–1,400 1,400–2,800 2,800–5,600 5,600–11,200 11,200–22,400 22,400–44,800

31.5 63 125 250 500 1,000 2,000 4,000 8,000 16,000 31,500

16.2

Medición del sonido

519

do a que el nivel de presión del sonido no es una cantidad aritmética sino una razón logarítmica, dicha adición debe hacerse con la siguiente ecuación: SPLavg = 10 log

donde

EJEMPLO 16.3

1 N

N

10(SPL j /10)

(16.3)

j= 1

SPLavg = nivel de presión del sonido promedio, dB N = número de mediciones tomadas SPLj = el j-ésimo nivel de presión del sonido, dB j = 1, 2, 3, ..., N

Problema ¿Cuál es el nivel de presión del sonido promedio del sonido descrito en la figura 16.2? Solución Primero, tabule el nivel de presión del sonido en cada banda de octavas, luego calcule 10(SPLj/10), sume éstas y calcule el SPLavg a partir de la ecuación 16.3. Banda de octavas (Hz)

31.5 63 125 250 500 1,000 2,000 4,000 8,000 16,000 32,000

SPL (dB)

10 12 17 15 24 54 34 39 28 25 33

10(SPLj/10)

10 15.8 50.1 31.6 251.2 251,189 2,512 7,943 631.0 316.2 1,995 264,945

SPLavg = 10 log [(1/11)( 173,974)] = 44 dB

Observe que se usa la ecuación 16.3 a fin de calcular un SPL promedio para un diagrama de frecuencia, pero la ecuación 16.1 se usa para calcular la nueva SPL cuando se combinan múltiples fuentes distintas.

16.2 MEDICIÓN DEL SONIDO El sonido se mide con un instrumento que convierte la energía de las ondas de presión en una señal eléctrica. Un micrófono capta las ondas de presión y un medidor lee el nivel de presión del sonido, calibrado directamente en decibeles. Por tanto, los datos obtenidos con un medidor del nivel de presión del sonido representan una medición precisa del nivel de energía en el aire.

Capítulo 16 Contaminación por ruido Pero este nivel de presión del sonido no es necesariamente lo que escucha el oído humano. Aunque podemos detectar frecuencias en un rango amplio, esta detección no es igual de efectiva en todas las frecuencias. (Nuestro oído no tiene una respuesta plana en términos de audición.) Si el medidor debe simular la eficiencia del oído humano para detectar sonido, la señal tiene que filtrarse. Mediante miles de experimentos los investigadores descubrieron que, en promedio, el oído humano tiene una eficiencia sobre el rango de frecuencia audible que se parece a la figura 16.3. En frecuencias muy bajas nuestros oídos son menos eficientes que en las frecuencias medias, digamos entre 1,000 y 2,000 Hz. Con frecuencias más altas el oído se vuelve cada vez más ineficiente, y finalmente se agota en alguna frecuencia alta donde es imposible detectar sonido. Esta curva se llama curva de filtrado con ponderación en A (debido a que hay otras curvas de filtración para propósitos diferentes). De manera interesante, la banda de mayor eficiencia para el oído humano está muy cerca del rango de habla humana. Al usar la curva que se muestra en la figura 16.3, los diseñadores de instrumentos han construido un medidor que filtra algo del sonido de muy baja frecuencia y mucho del sonido de muy alta frecuencia de modo que el sonido medido representa más o menos la audición de un oído humano. Dicha medición se llama nivel de sonido y se designa como dB(A) debido a que representa un valor en dB modificado con el filtro con ponderación A. El medidor a menudo se llama medidor de nivel de sonido (figura 16.4) para distinguirlo de un medidor de nivel de presión del sonido que mide el sonido como una respuesta plana. Casi todas las mediciones del sonido relacionadas con la audición humana usan la escala dB(A) debido a que se aproxima la eficiencia del oído humano. Los análisis de frecuencia son útiles para medir la capacidad de audición. Un audiómetro mide la capacidad de audición de un oído joven promedio como el estándar, en varias frecuen-

+5 0 –5 –10 Respuesta relativa (dB)

Rango de habla humana

–15 –20 –25 –30 –35 –40

32,000

16,000

8000

4000

2000

1000

500

250

125

63

–45 31.5

520

Frecuencia (Hz)

Figura 16.3 Respuesta típica del oído humano. Observe la ineficiencia en las frecuencias bajas de audición y las eficiencias altas en el rango del habla humana.

521

© Susan Morgan

Medición del sonido

© Susan Morgan

16.2

A

B

–10 0

A

10 20

B

30 40 50

C

60

32,000

16,000

8,000

4,000

2,000

1,000

500

250

125

70 63

Nivel de audición por debajo de lo normal (dB)

Figura 16.4 A) Medidor de nivel del sonido típico y B) analizador de frecuencia.

Frecuencia (Hz)

Figura 16.5 Tres audiogramas. La persona A tiene una audición excelente, es capaz de escuchar a niveles normales en todas las frecuencias. La persona B ha perdido una considerable audición en el rango de 2,000 a 8,000 Hz. Debido a que éste es el rango de frecuencias aproximado del habla, esta persona tendría gran dificultad para escucharla. La persona C tiene un audiograma típico para un individuo mayor que también ha perdido la audición en las frecuencias más altas o una persona más joven con daño en los oídos por música fuerte u otras agresiones.

522

Capítulo 16 Contaminación por ruido cias, produciendo un audiograma. Tales audiogramas se usan entonces para identificar las frecuencias en las que auxiliares auditivos deben ser capaces de reforzar la señal. La figura 16.5, por ejemplo, muestra tres audiogramas. La persona A tiene una audición excelente con una respuesta básicamente plana. La persona B ha perdido la audición en un rango de frecuencias específico, en este caso alrededor de 4,000 Hz. Estas pérdidas de audición por lo general se deben al ruido industrial que a menudo destruye la capacidad del oído para escuchar sonidos en una frecuencia específica. Debido a que el habla está cerca de este rango, esta persona ya tiene dificultad para escuchar. La tercera línea en la figura 16.5, la persona C, muestra un audiograma típico ya sea para un individuo mayor que ha perdido mucho del rango de frecuencias más altas y probablemente es candidato para un auxiliar auditivo o para alguien joven que ha tenido un daño severo continuo en sus oídos por someterlos a la música en un volumen muy alto.

16.3

EFECTO DEL RUIDO EN LA SALUD HUMANA La figura 16.6A muestra el esquema de un oído humano. Las ondas de presión del aire chocan primero con el tímpano (membrana timpánica), causando que vibre. La cavidad que conduce a la membrana timpánica y la membrana misma a menudo se llaman oído externo; la membrana timpánica está unida físicamente a tres huesos pequeños en el oído medio que se mueven cuando la membrana vibra. El propósito de estos huesecillos (que se llaman coloquialmente martillo, yunque y estribo debido a sus formas) es amplificar la señal física (para lograr alguna ganancia en términos de audio). Esta cavidad llena de aire se llama oído medio. La señal amplificada se envía entonces al oído interno haciendo vibrar primero la llamada membrana de la ventana circular, que está unida a una cavidad en forma de caracol denominada cóclea. Dentro de esta cóclea llena de líquido, una sección transversal de la que se muestra en la figura 16.6B, se encuentra, la membrana basilar, que está unida a la membrana de la ventana circular. Unidos a la membrana basilar hay dos conjuntos de células capilares diminutas, que apuntan en direcciones opuestas. Cuando la membrana de la ventana circular vibra, el líquido en el oído interno se pone en movimiento y los miles de células capilares en la cóclea se cruzan entre sí, estableciendo impulsos eléctricos que luego se envían al cerebro a través de los nervios auditivos. La frecuencia del sonido determina cuáles células capilares se moverán. Las células capilares cercanas a la membrana de la ventana circular son sensibles a las frecuencias altas, y aquellas en el extremo más lejano de la cóclea responden a las frecuencias bajas. El daño al oído humano puede ocurrir en varias formas. Primera, el ruido de impulso muy fuerte puede reventar el tímpano, causando pérdida de la audición en su mayor parte temporal, aunque con frecuencia los tímpanos reventados sanan mal y pueden producir daño permanente. Los huesos en el oído medio por lo general no son dañados por los sonidos fuertes, aunque sí por infecciones. Debido a que nuestro sentido del equilibrio depende mucho del oído medio, una infección en él puede ser debilitante. Por último, el daño más importante y permanente puede ocurrir a las células capilares en el oído interno. Sonidos muy fuertes las aturdirán y causarán que dejen de funcionar. La mayor parte del tiempo ésta es una condición temporal y el tiempo curará el daño. Por desgracia, si la agresión al oído interno es prolongada, el daño puede ser permanente; no puede ser reparado por una operación ni corregido con auxiliares auditivos. Este daño permanente a los jóvenes, infligido por la música fuerte, es el más frecuente e insidioso y el más triste. ¿En verdad vale la pena pasar su tiempo expuesto a

16.4 Martillo Yunque

Reducción del ruido

523

Estribo Nervios auditivos

Hueso

Cóclea Membrana timpánica

Cavidad Membrana de del la ventana oído medio circular

Membrana basilar

A

Células capilares internas Células capilares externas Membrana basilar Nervios auditivos B

Figura 16.6 A) Un esquema del oído humano; B) una sección transversal de la cóclea.

enormes altavoces en conciertos o subir el volumen al iPod cuando esto dará como resultado que no podrá escuchar ninguna música cuando tenga 40 años de edad? Pero el ruido fuerte hace más que causar daño permanente a la audición. El ruido es, en el sentido darwiniano, sinónimo de peligro. Por tanto, el cuerpo humano reacciona al ruido fuerte como si se protegiera de un peligro inminente. Las reacciones corporales son sorprendentes (los ojos se dilatan, la adrenalina fluye, los vasos sanguíneos se dilatan, los sentidos se alertan, el ritmo cardiaco se acelera, la sangre se espesa), todo para tener a la persona en “alerta”. Si dicho estado de alerta se prolonga, es poco saludable. Las personas que viven y trabajan en ambientes ruidosos tienen problemas de salud generales importantes, son gruñonas y malhumoradas, y no son capaces de concentrarse. El ruido que priva de sueño a una persona conlleva un conjunto adicional de problemas de salud. Lo más importante es que no podemos adaptarnos a los niveles altos de ruido. A menudo es posible ver a ciertos trabajadores industriales caminando por ahí con sus protectores de oídos colgando alrededor de su cuello para demostrar que son muy machos; piensan que pueden “soportarlo”. Quizá puedan porque ya son sordos a los rangos de frecuencias prevalecientes en ese ambiente.

16.4 REDUCCIÓN DEL RUIDO El ruido ha formado parte de la vida urbana desde las primeras ciudades; el de las ruedas de las carretas en Roma, por ejemplo, causó que Julio César prohibiera que circularan después del anochecer para que pudiera dormir. En Inglaterra, el lugar en que nació la Revolución Industrial, las ciudades eran increíblemente ruidosas. Como un visitante estadounidense las describió:

524

Capítulo 16 Contaminación por ruido El ruido surgió como un latido cardiaco poderoso en los distritos centrales de la vida de Londres. Era algo más allá de lo imaginable. Las calles de Londres en un día hábil estaban pavimentadas uniformemente en conjuntos de “granito”... y el martilleo de una multitud de pezuñas peludas y herradas, el ensordecedor tatuaje del tamborileo lateral de las ruedas con neumáticos chirriantes desde el vértice de un conjunto (de adoquines) al siguiente; los palos arrastrándose a lo largo de una cerca; el chirrido y crujido y pitidos y traqueteo de los vehículos, ligeros y pesados, maltratados de esta manera, el tintineo de los arneses de cadena; aumentados por los gritos y bramidos emitidos por aquellas criaturas de Dios que deseaban impartir información o proferir una petición vocalmente, elevando un barullo que está más allá de toda concepción. El ruido no era una cosa insignificante.3

En Estados Unidos las ciudades se hicieron cada vez más ruidosas y se idearon toda suerte de ordenanzas para controlar el barullo. En Dayton, Ohio, la ciudad proclamó que “es ilegal que los vendedores ambulantes o buhoneros perturben la paz y tranquilidad gritando o pregonando sus mercaderías”. La mayoría ía de estas ordenanzas, por supuesto, se usaban poco y pronto desaparecieron en el olvido, mientras el ruido se incrementaba. La legislación más eficaz que aprobó el Congreso en el área de control del ruido ha sido la Ley de Seguridad y Salud Ocupacional (Occupational Safety and Health Act) de 1970, en la que se le dio autoridad a la Administración de Seguridad y Salud Ocupacional (OSHA; Occupational Safety and Health Administration) para controlar los niveles de ruido industrial. Una de las regulaciones más importantes promulgadas por la OSHA son los límites del ruido industrial. Al reconocer que tanto la intensidad como la duración son importantes para prevenir el daño a la audición, las regulaciones de la OSHA limitan el ruido en la industria general y en la de la construcción, como se muestra en la tabla 16.3. Los niveles de sonido mayores que 115 dB(A) son claramente perjudiciales y no deben permitirse. El ruido industrial es en su mayor parte constante durante un día laboral de ocho horas; sin embargo, el ruido comunitario es intermitente. Si un avión pasa por encima de nuestra cabeza sólo algunas veces al día, el nivel de sonido es bastante bajo en promedio, pero el factor de irritación es alto. Por esta razón se ha desarrollado una plétora de índices de ruido con los que se pretende estimar su efecto psicológico. En su mayoría comienzan usando la técnica de distribución acumulativa, similar al análisis de eventos naturales, como inundaciones, que se expuso en el capítulo 3. El Departamento del Transporte de Estados Unidos se ha preocupado por el ruido del tráfico y ha establecido niveles de sonido máximos para los diferentes vehículos. Los camiones y automóviles modernos son considerablemente más silenciosos que antes, pero mucho de esto ha ocurrido debido a la exigencia del público y no por decreto del gobierno. La excepción son los camiones renegados que continúan siendo los más ruidosos en las autopistas y hay pocas

Tabla 16.3 Exposiciones permisibles al ruido de la OSHA Duración (h) 8 6 4 3 2 1.5 1 0.5 ≤ 0.25

Niveles de sonido [dB(A)] 90 92 95 97 100 102 105 110 115

16.4

525

Reducción del ruido

ENFOQUE

La valoración de los beneficios intangibles demanda del público de paz y tranquilidad (figura 16.7). Luego determinaron el valor monetario promedio para lo que las personas pagarían por un ruido reducido relacionado con la transportación. Para el ruido en los caminos, determinaron que el público pagaría £31.49 por hogar cada año por una reducción de 1 dB de una línea base de 56 dB (¡una reducción que ni siquiera serían capaces de distinguir!). Pagarían aún más (£91.15 por año), por el mismo cambio desde una línea base de 81 dB. Se encontró que los valores equivalentes para el ruido del ferrocarril eran aún más valiosos, con un rango de £83.61 a £139.65 por año.4 En otras situaciones es posible elaborar esquemas basados en el mercado que fuercen los valores monetarios para los recursos ambientales y otros. Por ejemplo, se han elaborado enfoques basados en el mercado para reducir varios contaminantes del aire, como el CO2; dichos enfoques se basan en esquemas de intercambio de contaminación, en

© Pictures/Alamy

En el capítulo 2 describimos algunas de las herramientas y los desafíos de asignar un valor en las opciones que van desde fácilmente cuantificables hasta altamente subjetivas. Asignar un valor monetario a los recursos ambientales y a otros intangibles, como el valor de la vida humana, es desafiante debido a que tales recursos intangibles por lo común no tienen un valor de mercado. Y sólo funciona si un dólar tiene un valor igual para todas las personas. Es difícil, en particular cuando los impactos potenciales son irreversibles, cuando hay riesgo de un resultado desastroso y cuando las capacidades del ambiente para soportar se exceden, o están a punto excederse. En la práctica, la mayoría ía de las decisiones de ingeniería deben tomarse sin un conocimiento pleno de los beneficios y costos implicados. Éste no es un argumento en contra de hacer una evaluación tan buena como uno pueda, sino más bien un reconocimiento de la importancia de considerar los elementos de costo y beneficio que no es posible expresar en términos monetarios. A veces, la información del mercado (y el comportamiento relacionado con los bienes comercializables) puede usarse para revelar las preferencias en la población, en general respecto a los valores que se dan a los bienes no comercializables. De esta manera, el valor asociado con un recurso intangible particular puede incluirse en los precios para los recursos comercializados, y es posible usar estos valores para desagregar los valores ligados a diferentes características del recurso. Es posible estimar cuántas personas están dispuestas a pagar por el beneficio ambiental para apoyar la toma de decisiones de ingeniería. Por ejemplo, una casa cerca de una calle concurrida está expuesta a niveles altos de ruido y perdería parte de su valor en comparación con casas similares más alejadas de la autopista. Esta diferencia puede usarse para estimar el costo del ruido. Los investigadores evaluaron un conjunto extenso de datos sobre el mercado de la vivienda en Birmingham, Inglaterra. Lo complementaron con medidas de exposición al ruido del tráfico en caminos, ferrocarriles y aéreo para investigar la

Figura 16.7 ¿Cómo afecta el ruido al valor de una residencia?

526

Capítulo 16 Contaminación por ruido

los que a cada interesado se le permite cierto número de créditos de contaminación. Los interesados que emitan menos contaminantes que sus créditos pueden venderlos a otros que emitan más contaminantes de los que sus créditos permiten. Esto proporciona un incentivo (es decir, ingresos) por las operaciones más limpias y un desincentivo (es decir, costo) por las contaminantes. Sin embargo, lo importante es que se diseña un tope en el sistema para reducir la carga de contaminación total. Este esquema en ocasiones se llama “tope y compra-venta” y obtiene ventaja de los mecanismos del mercado. El precio del conta-

minante del aire que se intercambie dependerá del suministro, la demanda y el desafío de alcanzar el tope total. Algunos de los problemas asociados con los esquemas de tope y compra-venta ocurren cuando el tope no es bastante ambicioso o cuando el esquema de intercambio permite que ciertas industrias continúen contaminando mucho y crea puntos calientes de contaminación elevada cerca de sus localidades. Hasta la fecha no sabemos de ningún esquema de intercambio de contaminación por ruido pero la estrategia podría ser aplicable si se considera importante.

probabilidades de que la policía (que no considera el ruido un problema serio comparado con otras preocupaciones de seguridad en las carreteras) los sancione. Los ingenieros acústicos que trabajan en los aviones comerciales silenciosos también han hecho un trabajo excelente; los aviones modernos son sorprendentemente silenciosos comparados con los modelos mucho más ruidosos, como el Boeing 727. Sin embargo, el control del ruido en el ambiente urbano o el ruido producido por máquinas y otros dispositivos no ha recibido mucho apoyo gubernamental o del público. Aunque el Congreso aprobó la Ley de Control del Ruido (Noise Control Act) de 1972, se ha progresado mucho para controlarlo. En la década de 1980 la oficina para el ruido de la USEPA se cerró cuando la dependencia casi se hundió y no se ha restablecido.

16.5

CONTROL DEL RUIDO Es posible reducir el nivel de ruido usando tres estrategias: proteger al receptor, reducir el ruido en la fuente o controlar la ruta del ruido.

16.5.1

Proteger al receptor

Proteger al receptor por lo general implica el uso de tapones u otros protectores para los oídos. Los tapones pequeños, aunque fáciles y baratos, no son muy eficaces para muchas frecuencias de ruido. El oído no sólo puede detectar el sonido que viene a través del canal auditivo sino también la vibración de los huesos que lo rodean. Por tanto, los tapones pequeños sólo sirven en forma parcial; son mucho mejores las orejeras que cubren el oído entero y protegen al usuario de la mayor parte del ruido circundante. El problema con los protectores grandes, sin embargo, es psicológico. Con demasiada frecuencia las personas los rechazarán porque los consideran toscos e incómodos y deciden correr el riesgo, negándose por tanto la efectividad de la protección.

16.5.2

Reducir el ruido en la fuente

Reducir la fuente del ruido a menudo es, por supuesto, el medio de control del ruido más eficaz. Como ejemplo ya se ha mencionado el rediseño de los aviones comerciales. Cambiar

16.5

Control del ruido

527

el tipo de motores que se usan dentro del hogar y alrededor de él también reduce el ruido de manera efectiva: Por ejemplo, el cambio de un motor de gasolina de dos tiempos para una podadora por otra eléctrica elimina en forma efectiva una fuente común e insidiosa de ruido en el vecindario. Ahora los objetos ruidosos más ofensivos son los sopladores de hojas; con frecuencia su nivel de ruido está muy por encima de lo que la OSHA permitiría para el ruido industrial. Para el ruido del tráfico, reducir el ruido en la fuente (automóviles) puede hacerse por medio del rediseño de vehículos y pavimentos. Además, es posible reducir el ruido del tráfico en alguna medida incrementando el uso de alternativas de transportación, como tránsito masivo, caminar y montar en bicicleta. Para las áreas residenciales y otras donde los niveles más altos de ruido del tráfico son inaceptables, es posible disminuirlo al reducir la velocidad del vehículo y alentar el uso de rutas alternas, con dispositivos para el control de la velocidad o nuevos diseños de los caminos.

16.5.3

Control de la ruta del ruido

Cambiar la ruta del ruido es la tercera opción. La evidencia más visible de esta táctica es el nivel más alto de los muros, o barreras, contra el ruido a lo largo de ciertas autopistas. Se han utilizado diversos materiales y diseños para las barreras contra el ruido (figura 16.8). Aunque los terraplenes de tierra son la barrera contra el ruido más barata que se puede construir, éstos, por supuesto, requieren áreas grandes de terreno, algo de lo que se carece por lo común en las áreas urbanas. La mayoría de los muros en Estados Unidos se han construido con concreto o bloques de concreto. Los muros proporcionan una reducción máxima del ruido sólo para la primera hilera de receptores (por ejemplo, las casas). La reducción es de la mitad para la segunda hilera y despreciable para otras. Si se instala una barrera en un solo lado de un camino, los receptores en el lado opuesto en realidad reciben más ruido. Estos efectos se deben a las propiedades del sonido y los muros contra el ruido. Los muros crean una zona de sombra (figura 16.9), en la que ocurre la reducción máxima del ruido. Por desgracia, el ruido no es como la luz. Una sombra de ruido no es perfecta, y el ruido puede doblarse y rebotar de la barrera e incluso en el aire, dependiendo de las condiciones atmosféricas. En ocasiones es posible escuchar ruidos a millas de distancia cuando las ondas de presión rebotan en las capas de inversión. Además de proporcionar protección sólo para los edificios que están inmediatamente al abrigo de la barrera, los muros contra el ruido son bastante costosos. Como se muestra en la figura 16.10, el costo de construirlos se ha elevado a más de un millón de dólares por milla. Es cuestionable si los beneficios constituyen razón suficiente para gastar los fondos públicos. Las barreras contra el ruido en las autopistas se consideran para la construcción de vías nuevas cuando se encuentran los impactos del ruido. Se considera que éstos ocurren cuando se pronostica (por medio del modelamiento en computadora) que los niveles de ruido futuros excederán de manera significativa los existentes (definidos por los departamentos estatales de transportación) o cuando se predice que los niveles futuros serán iguales o superiores a 66 dB(A). Sin embargo, las barreras contra ruido sólo se construyen cuando es razonable y factible. ¿Qué significa esto? Los departamentos estatales de transportación, una vez más, tienen que definir las palabras razonable y factible. Por lo general se incluye algún tipo de análisis de costo/beneficio como criterio. El sonido de la autopista también ha sido abatido por el crecimiento natural denso. Los árboles por si solos no son muy eficaces, pero un crecimiento denso reducirá el nivel de presión

Capítulo 16 Contaminación por ruido

A

B © Cortesía de P. Aarne Vesilind

528

C

Figura 16.8 Barreras contra el ruido en autopistas: A) concreto preformado, B) Durisol® y C) ladrillo.

Zona de sombra

Figura 16.9 Zona de sombra de la barrera contra el ruido.

Problemas

529

Longitud de la barrera (millas) Costo (millones de dólares $)

800 700 600 500 400 300 200 100 0

1970

1980

1990

Década Longitud

Costo

Figura 16.10 Construcción y costo de barreras contra el ruido en autopistas de Estados Unidos.

del sonido en varios decibeles por 100 pies de bosque denso. Reducir el crecimiento natural para ensanchar una autopista de manera invariable causará que aumenten los problemas de ruido. En la mayor parte de los escenarios urbanos, por supuesto, no hay espacio para este tipo de crecimiento denso, así que la plantación es más por estética y beneficio psicológico que por una reducción real del ruido.

PROBLEMAS 16.1 Un edificio de deshidratación en una planta de tratamiento de aguas residuales tiene una centrífuga que opera a 89 dB(A). Se instala otra máquina similar en el mismo cuarto. ¿El operador será capaz de trabajar en este cuarto? 16.2 Una podadora emite 80 dB(A). Suponga que se unen a la operación otras dos podadoras que producen 80 y 61 dB(A), respectivamente. a) ¿Cuál será la cacofonía, en dB(A)? b) ¿Cuál será el nivel de presión del sonido a 200 m de distancia en un patio vecino? 16.3 Una bomba de sedimentación emite el siguiente sonido registrado por un medidor del nivel del sonido en diferentes bandas de octavas:

Banda de octavas (Hz)

Nivel de sonido [dB(A)]

31.5 63 125 250 500 1,000 2,000 4,000 8,000

39 42 40 48 22 20 20 21 10

a) ¿Cuál es el nivel de sonido general, en dB(A)? b) ¿Cumple esto con los criterios de la OSHA para un día laboral de 8 horas? c) ¿Qué enfoques podrían adoptarse para reducir el nivel de presión del sonido?

530

Capítulo 16 Contaminación por ruido d) Si el enfoque más barato parece ser el uso de protección contra el ruido (tapones), ¿éstos éstos deberían usarse? ¿Qué consideraciones éticas podrían estar involucradas al elegir este enfoque de control del ruido?

no pueden cuidarse a sí mismas o que no lo hacen, como en el caso de un padre y un hijo. Sin embargo, el nombre adopta un significado negativo si el hijo es en realidad un adulto y el padre es el gobierno. El establecimiento por parte de la OSHA de estándares de ruido industrial es un caso claro de paternalismo gubernamental. Suponga que una amiga ingeniera trabaja en el área de control ambiental para una corporación y como parte de sus deberes se requiere que supervise los niveles de ruido OSHA en su planta. Ella descubre que en un taller el nivel de ruido excede el nivel OSHA permisible para ocho horas. Parece no haber medios de reducir la fuente del ruido ni es posible alterar su ruta. Ella sugiere que los trabajadores usen protectores para los oídos. Usted es un supervisor de cumplimiento de la OSHA y resulta que está en la planta cuando su amiga le habla sobre el taller que requerirá protección para los oídos. Pero su amiga le dice que los empleados de ese taller le han pedido a ella que por favor hable con usted para ver si les permitiría no usar lo que consideran protectores molestos e inútiles. Ellos

16.4 Usando el análisis de frecuencia del problema 16.3, ¿cuál sería el nivel de presión del sonido, en dB? [Nota: Primero tiene que corregir las lecturas en decibeles a dB en lugar de dB(A) y luego sumarlas.] 16.5 A una estrella de rock de 20 años de edad se le hizo un audiograma. Los resultados se muestran en la figura 16.11. a) ¿Es capaz de escuchar el habla normal de la conversación? b) Si la curva para la persona C que se mostró en la figura 16.5 representa una pérdida normal de audición debida a envejecimiento para alguien de 65 años de edad, trace el audiograma para la estrella de rock cuando alcance los 65 años de edad. c) ¿Será capaz de escuchar algo? 16.6 Paternalismo es, como su nombre implica, un proceso de dar cobijo o cuidar a personas que

Nivel de audición por debajo de lo normal (dB)

–10 0 10 20 30 40 50 60

32,000

16,000

8000

4000

2000

1000

500

250

125

63

70

Frecuencia (Hz)

Figura 16.11 Audiograma para una estrella de rock. Véase el problema 16.5.

Problemas insisten en que saben lo que es mejor para sí mismos y que no desean que se les diga cómo protegerse. Usted asiste y les dice a ellos y a su amiga, la ingeniera de la planta, que la ley lo exige y que sus manos están atadas. Pero los trabajadores insisten en que debe haber sensatez en la ley, que fue aprobada de modo que los trabajadores que deseen protección puedan tener el peso del gobierno de su lado. Pero en este caso los trabajadores desean que el gobierno no se entrometa y los deje en paz. Usted tiene la facultad de pasar por alto esta pequeña infracción en el nivel de ruido en un ambiente industrial por lo demás seguro si escribe un memorándum justificando la dispensa de las regulaciones. ¿Permitiría usted la dispensa o insistiría en que los trabajadores sean protegidos de lo que parece ser un ruido excesivo? Escriba un memorándum de una página, dirigida a su jefe, recomendando la acción. 16.7 Se realizó un análisis de frecuencia en un sitio industrial con los siguientes resultados: Banda de octavas (Hz)

31.5 63 125 250 500 1000 2000 4000 8000

Nivel de presión del sonido (dB)

30 40 10 30 128 80 10 2 0

a) ¿Cuál es el nivel de presión de sonido promedio? b) ¿Cuál sería el nivel de presión de sonido promedio a 100 m de esta fuente? c) Si tuviera que reducir el nivel de presión del sonido, ¿cuál sería su estrategia para la reducción del ruido? 16.8 Se realizó un análisis de frecuencia en una planta industrial con los siguientes resultados:

Banda de octavas (Hz)

31.5 63 125 250 500 1,000 2,000 4,000 8,000 16,000 32,000

531

Nivel de presión del sonido (dB)

5 10 40 30 82 48 70 125 20 40 40

a) Suponga que la persona B, cuyo audiograma se muestra en la figura 16.5, trabaja en esta planta. ¿Qué puede decir sobre la relación entre su audiograma y el análisis de frecuencia que se efectuó en el lugar? b) ¿Cuál es el nivel de presión del sonido promedio en la planta? c) ¿Cuál es el nivel de sonido promedio [dB(A)] en la planta? (Nota: Aproxime corrigiendo los niveles de presión del sonido, usando la figura 16.3.) 16.9 Se instaló una barrera metálica contra el ruido a lo largo de una carretera interestatal. Experimentó una corrosión severa. Después de un rediseño, una instalación subsiguiente de dicha barrera a lo largo de un tramo cercano de la interestatal no experimentó la corrosión. ¿Qué contribuyó a ésta? 16.10 Se estudian los efectos del ruido en las residencias e instituciones urbanas existentes (como escuelas, asilos y hospitales) en un área. a) Se tomaron las mediciones del ruido de fuentes individuales en una ubicación y se encontró que fueron 67 dB, 58 dB, 57 dB, 59 dB y 64 dB. ¿Cuál es el nivel total de ruido? b) Liste tres métodos diferentes para abatir (es decir, en realidad reducir) el ruido del tráfico incrementado para las personas que viven y trabajan en el área.

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Capítulo 16 Contaminación por ruido

NOTAS FINALES 1. En honor del físico alemán Heinrich Hertz. 2. En honor de Alexander Graham Bell. 3. Still, H. (1970). In Quest of Quiet. Harrisburg, PA: Stackpole Books. 4. Day, Brett, Ian Bateman e Iain Lake (2007). Beyond implicit prices: Recovering theoreti-

cally consistent and transferable values for noise avoidance from a hedonic property price model. Environmental and Resource Economics 37, núm. 1: 211-32.

Índice analítico A Ablandamiento del agua con cal sodada, 289-296 Ablandamiento del agua por intercambio de iones, 285-289 Acción de eliminación, residuos peligrosos, 487 Acción de rehabilitación, residuos peligrosos, 487 Aceptores de electrones, 201 Ácido haloacético (HAA), producto secundario de la desinfección (DBP), 311-312 Acuífero confinado, 266 Acuífero no confinado, 266 Acuíferos, 266-271 Administración de Seguridad y Salud Ocupacional (OSHA; Occupational Safety and Health Administration), regulaciones, 554 Adsorción de gases contaminantes, 427 Adsorción por carbón activado, 360 Afluente de aguas residuales, 323 Agencia de Protección Ambiental (EPA; Environmental Protection Agency), 6-7, 11-12, 15-17, 47-49, 51-54, 255-259, 411-414, 415-416 aplicación legal por la, 581, 583 Asociación para el Retardo de la Combustión de Muebles (Furniture Flame Retardancy Partnership), 52-54 clasificación del cromo (Cr), 15-17, 48-49 contaminación por éter de pentabromodifenilo (pentaBDE), 52-53 Diseño del Ambiente (DpA; DfE, Design for the Environment), 52-54, 506-508 Enmiendas para Residuos Peligrosos y Sólidos (HSWA), 486 estándares de emisión, 415-416 estándares nacionales de calidad del aire ambiente (NAAQS), 416 factor de potencia de los carcinógenos, 47-49 Ley de Agua Limpia (CWA) de 1972, 11, 257-259 Ley de Agua Potable Saludable (SDWA), 255-257 Ley de Control de Sustancias Tóxicas (TSCA), 53, 486 Ley de Enmiendas y Reautorización de Superfondo (SARA), 486

Ley de Respuesta, Compensación y Responsabilidad Ambiental Integral (CERCLA), 486-487 Ley del Aire Limpio de 1963, 415 Ley para la Prevención de la Contaminación de 1990, 502-505 manejo de residuos peligrosos, 480-512 Normas de calidad del agua, 255-259 preocupaciones por la calidad del aire en interiores, 411-414 principio de conveniencia, 10-12 Principios de Sandestin para la Ingeniería Sostenible, 6-7 Agotamiento del ozono, 404-406 Agua potable, 7-9, 253-258 conexión transversal, 7-9 evaluación de la calidad, 253-255 fluoruro, 254 Ley de Agua Potable Saludable (SDWA), 255-257 lista de contaminantes candidatos (LCC), 255-257 metas de los niveles máximos de contaminantes (MNMC), 255-256 niveles máximos de contaminantes (NMC), 255-256 normas de calidad, 255-258 normas de turbidez, 255 normas para, 255-259 normas primarias, 255-256 normas secundarias, 255 olor, 254 problema de salud, 254 Servicio de Salud Pública de Estados Unidos (PHS), 258-259 Agua superficial, 257-258, 273-276 análisis de frecuencia para, 274-276 curva de masa de, 274 embalses, 274-276 estándares de calidad, 257-258 suministro de ciclo hidrológico de, 273-276 Aguas residuales, 9-12, 18-21, 94-98, 122-123, 131-135, 254-255, 257, 322-383 adsorción por carbono activado, 360 alcantarillas recolectoras, 323

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Índice analítico

análisis del tratamiento, 254-255, 326 balances de materia con reactores, 131-135 calidad del agua potable y, 253-255 cámara de arena, 327-328 concentraciones, 324 demanda bioquímica de oxígeno (DBO), 94-98, 331, 334-346 desinfección, 354-356 desinfección de vertidos, 355-356 digestión anaerobia, 133-135 diseño de componentes de, 323-325 eliminación de nutrientes, 356-358 estándares de calidad, 258 estanques de oxidación, 359 filtración rápida de arena, 359 filtros, 326-327 humedales usados para, 360-362 reactores de crecimiento suspendido, 331-334 reactores de lecho fijo, 331-333 sedimentación gravitacional, 122-123 selección de estrategias, 375-377 separación de materiales de, 122-123 separación de sólidos, 353-354 sistema de sedimentación activada, 131-133, 331-355 sistemas de tratamiento de tierra, 359-360 sustrato, 334-346 tanque de sedimentación, eliminación, 328-329 tanques de sedimentación, 328-331 transferencia de gases, 346-353 tratamiento, 322-383 tratamiento biológico, 18-21 tratamiento de aguas residuales y, 328-329, 332, 354-356 tratamiento preliminar, 324, 326-328 tratamiento primario, 324, 328-331 tratamiento secundario, 324, 331-356 tratamiento terciario, 324, 356-362 tratamiento y eliminación de sedimentos, 9-12, 328-354, 362-375 triturador, 327 vertedero con muesca en V, 328-329, 332 Aireación, 331-334, 346-353 contactador biológico rotatorio, 331, 333 proceso de transferencia de gas por, 346-353 proceso de, del sistema de lodos activados, 331-334, 346-353 prolongada, 334 tanques, 331-334 Albedo, 407 Alcalinidad del agua, 280-283 Alcantarillas pluviales, 323 Alcantarillas recolectoras, 323 Alcantarillas sanitarias, 323 Alcantarillas, transporte de aguas residuales usando, 323 Amplitud del sonido, 515

Análisis costo/beneficio, 40-42 Análisis de frecuencia, 274-276, 518-522 agua superficial de embalses, 274-276 contaminación por ruido, 513-529 Análisis de información, 89-98 coeficiente de variación (Cv), 90 demanda bioquímica de oxígeno (DBO), 94-98 desviación estándar (X), 90-94 distribución gaussiana (normal), 89-91 estadística, 89-98 media (μ), 89-90 periodo de retorno, 94-95 probabilidad, 89, 95-96 valores de variable para, 91-92 Análisis de rentabilidad, 33-40 Análisis de riesgo, 42-49 curvas de respuesta a la dosis, 46-47 factor de potencia para carcinógenos, 47-49 gestión del riesgo ambiental, 43, 50 muerte debida a alguna causa, 43-45 procedimiento ambiental, 46-49 Análisis del ciclo de vida (ACV), 469-472 Análisis ético, 62-71. Véase también Ingeniería ambiental base para las decisiones éticas, 35-36 ética ambiental, 64-71 solución ambiental y, 70-71 teorías deontológicas, 64 utilitarismo, 63-65 valores espirituales y, 70-71 valores instrumentales y, 65-66 valores intrínsecos y, 66-70 Análisis por TC para la desinfección del agua, 309-312 Análisis técnico, 32-33 Aproximaciones en los cálculos, 86-89 Arden, Edward, 335 Arsénico en los mantos freáticos en Bangladesh, 271-272 Asbestos, efectos de los, 73 Asignación de ruta heurística, 449 Asociación para el Retardo de la Combustión de Muebles (Furniture Flame Retardancy Partnership), 52-54 Atmósfera y calidad del aire, 385-389, 403-410 absorción de energía, 407-408 capas y perfiles de temperatura, 385-386 condiciones de dispersión, 386-389 condiciones de inversión, 387-389 condiciones meteorológicas, 385-389 efectos del agotamiento del ozono, 406-406 efectos del calentamiento global, 406-410 efectos del esmog fotoquímico, 403-404 gradiente vertical de temperatura, 386-388 Atomizador, contaminación con particulados por, 392 Audiómetro, 520 Autopurificación de corrientes, 219 Autorrealización, 149

Índice analítico B Balance de masa, véase Balance de materia Balance de materia, 102-142, 199-207. Véase también Nutrientes aplicaciones a gran escala de, 126-127 combinación de corrientes de flujo, 105-106 digestión anaerobia, 133-135 ecosistema, flujo (de nutrientes) en, 199-207 flujo conservador, 107-108 flujo de estado estable, 103-104, 107 flujo efluente, 103 flujo incontenible, 109-112 lineamientos de caja negra, 113-114 mezcla de corrientes de flujo, 114-120 modelo de caja de la calidad del aire, 118-120 múltiples materiales, 114-131 operaciones de deshidratación, 127-128 operaciones unitarias, 130-131 procesos complejos, 106-114, 127-131 procesos de separación, 120-125, 127-131 reactores y, 131-135 reglas para problemas de, 113-114 sedimentación gravitacional, 122-123 separación de corrientes de flujo, 104-105 sistema de lodos activados, 131-133 situaciones inestables, 113-114 solo material, 103-114 Balance de materia con múltiples materiales, 114-131 mezcla de corrientes de flujo, 114-120 modelo de caja de la calidad del aire, 118-120 operaciones de deshidratación, 127-128 operaciones unitarias, 130-131 procesos complejos, 127-131 procesos de caja negra para, 118-125, 127-131 procesos de separación, 120-125, 127-131 sedimentación gravitacional, 122-123 separación de corrientes de flujo, 120-125 Balance, véase Energía; Balance de materia Balances de materia con un solo material, 103-114 combinación de corrientes de flujo, 105-106 efluente o flujo de salida, 103 flujo conservador, 107-108 flujo de estado estable, 103-104, 107 flujo incontenible, 109-112 procesos complejos, 106-114 procesos de caja negra para, 103-114 separar corrientes de flujo, 104-105 situaciones inestables, 113-114 Barcaza de basura, 21-23 Bentham, Jeremy, 68 Bioconcentración de residuos peligrosos, 483 Bomba calorimétrica, 183-184 Botellas de agua contra uso del grifo, 451-452 Braungart, Michael, 24-25 Brote de hepatitis en Holy Cross College, 7-9

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C Caja negra, 103-154, 182-183, 185-186, 422-423, 450-451 balance de energía térmica usando, 185-186 balance de materia usando, 103-150 ciclo hidrológico, 109-110 control de emisiones (contaminación del aire), 422-423 control de la calidad del aire, 118-120, 422-423 equilibrio y conversión de energía usando, 182, 185 flujo de materiales, 450-451 lineamientos para, 113-114 múltiples materiales, 114-125, 127-129 procesos complejos que usan, 105, 127 sistemas reactores, 131-135 solo material, 105-113 Cal, estabilización del sedimento con, 365 Cálculos, 79-101, análisis de información, 89-98 aproximaciones en, 86-89 dimensiones y unidades para, 80-85 eficiencia de la separación de materiales, 124-125 Calentamiento global, 406-410 absorción de energía atmosférica, 407-409 constante solar (S), 407-408 efecto invernadero, 408-409 hipótesis de Gaia, 409-410 huella de carbono, 439-440 Calidad del agua, 11, 227-263 cargas diarias máximas totales (CDTM), 258 demanda de oxígeno, 230-243 evaluación de, 253-255 indicadores de, 228-253 Ley de Agua Potable Saludable (SDWA), 255-257 Ley del Agua Limpia (CWA), 11, 257-258 lista de contaminantes candidatos (LCC), 257 nitrógeno y, 245-247 niveles máximos de contaminantes (NMC), 255-256 normas de aguas residuales, 257 normas de aguas superficiales, 258-259 normas de potabilidad, 255-257 oxígeno disuelto (OD), 228-230 patógenos bacteriológicos en, 247-253 Servicio de Salud Pública de Estados Unidos (PHS), 258 Sistema Nacional de Eliminación de Descargas de Contaminantes (NPDES), 257-258 sólidos y, 243-245 Calidad del aire, 118-119, 384-421 agotamiento del ozono, 404-406 atmósfera y, 385-389 calentamiento global, 406-410 contaminantes gaseosos, 394-396, 427-430 contaminantes por procesos de combustión, 410-411 contaminantes, 390-398 control, 421-443 dispersión y, 386-389, 431-436

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Índice analítico

efectos de la transportación en, 410, 436-439 emisiones, 410, 415-416, 422-424, 436-439 en interiores, 411-414 esmog fotoquímico, 403-404 estándares nacionales de calidad del aire ambiente (NAAQS), 415-416 estándares, 414-416 fuentes de contaminación y efectos, 398-414 humo, 392, 396-397 interés para la salud, 398-402 legislación estadounidense para, 414-416 Ley del Aire Limpio de 1963, 415 lluvia ácida, 402-403 medición de, 392-397 meteorología y, 385-389 modelos de caja negra, 118-120, 422-424 movimiento de las columnas de humo y, 389, 431-434 óxidos de azufre, 395-397, 402-403, 429-430 particulados, 390-394 partículas, 424-427 visibilidad, 397-398 Calor, 184-186, 189-194 conversión, 184-186 equilibrio de energía, 184-186, 189-194 termodinámica, 192-194 Cámaras de arena, 327-328 Cámaras de sedimentación para partículas, 424 Cambio de aire, ventilación, 411 Carcinógenos, 47-48 cromo (Cr), 15-18, 48 factor de potencia para, 47-48 Cargas diarias máximas totales (CDMT), 258 Ciclo hidrológico, 109-114, 265-276 balance de materia y, 109-113 disponibilidad de agua y, 265-276 evaporación, 265-266 evapotranspiración, 110, 266 filtración, 109-110, 266 modelo de caja negra del, 109-112 precipitación, 109-110, 265 situaciones inestables en, 113 suministros de agua superficial, 273-276 suministros de mantos freáticos, 109-110, 113, 266-273 transpiración, 265-266 Cifras significativas, 87-89 Cloración del agua, 303, 309-311 Clorofluorocarbonos (CFC), agotamiento del ozono por, 405-406 Coagulación del agua, 296-299 dosis de polímero (macromolécula), 297-299 floculación y, 296-297 formación de puentes, 296-297 neutralización de carga, 296-297 pruebas del frasco, 297-298 Código (señal), 120-121 Coeficiente de variación (Cv), 90

Coliformes, 251-253 Collins, Terry, 334 Collis, John Stewart, 70 Columnas de humo, 389, 431-436 cónicas, 431-432 dispersión de contaminantes, 389, 431-436 en abanico, 431-432 estabilidad atmosférica y, 389, 468-472 modelo de distribución gaussiana para, 433-434 serpenteante, 431-432 Combinación de corrientes de flujo de un solo material, 105-106 Combustible derivado de basura (CDB), 459-463 Combustibles y recursos alternativos (CRA), 460-461 Combustión de basura, 459-464 combustible derivado de basura (CDB), 459-463 combustibles y recursos alternativos (CRA), preocupaciones, 461 instalaciones de obtención de energía a partir de desechos, 459-464 producción de dioxinas peligrosas 463-464 riesgos voluntarios contra involuntarios, 464 Comisiones ambientales de las Naciones Unidas, 5 Concentración (C), 83-83 Concepto de cadena alimenticia, 202 Condiciones de inversión, calidad del aire y, 387-389 Condiciones del Sistema de The Natural Step, 23-25 Conectores troncales, 323 Cono de depresión, 269 Consecuencias de la extracción de fosfato, 356-357 Consejo de Defensa de los Recursos Naturales (NRDC; Natural Resources Defense Council), 487-488 Consejo sobre Calidad Ambiental (CEQ; Council on Environmental Quality), 54 Constante solar (S), 407-408 Consumidores, 199-200 Contactador biológico rotatorio, 331, 333 Contaminación del aire, efectos adversos de la, 168-169 Contaminación por humo, 392, 396-397 Contaminación por ruido, 559-578 Administración de Seguridad y Salud Ocupacional (OSHA; Occupational Safety and Health Administration), regulaciones, 570 control, 572-575 controlar la ruta de, 573-575 efectos en la salud de la, 568-569 enfoques basados en el mercado para controlar la, 571-572 Ley de Control del Ruido de 1972, 572 medición del sonido, 565-568 protección del receptor, 572 reducción, 569-572 reducción de fuente (barreras), 572-573 sonido, 560-568 Contaminación térmica, 115, 192 Contaminantes criterio, 416, 481-483

Índice analítico Contaminantes del proceso de combustión, 410-411 Contaminantes gaseosos, 394-396, 410-411, 427-430, 469 adsorción de, 427 control de, 427-430 depuradores húmedos, 427 emisión de, 410-411 incineración de, 394-396 medición de, 419-421 óxidos de azufre, 395-397, 429-430 recolección y disposición de rellenos sanitarios, 468 tipos de, 395 Contaminantes, véase Calidad del aire Contención de residuos peligrosos, 488 Control de incrustaciones, 500-501 Conveniencia, principio de, 10-12 Conversión de energía, 181-186, 188-189 energía térmica, 185-186 equilibrio de energía y, 192-197 equivalencia, 188-189 proceso calorimétrico, 183-185 proceso de caja negra, 182-183, 186 unidades de factores de energía, 181 Corrientes de flujo, 104-106, 114-125, 182-183, 192 balance de energía de, 182-183, 192 combinación de, de un solo material, 105-106 dividir, individuales, 104-105 efluente, 103 estado estable, 103-104, 107, 182-183, 192 mezcla múltiple, 114-120 no contenidos, 109-112 separación de, múltiples, 120-125 Costo anual, 35, 38-40 Costos de capital, 38-39 Crisol de Gooch, 243-244 Cromo (Cr), contaminación, 15-18, 48 Cryptosporidium, calidad del agua y, 247, 250 Curva de masa del agua superficial de embalses, 274 Curvas de distribución C, 157-159, 166-167 reactores de flujo arbitrario, 166-167 reactores de flujo completamente mezclado (CMF), 158-159, 161-167 reactores de flujo taponado (PFR), 157-158 reactores mixtos por lotes, 156-157 Curvas de distribución F, 158-159, 163-166 reactores de flujo completamente mezclado (CMF), 158-159, 163-166 reactores de flujo estacionario (PFR), 157-158 Curvas de respuesta a la dosis, análisis de riesgo usando, 46-47 D Darwin, Charles, 69 Datos normalizados, 101 Decisiones, 29-78 análisis beneficio/costo, 40-42 análisis de la declaración de impacto ambiental (DIA), 54-62

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análisis de rentabilidad, 33-40 análisis de riesgo, 42-50 análisis ético, 62-71 análisis técnico, 32-33 continuidad en las, 71 evaluación de opciones, 50-54 Declaración de impacto ambiental (DIA), 54-62 evaluación, 55-62 inventario, 55 lista de verificación cuantificada, 55-56 lista de verificación de parámetro común ponderado, 58-62 matriz de interacción, 57 Demanda bioquímica de oxígeno carbonácea (DBOC), curva de, 242 Demanda bioquímica de oxígeno (DBO), 94-98, 212, 217-218, 233-243, 331, 333-345 análisis de información usando, 89 carbonácea (DBOC), curva de, 242 datos puntuales, 95-98 factores de conversión para, 238 indicadores de la calidad del agua de, 228 medición del sistema de sedimentación activado de, 354, 357-369 nitrogenada (DBON), curva de, 242 pruebas de botella, 233-238 sembrar la muestra, 237 tasa de desoxigenación y, 211 Demanda bioquímica de oxígeno nitrogenado (DBON), curva de, 259 Demanda química de oxígeno (DQO), 243 Densidad (r), 80-81 Depuradores, control de contaminantes usando, 426-427 Depuradores húmedos, 427 Desastre en Bophal, India, 499 Desbordamiento de las alcantarillas combinadas (DAC), 323 Descarga de mercurio en el tratamiento de agua, 305 Descomponedores, 199-202 Descomponedores microbianos aerobios, 200-201 Descomponedores microbianos anaerobios, 200-201 Descomponedores microbianos facultativos, 200-201 Descomponedores obligados, 201 Desechos de lodos activados, 132, 333 Desechos orgánicos, efectos de los, en el ecosistema, 211-219 Deshidratación de sedimento, 127-130, 368-373 filtros de banda para, 369 lechos de arena para, 368-369 métodos de centrifugadora, 370-373 operaciones, 127-130 pastel de sólidos de la, 369-370, 373 polielectrolitos para, 373 procesos de tratamiento de desperdicios, 368-373 Desinfección del agua, 303, 309-315, 354-356 alternativas químicas verdes para, 314-315 análisis TC para, 309-312 cloración, 303, 309-312

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Índice analítico

efluente, 354-356 generación de hipoclorito en sitio, 312-313 productos secundarios (DBP), 311-213 Desintoxicación, 499 Desmaterialización, 497-499 Desnitrificación, 358 Desulfuración, 429-430 Desviación estándar (X), 90-94 Dibdin, William, 19-20 Digestión aerobia de sedimentación, 388 Digestión anaerobia de sedimento, 364-367 Dimensiones, 80-86 concentración (C), 81-83 densidad (r), 80-81 derivadas, 80 fundamentales, 80 tasa de flujo (Q), 83-85 tiempo de retención (t), 85 unidades y, 80-86 Dinámica del proceso biológico para el diseño de sistemas de lodos activados, 334 Dioxina, peligros de la producción de, 563-464 Directiva REACH de la Unión Europea (UE), 507 Diseño de cuna a cuna, 23-27, 453-454 Diseño de ingeniería, impactos en el ecosistema, 219-220 Diseño de silla para oficina Mirra, 26 Diseño para el Ambiente (DfE), 26, 52-54, 506-508 Disminución en el nivel de agua, 269-271 Dispersión del aire, 385-389, 431-436 condiciones atmosféricas estables para la, 386-389, 433-436 condiciones de inversión, 388-389 condiciones prevalecientes, 387-388 contaminantes, 431-436 ecuación, 434 ecuación de difusión para, 434 efectos de la niebla en, 388-389 gradiente vertical de temperatura adiabático húmedo, 387 gradientes verticales de temperatura, 386-388 modelo gausiano para, 433 movimiento de columnas de humo de la, 389, 431-436 temperatura y, 386-388 viento, 386 Dispositivos de cultivo continuo (quimiostatos), 336-337 Distribución gaussiana (normal), 89-91 Dosis de polímero (macromolécula), 297-299 Dureza del agua, 277-284 alcalinidad y, 280-283 carbonato (DC), 280 clasificación de, 280 conversión de la concentración para, 278-279 de no carbonato (DNC), 280 gráficas de barras usadas para, 283-285 total (DT), 277-280

Dureza del agua carbonatada (CH), 280 Dureza no carbónica del agua (NCH), 298 Dureza total del agua (DT), 277-280 E E. coli, véase Escherichia coli Ecoefectividad, 25 Ecoeficiencia, 25 Ecofeminismo, 206-207 Ecosistemas, 198-224 consumidores, 199-200 descomponedores, 199-202 ecofeminismo y, 206-207 efecto del diseño de ingeniería en, 219-220 efectos de los desechos orgánicos en, 211-219 flujo de energía y, 199-200 flujo de nutrientes (materia) y, 199-207 fotosíntesis y, 199, 208-211 homeostasis (condición de estado estable) de, 202-207 influencia humana en, 207-220 nicho (competencia) en, 206 pesticidas, efectos de los, en, 207-208 proceso de descomposición, 200-202 proceso de desoxigenación, 211-212 proceso de eutroficación, 210 proceso de reoxigenación, 211-219 proceso de respiración, 199-200 productores, 199-200 progresión de la red alimenticia, 202-207 Ecosistemas de agua, 207-219 autopurificación de, 218 corrientes, 211-219 efectos de las algas en, 208-212 efectos de los desechos orgánicos en, 211-219 efectos de los nutrientes en, 208-212 efectos de los pesticidas en, 207-208 lagos, 208-212 proceso de desoxigenación, 211-212 proceso de reoxigenación, 211-219 Ecosistemas de corrientes, efectos de los desechos orgánicos en, 211-219 Ecosistemas lacustres, efectos de los nutrientes en, 208-212 Ecuación de déficit de Streeter-Phelps, 214-215 Ecuación de difusión, 434 Efecto invernadero, 408-409 Efectos de la niebla en la dispersión del aire, 388-389 Efectos de la transportación, 219-220, 410, 436-439, 473-474, 522-529. Véase también Emisiones calidad del aire, 410, 436-439, 473-474 contaminación por ruido, 522-529 impactos de colisión vida silvestre-vehículos, 219-220 residuos sólidos, 473-474 vehículos para desguace, directiva de, 473-474 Efectos de las algas en los ecosistemas, 208-212

Índice analítico Eficiencia, 176-177, 189-192 desempeño del reactor, 176-177 energía, 183, 190-192 motores de Carnot (termodinámica), 192 motores térmicos, 189-200 Eficiencia de Rietema (ER), 124-125 Eficiencia de Worrell-Stessel (EWS), 124-125 Eliminación del fósforo de aguas residuales, 358 Embalses, agua superficial de, 273-276 Emisión de gas invernadero, 460-461 Emisión de hidrocarburos, 410 Emisiones, 410-411, 415-416, 422-424, 436-439 contaminantes del proceso de combustión, 410-411, 436-438 contaminantes gaseosos de, 410-411 escape, 437-439 estándares y calidad del aire, 415-416 fuentes de transportación, 410, 436-439 fuentes industriales, 410 incineración de residuos sólidos, 410 modelo de caja negra para, 422-424 pérdida por evaporación, 437 tratamiento de, 422-424 válvula de ventilación positiva del cárter (VPC), 437 Energía, 180-197, 199-200, 407-408 absorción atmosférica, 407-408 balance de, 182-186, 192 balance termodinámico, 192-194 calor, 195-197 conversión de, 181-186 ecosistema, flujo en, 199-200 eficiencia, 183, 190-192 equivalencia, 188-189 flujos, balance de, 182-183, 192, 199-200 fuentes y disponibilidad de, 187-194 motor de Carnot, 192 motor térmico, 189-192 proceso calorimétrico para, 182, 184-185 producción de energía eléctrica, 189-194 torres de refrigeración, 193-194 unidades de medición para, 181 Enmiendas para Residuos Peligrosos y Sólidos (HSWA), 486 Entamoeba histolytica, calidad del agua y, 247-248 EPEA Internationale Umweltforschung GmbH, 26 Episodio de esmog de Donora, 12-14 Equilibrio de energía termodinámica, 192-194 Equivalencia de energía aritmética, 188-189 Escala de Ringlemann, 396-397 Escherichia coli (E. coli), 247-249 calidad del agua y, 247-249 Escherich, Theodor, 249 Esmog fotoquímico, 403-404 Esparcimiento de la tierra para la eliminación de la sedimentación, 373, 375 Estadística, 89

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Estándares ambientales nacionales (NAAQS), 448-449 Estanques de oxidación, tratamiento de aguas residuales usando, 359-360 Ética ambiental, 5, 65-71, 149 autorrealización, 149 consideraciones legales, 581 decisiones de ingeniería basadas en, 65-70 impacto de la, en desarrollos futuros, 5 movimiento de ecología profunda, 70, 149-150 perspectiva antropocéntrica, 65-66 perspectiva biocéntrica, 69, 149-150 perspectiva ecocéntrica, 69-70 perspectiva existencialista, 66-69 reciprocidad moral, 65 valores espirituales y, 70-71 valores instrumentales y, 65-66 valores intrínsecos y, 66-70 Euler, Leonard, 448-449 Evaluación de opciones, 50-54 Exposición a la radiación en gray (Gy), 495 Extracción de desechos peligrosos, 488 F Factor de potencia de los carcinógenos, 47-48 Factores de interés compuesto, 37-38 Filosofía del ecofeminismo, 206-207 Filtración de agua, 307-309 Filtración por membrana (FM), medición, 252 Filtro de banda, 369 Filtros de arena rápidos, 307-310, 359 Filtros de barras, 326-327 Filtros de manga (o de bolsa o tela) para control de partículas, 425 Filtros percoladores, 331-332 Fitotoxicidad de materiales peligrosos, 485 Floculación del agua, 296-297, 299-303 coagulación y, 296-297 proceso de crecimiento de partículas, 299-300 tanques de sedimentación y, 209-303 Flóculos, 296-297 Floraciones de algas, 210 Flujo de estado estable, 102-103, 107 Flujo de salida (efluente), 103 Flujo incontenible, 109-112 Flujo subsuperficial en humedales, 361 Flujo superficial en humedales, 384 Flúor en el agua potable, 254 Fondo Verde para Sustancias Químicas Seguras, 53-54 Formación de puentes 296-297 Formadores de metano, digestión anaeróbica, 365 Fotómetro, 246 Fotosíntesis, 199-211 Fowler, Gilbert, 335 Frecuencia, sonido, 514-515, 520-522 Frente de Liberación de la Tierra (FLT), 584 Fumos, contaminación por particulados de, 392

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Índice analítico

G Generación de hipoclorito en el sitio, 312-313 Generaciones futuras, obligaciones con, 505-509 Gestión del riesgo ambiental, 43, 49 Gestión Integrada de Residuos Sólidos (ISWM; Integrated solid waste management), 472-474 Giardia lamblia, calidad del agua y, 247 Gradiente vertical de temperatura adiabático húmedo, 387 Gradiente vertical de temperatura de aire adiabático seco, 386 Gradiente vertical de temperatura prevaleciente, 387-388 Gradiente vertical de temperatura subadiábatico, 387-388 Gradiente vertical de temperatura superadiábatico, 387 Grado del epilimnion, 209-10 Grado hipolimnion, 210-211 Grado metalimnion, 209-210 H Haagen-Smit, Arie, 431 Hawken, Paul, 585 Hazen, Allen, 35-36, 92 Hipótesis de Gaia, 409-410 Homeostasis de ecosistemas, 202-206 Humedales, 360-362 diseño de tratamiento de aguas residuales de, 360-362 flujo subsuperficial, 361 flujo superficial, 361 Hundertwasser, Friedensreich, 191 I Igualdad biocéntrica, 149 Impactos de colisión vida silvestre-vehículo, 219-220 Incineración, 373-374, 410-411, 427-429, 459-464 chimeneas comparadas con, 464 combustión de basura, 459-464 contaminantes gaseosos de la, 427-429 eliminación de sedimentos, 373-374 emisiones de contaminación del aire por la, 410-411 residuos peligrosos de la, 461-464 riesgo voluntario contra involuntario, 464 Incineradores de lecho fluidizado, 373 Incineradores de solera múltiple, 373-374 Índice Langelier para la estabilidad del agua, 312 Infiltración de aguas residuales, 323 Inflamabilidad de materiales peligrosos, 482 Influencias humanas en los ecosistemas, 206-220, 344, 411, 436-439, 450-464, 469-472 análisis del ciclo de vida (ACV), 469-472 dominio de la naturaleza por, 206 ecofeminismo y, 206-207 efectos de los desechos orgánicos en, 211-219 efectos de los pesticidas en, 207-208 emisiones de la transportación, 410, 436-439 flujos de materiales de residuos sólidos, 450-453 fotosíntesis y, 199, 208-211

impactos del diseño de ingeniería en, 219-220 reutilización y reciclaje de materiales, 453-464 Informe de Budapest, 5 Ingeniería ambiental, 1-101 análisis costo/beneficio, 40-42 análisis de declaración de impacto ambiental (DIA), 54-62 análisis de la información, 89-98 análisis de rentabilidad, 33-40 análisis de riesgo, 43-49 análisis ético, 62-71 análisis técnico, 32-33 aproximaciones en los cálculos, 96-98 cálculos para, 79-101 decisiones e, 31-78 desarrollos futuros, 5-7 dimensiones y unidades en la, 80-85 estudios de caso de problemas, 7-23 evaluación de opciones, 50-54 identificación y resolución de problemas, 3-27 orígenes de la, 4 preocupaciones actuales, 4-5 Principios Sandestin para, Sostenible, 6-7 Ingeniería ecológica, 6, 314-315, 499-501. Véase también Ingeniería sostenible alternativas químicas, 314-315, 499-501 control de incrustaciones, 500-501 principios de, 6 proteínas harpin, 500 tóner basado en la soya, 501 tratamiento para la desinfección de agua, 314-315 tratamientos de materiales sostenibles, 499-501 Ingeniería sostenible, 6-7, 23-27, 219-220 Condiciones del Sistema del Paso Natural, 23-25 diseño de la cuna a la cuna, 23, 24-27 diseños para ecosistemas, 219-220 manejo de materiales (SMM), 23 Principios de Sandestin para, 6 Instalación de recuperación de material (IRM), 455-458 Interruptor (puerta), 120 Inversiones de hundimiento, 388 Inversiones de radiación, 388-389 Isótopos, 492 J Jersey City, contaminación por cromo, 15-18 L Lechos de arena, 368-369 Leopold, Aldo, 66, 69 Ley de Agua Limpia (CWA), de 1972, 11, 257-258 Ley de Agua Potable Saludable) (SDWA), 255-257 Ley de Control de Sustancias Tóxicas (TSCA), 53, 486 Ley de Dalton, 349 Ley de Enmiendas y Reautorización del Superfondo (SARA), 486

Índice analítico Ley de Henry, 347-349 Ley de Investigación y Desarrollo de Química Ecológica de 2008, 500 Ley de Política Ambiental Nacional (NEPA) de 1970, 60 Ley de Prevención de la Contaminación de 1990, 502-505 Ley de Respuesta, Compensación y Responsabilidad Ambiental Integral (CERCLA), 486-487 Ley del Aire Limpio (Ley del Aire Normal), 14, 415 Libro Rojo (Evaluación de riesgo en el gobierno federal; Risk Assessment in the Federal Government), 50 Limpieza de sitios abandonados 487-489 Lista de contaminantes candidatos (LCC), 256-257 Lista de Prioridades Nacionales (NPL; National Priorities List), 527 Lista de verificación cuantificada, 55-56 Lista de verificación de parámetro común ponderado, 58-62 Lixiviados, 467-468 Lluvia ácida, 402-403 Lockett, W.T., 335 Lodo activado de retorno, 333 Lodo grueso, 354 M Manejo de materiales sostenibles, 497-506 control de incrustamiento, 500-501 desintoxicación, 499 desmaterialización, 497-499 Ley para la Prevención de la Contaminación de 1990, 502-505 proteínas harpin, 500-501 tóner basado en soya, 501 tratamiento de química ecológica, 499-501 Mantos freáticos, 58-59, 109-110, 113, 266-273 acuíferos, 266-272 arsénico en Bangladesh, 271-273 balance de material y, 109-110 ciclo hidrológico del suministro de, 265-276 daños, Tampa Bay Water (TBW), 58-59 disminución en el nivel de agua, 269-271 disponibilidad de, 265-273 flujo volumétrico (Q), 266-271 nivel acuífero, 266, 269-271 permeabilidad (K), 268-269 porosidad, 266-268 pozo artesiano, 266 pozos, 269-273 producción específica, 266 situaciones inestables en, 113 zona de aireación, 266 zona de saturación, 266 Manufactura de cemento y el uso de combustibles y recursos alternativos, 460-462 Materiales peligrosos radiactivos, 485, 492-496 criterios de, 485 exposición accidental, 495-496 gestión de, 492-496

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medición de la exposición, 494-495 radiación ionizante, 492-496 riesgos de radiación ionizante, 494-496 tratamiento y eliminación de, 496-497 vida media de los radioisótopos, 493-494 Matriz de interacción, 57 McDonough, William, 24-26 Media (μ), 89-90 Medición CL50, 484 Medición de amoniaco con el reactivo de Nessler, 263-264 Medición del amoniaco, 246-247 Medición DL50, 483-484 Metabolismo biológico y nutrientes, 24 Metabolismo técnico y nutrientes, 24 Metas del nivel máximo de contaminantes (MNMC), 255-256 Meteorología y movimiento de aire, 385-389 Método de centrifugadora, 370-373 Miller, Herman, 26 Modelo de dispersión gaussiano, 433-434 Modelo de la cuna a la cuna de la Revolución Industrial, 23 Modelo de Monod, 337-338 Modelo mixto para reactores, 156-167 Motor de Carnot, 192 Motor térmico, balance de energía y, 189-192 Movimiento de ecología profunda, 70, 149-150 Muerte debida a causa, análisis de riesgo para, 43-46 Muir, John, 66 N Neumáticos erosionados como una fuente de contaminación del aire, 391 Neutralización de carga de partículas, 296-297 Nicho (competencia) en ecosistemas, 206 Niebla, contaminación de particulados de la, 392 Nitrificación, 379 Nitrógeno (N), 213-215, 262-264, 379, 381 desnitrificación, 381 eliminación del, de las aguas residuales, 379, 381 equilibrio del ecosistema del, 213-215 Kjeldahl, 262 medición de amoniaco con el reactivo de Nessler, 263-264 medición de la calidad del agua de, 262-264 nitrificación, 379 técnica colorimétrica para, 263-264 Nitrógeno Kjeldahl, 245 Nivel acuífero, 266, 269-271 Nivel trófico de organismos, 202-205 Niveles de presión del sonido, 515-519 Niveles máximos de contaminantes (NMC), 255-256 Norma física de turbidez, 255 Número más probable (NMP), método, 252-253 Nutrientes, 211-225, 379-382 consumidores, 211-212 descomponedores, 211-214

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Índice analítico

efectos de las algas en los ecosistemas, 221-225 efectos de los, en ecosistemas lacustres, 221-225 eliminación de aguas residuales, 379-382 eliminación de fósforo, 380-382 eliminación de nitrógeno, 379, 381 flujos de materiales en ecosistemas, 211-220 homeostasis (condición de estado estable) y, 214-219 microorganismos aerobios, 212-213 microorganismos anaerobios, 212-213 microorganismos facultativos, 212-213 proceso de descomposición, 212-214 productores, 211-212 O Obtención de energía a partir de desechos (OEPD), instalaciones, 459-464 Olor del agua potable, 254, 314 Operaciones unitarias, 130-131 Organismos indicadores, 250-253 Ósmosis Inversa (OI), ablandamiento del agua, 285-289 Óxidos de azufre, 395-398, 402-403, 429-430 contaminantes gaseosos, 395-398, 429-430 control de, 429-430 desulfuración, 429-430 formación de lluvia ácida a partir de, 402-403 Óxidos de nitrógeno (NO), 419-420, 427-429, 441 lluvia ácida de, 427-429 emisiones, 441 contaminantes gaseosos, 419-420 Oxígeno disuelto (OD), 213-219, 228-230 curva de reducción, 213-215 déficit de ecosistema (D), 213-219 medición métrica, 228-230 Oxígeno (O), 211-219, 227-243 demanda bioquímica (DBO), 212, 217-218, 233-243 demanda química (DQO), 243 demanda teórica (DTO), 230-232 demanda, 230-243 disuelto (OD), 213-219, 228-230 medición del, en la calidad del agua, 227-243 proceso de desoxigenación, 211-212 proceso de reoxigenación, 211-219 P Parámetro de pureza (P), 121-124 Parámetro de recuperación (R), 121-124 Particulados, 390-394, 424-430 aerosol, 392 cámaras de sedimentación para, 424 control de, 424-427 depurador (torre de aspersión) para, 426-428 filtros de manga (o de bolsa o tela), 425-426 fumo, 392 humo, 392 medición de, 392-394 neumáticos erosionadas como,391

niebla, 392 polvo, 390, 392 precipitadores electrostáticos para, 426-430 respirables, 394 separador ciclónico de, 424-425 suspendidas totales (PST), 393 tamaño de la materia, 391 Partículas críticas, tanques de sedimentación, 302-303 Partículas respirables, 394 Partículas suspendidas totales (PST), 393 Pastel de sólidos, 369-370, 373 Patógenos, 247-253, 309-312 coliformes, 251-253 Cryptosporidium, 247, 250 Entamoeba histolytica, 247 Escherichia coli (E. coli), 247-249 Giardia lamblia, 247, 248 medición de filtración por la membrana (FM), 252-253 medición de, para calidad del agua, 247-248 número más probable (NMP), método para, 252-253 organismos indicadores, 250-253 Salmonella, 247-248 Shigella, 247-248 tratamiento por desinfección del agua, 309-312 Patógenos bacteriológicos, véase Patógenos Pentabromodifenilo éter de (pentaBDE), contaminación con, 52 Periodo de retorno, 94-95 Permeabilidad (K) de acuíferos de mantos freáticos, 268-269 Permeámetros, 268 Perspectiva ética antropocéntrica, 65-66 Perspectiva ética biocéntrica, 75-76, 158-159 Perspectiva ética ecocéntrica, 69-70 Perspectiva ética existencialista, 66-69 Pesticidas, efectos de los, en el ecosistema, 207-208 Phelps, Earle, 10 Planta de tratamiento térmico de residuos de Spittelau, 191 Plásticos, 130-131, 451-452, 455-457 desechos del agua embotellada, 451-452 procesos de reciclado, 455-457 separación de materiales de, 130-131 Policlorodibenzofuranos (PCDF), 463 Policloroibenzodioxinas (PCDD), 463 Polielectrolitos, 373 Polvo, contaminación con partículas del, 390-392 Porosidad del acuífero de mantos freáticos, 266-268 Pozo artesiano, 266 Pozos, 269-273, 315-316 almacenamiento de agua tratada, 315-316 efectos múltiples de la extracción en el nivel acuífero, 270-271, 273 envenenamiento por arsénico y filtración, 271-272 mantos freáticos de, 269-273 Precipitadores electrostáticos, 426-427 Principios Sandestin para la Ingeniería Sostenible, 6

Índice analítico Probabilidad, 89, 95-96 Problemas de salud, 254, 399-402, 522-523 carga de contaminantes total en el cuerpo, 399 causados por agua potable, 254 causados por contaminación por ruido, 522-523 preocupaciones por la calidad del aire, 398-402 sinergismo, 399-400 sistema respiratorio, 400-402 tiempo contra dosis, 399 umbrales de, 399 Procedimiento de lixiviación característico de toxicidad (TCLP), 485-486 Proceso calorimétrico para equilibrio de energía, 183, 185-186 Proceso de descomposición, 200-202 Proceso de desoxigenación, 211-212 Proceso de eutroficación, 210 Proceso de evaporación, 265-266 Proceso de evapotranspiración, 110, 266 Proceso de filtración, 109-110, 266 Proceso de precipitación, 109-110, 265 Proceso de reoxigenación, 211-219 Proceso de respiración, 199-200 Proceso de transpiración, 265-266 Procesos de flujo complejo, 106-114, 127-131 conservadores, 107-108 materiales individuales, 106-114 materiales múltiples, 127-131 operaciones de deshidratación, 127-129 operaciones unitarias, 130-131 procesos de balance de caja negra para, 106-114, 127-131 situaciones inestables, 113-114 situaciones sin contenido, 109-112 Producción cloro-álcali en el tratamiento de agua, 305 Producción de energía eléctrica, balance de energía y, 189-194 Producción específica de acuíferos de mantos freáticos, 266 Productores, 199-200 Productos de combustión incompleta (PCI), 497 Profundidad de la mezcla, 118-119 Progresión de la red alimentaria, 202-208 adaptaciones de nicho, 206 efectos de los pesticidas en la, 207-208 nivel trófico de los organismos, 202-205 Proteínas harpin, 547 Prueba de Marble para la estabilidad del agua, 312 Pruebas del frasco, 297-298 R Radiación ionizante, 492-496 Radioisótopos, 492-494 Razón de alimento a microorganismos (A/M), 333-334 Reacciones consecutivas, 152 Reacciones de orden cero, 152-155

543

Reacciones de orden no entero, 160 Reacciones de primer orden, 144, 147-150 Reacciones de segundo orden, 145, 150 Reacciones, 143-154, 167-177 consecutivas, 152 de orden cero, 145-147 de primer orden, 144, 147-150 de segundo orden, 150-151 ética ambiental y, 149 modelos de reactor, 167-177 orden no entero, 150-151 reactores de flujo completamente mezclado (CMF), 173-176 reactores de flujo estacionario (PFR), 171-172 reactores mixtos por lotes, 167-171 tiempo doble, 151 vida media, 151 Reactividad de materiales peligrosos, 482 Reactores de crecimiento suspendido, 331-334 Reactores de flujo arbitrario, 166-167 Reactores de flujo completamente mezclado (CMF), 158-176, 173-176 curvas de distribución C, 158-161, 164-166 curvas de distribución F, 158-159, 163-166 modelo de mezcla para, 156-166 modelos de reacción para, 173-176 series de, 161-166, 175-176 tiempo de retención (t), 161-163 Reactores de flujo estacionario (PFR), 157-158, 171-172 modelo de mezcla para, 156-157 modelos de reactores, 167-170 tiempo de retención (t), 157-158 Reactores de lecho fijo, 331-333 Reactores mixtos por lotes, 156-157, 167-171 modelo mixto para, 156-157 modelos de reacción para, 167-171 Reactores, 131-135, 155-179, 331-334, 338-342 balances de materia con, 131-133 crecimiento con reciclamiento, 338-340 crecimiento sin reciclamiento, 338-340 crecimiento suspendido, 331-334, 338-342 curvas de distribución C para, 157-161, 166-167 curvas de distribución F para, 159,161-162, 164-166 de flujo completamente mezclado (CMF), 161-166, 175-176 de flujo estacionario (PFR), 157-158, 171-172 de lecho fijo, 331 digestión anaerobia, 133-135 eficiencia del desempeño, 176-177 flujo arbitrario, 166-167 mixtos por lotes, 157-158, 167-171 modelo de mezcla para, 156-167 modelos de reactores, 167-177 procesos de caja negra para el equilibrio del sistema, 132-133 señales continuas, 166

544

Índice analítico

sistemas de sedimentación activados, 131-133, 331-334, 338-342 tasa de señal, 159-160 tiempos de retención, 157-158, 161, 163 Reciclaje, 453-459, 469-474 análisis del ciclo de vida (ACV), 469-472 demandas del mercado para, 457-459 diseño de la cuna a la cuna y, 453-454 gestión integrada de los residuos sólidos (ISWM; Integrated solid waste management) y, 472-474 instalación de recuperación de material (IRM), 455-458 instalaciones de eliminación (RDF), 507-508 procesamiento de residuos, 455-457 proceso de recuperación de material, 453-455 reciclado con pérdida de calidad, 453 reutilización de materiales sólidos, 453 vehículos para desguace, directiva, 473-474 Recursos de energía no renovables, 198-199 Recursos de energía renovables, 187 Reducción catalítica selectiva (SCR), 191 Regan, Thomas, 70 Rellenos sanitarios, 464-468 densidad de residuos sólidos, 466 disposición de residuos final, 464-468 lixiviados, 467-468 recolección y eliminación de gas, 468 sanitarios, 464-468 tiraderos (basureros) comparados con, 464-465 Rem, exposición a la radiación, 495 Residuos peligrosos, 445, 461, 463-464, 480-512 acción de eliminación, 487 acción de rehabilitación, 487 bioconcentración, 483 combustión de basura, 459-464 contaminantes de los criterios, 482 contención, 488 definición de sustancias USEPA, 481 Directiva REACH de la Unión Europea (UE), 507 eliminación, 491-492, 496-497 Enmiendas para Residuos Peligrosos y Sólidos (HSWA), 486 extracción, 488 fitotoxicidad, 485 generaciones futuras, obligaciones respecto a las, 505-509 inflamabilidad, 482 Ley de Enmiendas y Reautorización de Superfondo (SARA), 486 Ley de Respuesta, Compensación y Responsabilidad Ambiental Integral (CERCLA), 486-487 Ley para el Control de Sustancias Tóxicas (TSCA), 486 limpieza de sitios abandonados, 487-489 Lista de Prioridades Nacionales (NPL; National Priorities List), 487 manejo de materiales sostenible, 497-505 manejo, 486-497 medición CL50, 484 medición DL50, 483-484

preocupaciones de combustibles y recursos alternativos (CRA), 461 procedimiento de lixiviación característico de la toxicidad (TCLP, Toxicity Characteristic Leaching Procedure), 485-486 producción de dioxina, 463-464 Programa de Diseño para el Ambiente (DfE), 506-508 radiación ionizante, 492-496 radiactivos, 485, 492-497 reactividad, 482 Sistema Globalmente Armonizado (SGA; GHS, Globally Harmonized System) clasificación y símbolos de, 482 toxicidad, 483-485 tratamiento, 489-491, 496-497 Residuos sólidos, 34-35, 444-479. Véase también Residuos peligrosos análisis del ciclo de vida (ACV), 469-472 botellas de agua contra uso del grifo, 451-452 combustibles y recursos alternativos (CRA), 460-462 combustión de basura, 459-464 densidad de, 466 flujos de materiales a través de la sociedad, 450-453 generación de residuos, 450-453 gestión integrada (ISWM), 472-474 modelo de caja negra para el flujo de materiales, 450-451 reciclado de materiales, 453-459 recolección de basura, 445-450 recolección por tubería neumática, 446-447 recorrido de Euler, 448-450 reducción de fuentes, 468-472 rellenos sanitarios, 464-468 reutilización de materiales, 453-455 ruta de optimización, 447-450 ruta heurística, 449 transferencia y reciclado, diseños para, 34-35 vehículos para desguace, directiva de, 473-474 vehículos recolectores, 445-447 Residuos, véase Residuos sólidos Retardante de llamas, 52-54 Retrolavado, 309 Reutilización de materiales sólidos, 453-454. Véase también Reciclaje Riesgo involuntario, 45, 464 Riesgo voluntario, 45, 464 Robèrt, Karl-Hendrik, 23 Roentgen, exposición a la radiación, 494-495 S Sabor y olor (S&O), mantenimiento del sistema de tratamiento de agua, 314 Salmonella, calidad del agua y, 264-265 Schweitzer, Albert, 68 Sedimentación gravitacional, 122-123 Sedimentación sin tratar (primaria), 329-331, 362 Sedimento biológico (o secundario), 362 Sedimentos, 9-12, 127-129, 131-133, 300-301, 328-354, 361-375

Índice analítico activado de retorno, 333 balance de materiales y, 126-129, 131-133 biológicos (secundarios), 362 cálculos de cantidad, 362-364 desechos activados, 132, 333 deshidratación, 127-129, 368-373 digestión aerobia,365 digestión anaerobia, 365-367 edad (tiempo de retención de sólidos), 338 eliminación, 9-12, 362-375 eliminación de, en el tanque de sedimentación, 319-320, 328-331 esparcir sobre la tierra, 373, 375 estabilización por cal, 365 estabilización, 365-367 incineración, 373-374 índice de volumétrico de (IVL), 354-355 lodo grueso, 354 sin tratar (primario), 328-329, 362 sistema de sedimentación activada, 131-133, 324-354 toxicidad de, 373, 375 tratamiento primario de aguas residuales y, 328-331 Señales continuas, modelos de mezcla en los reactores con, 167 Separación de corrientes de flujo, 120-125 cálculos de eficiencia para, 124-125 código (señal), 120 interruptor (puerta), 120 parámetro de pureza (P), 121-124 parámetro de recuperación (R), 121-124 sedimentador gravitacional, 122-123 separador de materiales, 120-121 separadores binarios, 120-125 separadores polinarios, 125 Separación de corrientes de flujo individuales, 103-104 Separación de materiales por flotación/hundimiento, 130-131 Separador ciclónico para partículas, 424-425 Separadores binarios, 120-124 Separadores polinarios, 125 Servicio de Salud Pública de Estados Unidos (PHS), 258 Shigella, calidad del agua y, 247-248 Sievert (Sv), exposición a la radiación, 495 Singer, Michael, 34 Singer, Peter, 68 Sistema de lodos activados (sedimentación activada), 131-133, 331-354 aireación de, 332-335, 346-353 aireación prolongada, 334 alta velocidad, 334 balance de material y, 127-129, 131-133 desarrollo del, 335 dinámica de procesos biológicos para el diseño de, 334-346 dispositivos para cultivos continuos (quimiostatos), 336-337

545

medición de la demanda bioquímica de oxígeno (DBO), para, 331, 334-346 razón de alimentos a microorganismos (A/M), 333-334 reactor de crecimiento con reciclamiento para, 340-342 reactor de crecimiento sin reciclamiento para, 338-340 reactores de crecimiento suspendido, 331-334, 338-342 reactores de película fija, 331-332 separación de sólidos, 353-355 sólidos suspendidos en licor mezclado (SSLM), 334 sustratos, 334-346 tiempo de retención, 338-339 tiempo de retención de sólidos (edad del lodo), 338 tiempo medio de residencia de las células (TMRC), 338-339 transferencia de gas, 346-353 tratamiento de aguas residuales y, 331-354 Sistema Globalmente Armonizado (SGA; GHS, Global Harmonized System), 482 Sistema Nacional de Eliminación de Descargas Contaminantes (NPDES; National Pollutant Discharge Elimination System), 275-277 Sistemas de alcantarillado y tratamiento, diseños para, 35-36 Sistemas de tratamiento de tierras, 360 Situaciones de flujo inestable, 113-114 Snow, John, 250-251 Sociedad Estadounidense para Pruebas y Materiales (ASTM; American Society for Testing and Materials), 462-463 Sólidos, 133-134, 243-245, 334, 338, 353-355, 369 crisol de Gooch para, 244-245 disueltos, 244 fijos, (SF), 244-245 indicadores de la calidad del agua y, 243-245 pastel, 369 proceso del sistema de sedimentación activada de, 334, 353-355 separación de, 353-354 suspendidos (SS), 244 suspendidos en licor mezclado (SSLM), 334 tiempo de retención (edad del sedimento), 338 totales (ST), 243-245 volátiles (SV), 133-134, 244-245 Sólidos disueltos, 244 Sólidos fijos (SF), 245 Sólidos suspendidos (SS), 244 Sólidos suspendidos en licor mezclado (MLSS), 334 Sólidos suspendidos volátiles (SSV), 245 Sólidos totales (ST), 243-245 Sólidos volátiles (SV), 133-134, 244-245 Sonido, 514-522 amplitud, 515 análisis de frecuencia del, 518-522 frecuencia, 514-515 intensidad, 517 medición del, 519-522

546

Índice analítico

medidor de niveles, 520 medidor del nivel de presión, 519-522 nivel de dB(A), 520 niveles de presión (SPL), 515-519 Suministro de agua, véase Ciclo hidrológico Sustratos, 334-346 dispositivos de cultivo continuo (quimiostatos), 336-337 reactor de crecimiento con reciclamiento, 340-342 reactor de crecimiento sin reciclamiento, 338-340 sistema de sedimentación activada, uso de, 334-346 velocidad de eliminación (q), 342-343 T Tanques de sedimentación por gravedad, 299-300 Tanques de sedimentación, 299-307, 328-331 adiciones químicas a los, 330-331 diseño de, 299-302, 305-307 eliminación de sedimentos, 300-301, 328-331 floculación y, 299-301 gravedad, 299-300 partículas críticas, 302-303 tasa de desbordamiento, 304-305 tiempo de retención (t), 303-304 tratamiento de sedimentos sin tratar, 329-331 tratamiento primario de aguas residuales uso de, 328-330 Tasa de desbordamiento, tanques de sedimentación, 304-306 Tasa de flujo (Q), 83-85, 266-271 Tasa de flujo gravimétrico (QM), 83-84 Tasa de flujo volumétrico (Qv), 83-85 Tasa de señal, 159-160 Taylor, Paul, 69-70 Técnica colorimétrica para la medición del nitrógeno, 246-247 Técnica de costo de amortización, 42 Técnicas de ablandamiento del agua, 277-296 alcalinidad y, 280-283 cal sodada, 289-296 concentración de sustancias, conversión, 278-279 determinación de dureza,277-303 intercambio de iones, 285-289 ósmosis inversa (OI), 285-289 Tecnología de ligando tetra-amido macrocíclicos (TAML), 315 Temperatura, 209-210, 387-388, 406-410 calentamiento global, 406-410 perfiles de ecosistema, 209-210 prevaleciente, dispersión del aire y, 387-388 Teorías deontológicas, 64 Thompson, Janna, 69-70 Thoreau, Henry David, 66 Tiempo de retención (t), 85, 157-158, 161-163, 303-304, 338-339 cálculo en ingeniería del, 85 media de tiempo de permanencia celular (MCRT), 338-339

reactores de flujo de mezcla completa (CMF), 161-163 reactores de flujo estacionado (PFR), 157-158 sistema de sedimentación activado, 338-339 sólidos (edad del sedimento), 338 tanques de sedimentación, 303-304 Tiempo de retención, 338 Tiempo doble, 151 Tiempo medio de residencia de células (TMRC), 338-339 Tóner basado en soya, 501 Torre de aspersión para particulados, 426 Torres de refrigeración, 193-194 Toxicidad, 375, 483-488, 499 materiales peligrosos, 483-485 sedimentos, 375 Transferencia de gas, proceso del sistema de lodos activado, 346-353 Tratamiento biológico de aguas residuales, 18-20 Tratamiento de agua por fluorización, 315 Tratamiento de agua, 276-316. Véase también Agua potable ablandamiento, 277-296 alternativas químicas verdes para, 314-315 cloración, 303, 309-311 coagulación, 296-299 descarga de mercurio, 305 desinfección, 309-312 distribución y, 315-316 filtración, 307-309 floculación, 296-299 fluoración, 315 Índice Langelier para la estabilidad de, 312 operaciones en planta, 277 producción de cloro-álcali, 305 prueba de Marble para la estabilidad de, 312 sabor y olor (S&O), mantenimiento del sistema, 314 tanques de sedimentación, 299-307 Tratamiento de residuos peligrosos ex situ, 488 Tratamiento de residuos peligrosos in situ, 489 Tratamiento del agua por cloración, 303 Tratamiento preliminar de aguas residuales, 323, 325-328 Trihalometano (THM), producto secundario de la desinfección, 311-312 Triturador, 327 Tuberías de impulsión, 323 U Unidad térmica británica (BTU; British thermal unit), 181 Unidades Dobson (UD), 405 Unidades, 80-86, 181 conversión de, 181 dimensiones y, 80-86 energía, 181 importancia de, 81 sistemas de, 80 USEPA, véase Agencia de Protección Ambiental Utilidad/funcionalidad relativa, 52 Utilitarismo, análisis ético y, 63-65

Índice analítico V Valle del Mosa, desastre, 178-179 Valor presente, 35, 38-40 Valores espirituales, ética ambiental y, 70 Valores instrumentales, ética ambiental y, 65-66 Valores intrínsecos, ética ambiental y, 66-70 Valores morales, véase Análisis ético; Ética ambiental Valores variables para análisis de la información, 91-92 Válvula de purga de lodos, 300 Variable dependiente, 91-92 Variable independiente, 91-92 Vehículos para desguace, directiva, 473-474

547

Vehículos recolectores, 445-447 Ventilación positiva del cárter (VPC), válvula de, 437 Vertedero con muesca en V, 329, 332 Vida media de materiales radiactivos, 151-152 Visibilidad y contaminación del aire, 397-398 W Whipple, George, 36 Z Zona de aireación, 283 Zona de saturación, 283

Conversiones Multiplicar

acre pie acres acres acres acres año bajo en calorías

por

1,233 0.404 4,047 43,560 4,840 365

para obtener 3

atmósferas atmósferas atmósferas atmósferas

29.95 10,330 14.7 33.9

m ha m2 pies2 yd2 días bebiendo cerveza baja en calorías en mercurio kg/m2 lb/pulg2 pies de agua

Btu Btu Btu Btu/lb Btu/lb Btu/pie3 Btu/s Btu/ton Btu/ton

252 1,053 1.053 2.32 0.555 8,905 1.05 278 0.00116

cal J kJ kJ/kg cal/g cal/m3 kW cal/tonelada kJ/kg

caballos de fuerza caballos de fuerza calorías calorías/g calorías/m3 calorías/tonelada calorías centímetros Cumec

0.745 33,000 0.0039 1.80 0.000112 0.00360 4.18 0.393 1

kW pies lb/min Btu Btu/lb Btu/pie3 Btu/ton J pulg m3/s

decacartas dos kilosinsontes

52 2,000

cartas sinsonte

galón de agua galones galones galones/día galones/día/pie2 galones/min galones/min galones/min galones/min galones/min/pie2

8.34 3.78 0.00378 43.8 × 10–6 0.0407 0.0631 0.227 6.31 × 10–5 0.00223 2.42

lb L m3 L/s m3/día/m2 L/s m3/h m3/s pies3/s m3/h/m2

Multiplicar

por

para obtener

galones de agua gramos/cm3

8.34 1,000

lb de agua kg/m3

hectáreas hectáreas

2.47 1.076 × 105

acre pies2

joules joules joules joules joules joules/g joules/s

9.48 × 10–4 0.239 2.78 × 10–7 1 0.738 0.430 1

Bru cal kWh Nm pies libras Btu/lb W

kilocalorías kilocalorías/kg kilogramos kilogramos kilogramos/h kilogramos/ha kilogramos/m3 kilogramos/m3 kilogramos/m3 kilogramos/ton kilojoules kilojoules/kg kilómetro/h kilómetros kilowatt-h kilowatt-h kilowatts

3.968 1.80 2.20 0.0011 2.2 0.893 0.0624 1.68 1.69 2.0 9.49 0.431 0.622 0.622 3.410 3600 1.341

Btu Btu/lb lb toneladas 15. lb/h lb/acre lb/pie3 lb/yd3 lb/yd3 lb/ton Btu Btu/lb millas/h millas Btu kJ caballos de fuerza

libras (fuerza) libras (fuerza)/pulg2 libras (fuerza)/pulg2 libras (fuerza)/pulg2 libras (fuerza)/pulg2

4.45 0.068 6.89 6,895 2.04

libras (masa) libras (masa) libras (masa)/acre libras (masa)/pies3 libras (masa)/ton libras (masa)/yd3 libras de agua

454 0.454 1.12 16.04 0.50 0.593 0.1198

N atmósferas kPa N/m2 pulgadas de mercurio g kg kg/ha kg/m3 kg/tonelada kg/m3 gal

Elementos selectos

Conversiones

Elemento Nombre

Símbolo

Peso atómico (g/gmol)

Aluminio

Al

26.981

Antimonio

Sb

Símbolo

Peso atómico (g/gmol)

Itrio

Y

88.905

Litio

Li

6.939

Argón

Ar

39.948

Magnesio

Mg

24.312

Arsénico

As

74.922

Manganeso

Mn

54.938

Azufre

S

32.064

Mercurio

Hg

200.59

Bario

Ba

Molibdeno

Mo

95.94

Berilio

Be

Neón

Ne

20.183

Bismuto

Bi

Níquel

Ni

58.71

Boro

B

10.811

Niobio

Nb

92.906

Bromo

Br

79.909

Nitrógeno

N

14.007

Cadmio

Cd

112.40

Oro

Au

Calcio

Ca

40.08

Oxígeno

O

Carbono

C

12.01115

Paladio

Pd

106.4

Cesio

Cs

132.90

Plata

Ag

107.87

Cinc

Zn

65.37

Platino

Pt

195.09

Circonio

Zr

91.22

Plomo

Pb

207.19

Cloro

Cl

35.453

Potasio

K

Cobalto

Co

58.9333

Radio

Ra

226

Cobre

Cu

63.54

Radón

Rn

222

Criptón

Kr

83.80

Rodio

Rh

102.91

Cromo

Cr

51.996

Rubidio

Rb

85.47

Escandio

Sc

44.956

Rutenio

Ru

101.07

Estaño

Sn

118.69

Selenio

Se

78.96

Estroncio

Sr

87.62

Silicio

Si

28.086

Flúor

F

18.998

Sodio

Na

22.990

Fósforo

P

30.974

Telurio

Te

127.60

Galio

Ga

69.72

Titanio

Ti

47.90

Germanio

Ge

72.59

Tungsteno

W

183.85

Helio

He

4.003

Uranio

U

238.03

Hidrógeno

H

1.0080

Vanadio

V

Hierro

Fe

Xenón

Xe

131.30

Indio

In

Yodo

I

126.90

121.75

137.34 9.012 208.98

55.847 114.82

Elemento Nombre

196.97 15.999

39.102

50.942

Multiplicar

por

libras de agua libras de agua libras de pastel

0.01602 27.68 454

litros litros litros/s litros/s

0.264 0.0353 15.8 0.0228

metros cúbicos metros cúbicos metros cúbicos metros cúbicos/día metros cúbicos/h metros cúbicos/h

264 35.3 1.31 264 4.4 0.00638

metros cúbicos/s metros cúbicos/s metros cúbicos/s metros cúbicos/s megáfono metros metros metros/s metros/s metros cuadrados metros cuadrados metros cuadrados microscopio miligramos/L millas millas/h millas/h millas/h millas cuadradas millones de gal millones de gal/día millones de gal/día millones de gal/día millones de gal/día millones de gal/día millones de gal/día

1 35.31 15,850 22.8 10–12 3.28 1.094 3.28 196.8 10.74 1.196 2.471 × 10–4 10–6 0.001 1.61 0.447 88 1.609 2.59 3,785 43.8 3785 157 0.0438 1.547 694

newton m newtons

1 0.225

para obtener 3

pies pulg3 galletas Graham gal pies3 gal/min millones de gal/día gal pies3 yd3 gal/día gal/min millón de gal/ día cumec pies3/s gal/min mil gal/día micrófono pies yd pies/s pies/s pies2 yd2 acres enjuague bucal kg/m3 km m/s pies/min km/h km2 m3 L/s m3/día m3/h m3/s pies3/s gal/min J 60. lb (fuerza)

Multiplicar 2

por

para obtener –4

newtons/m

2.94 × 10

newtons/m2 newtons/m2

1.4 × 10–4 10

pez pie lb (fuerza) pie lb (fuerza) pies pies/min pies/s pies/s pies cuadrados pies cúbicos pies cúbicos pies cúbicos pies cúbicos pies cúbicos/lb pies cúbicos/s

10–6 1.357 1.357 0.305 0.00508 0.305 720 0.0929 1728 7.48 0.0283 28.3 0.0623 0.646

pies cúbicos/s pies cúbicos/s pies cúbicos de agua pulgadas pulgadas/min pulgadas cúbicas de agua pulgadas de agua pulgadas de mercurio pulgadas de mercurio

0.0283 449 61.7 2.54 0.043 0.0361

microficha J Nm m m/s m/s pulg/min m2 pulg3 gal m3 L m3/kg millón de gal/ día m3/s gal/min lb cm cm/s lb

249 0.49

N/m2 lb/pulg2

0.00338

N/m2

ración C

100

raciones

toneladas 907 toneladas (1,000 kg) 1.10 toneladas (2,000 lb) 0.907

pulgadas de mercurio lb/pulg2 Poise

toneladas/acre toneladas/ha

2.24 0.446

kg ton (2,000 lb) toneladas (1,000 kg) toneladas/ha toneladas/acre

watts

1

J/s

yarda yardas cúbicas yardas cúbicas

0.914 0.765 202

m m3 gal

Elementos selectos

Conversiones

Elemento Nombre

Símbolo

Peso atómico (g/gmol)

Aluminio

Al

26.981

Antimonio

Sb

Símbolo

Peso atómico (g/gmol)

Itrio

Y

88.905

Litio

Li

6.939

Argón

Ar

39.948

Magnesio

Mg

24.312

Arsénico

As

74.922

Manganeso

Mn

54.938

Azufre

S

32.064

Mercurio

Hg

200.59

Bario

Ba

Molibdeno

Mo

95.94

Berilio

Be

Neón

Ne

20.183

Bismuto

Bi

Níquel

Ni

58.71

Boro

B

10.811

Niobio

Nb

92.906

Bromo

Br

79.909

Nitrógeno

N

14.007

Cadmio

Cd

112.40

Oro

Au

Calcio

Ca

40.08

Oxígeno

O

Carbono

C

12.01115

Paladio

Pd

106.4

Cesio

Cs

132.90

Plata

Ag

107.87

Cinc

Zn

65.37

Platino

Pt

195.09

Circonio

Zr

91.22

Plomo

Pb

207.19

Cloro

Cl

35.453

Potasio

K

Cobalto

Co

58.9333

Radio

Ra

226

Cobre

Cu

63.54

Radón

Rn

222

Criptón

Kr

83.80

Rodio

Rh

102.91

Cromo

Cr

51.996

Rubidio

Rb

85.47

Escandio

Sc

44.956

Rutenio

Ru

101.07

Estaño

Sn

118.69

Selenio

Se

78.96

Estroncio

Sr

87.62

Silicio

Si

28.086

Flúor

F

18.998

Sodio

Na

22.990

Fósforo

P

30.974

Telurio

Te

127.60

Galio

Ga

69.72

Titanio

Ti

47.90

Germanio

Ge

72.59

Tungsteno

W

183.85

Helio

He

4.003

Uranio

U

238.03

Hidrógeno

H

1.0080

Vanadio

V

Hierro

Fe

Xenón

Xe

131.30

Indio

In

Yodo

I

126.90

121.75

137.34 9.012 208.98

55.847 114.82

Elemento Nombre

196.97 15.999

39.102

50.942

Multiplicar

por

libras de agua libras de agua libras de pastel

0.01602 27.68 454

litros litros litros/s litros/s

0.264 0.0353 15.8 0.0228

metros cúbicos metros cúbicos metros cúbicos metros cúbicos/día metros cúbicos/h metros cúbicos/h

264 35.3 1.31 264 4.4 0.00638

metros cúbicos/s metros cúbicos/s metros cúbicos/s metros cúbicos/s megáfono metros metros metros/s metros/s metros cuadrados metros cuadrados metros cuadrados microscopio miligramos/L millas millas/h millas/h millas/h millas cuadradas millones de gal millones de gal/día millones de gal/día millones de gal/día millones de gal/día millones de gal/día millones de gal/día

1 35.31 15,850 22.8 10–12 3.28 1.094 3.28 196.8 10.74 1.196 2.471 × 10–4 10–6 0.001 1.61 0.447 88 1.609 2.59 3,785 43.8 3785 157 0.0438 1.547 694

newton m newtons

1 0.225

para obtener 3

pies pulg3 galletas Graham gal pies3 gal/min millones de gal/día gal pies3 yd3 gal/día gal/min millón de gal/ día cumec pies3/s gal/min mil gal/día micrófono pies yd pies/s pies/s pies2 yd2 acres enjuague bucal kg/m3 km m/s pies/min km/h km2 m3 L/s m3/día m3/h m3/s pies3/s gal/min J 60. lb (fuerza)

Multiplicar 2

por

para obtener –4

newtons/m

2.94 × 10

newtons/m2 newtons/m2

1.4 × 10–4 10

pez pie lb (fuerza) pie lb (fuerza) pies pies/min pies/s pies/s pies cuadrados pies cúbicos pies cúbicos pies cúbicos pies cúbicos pies cúbicos/lb pies cúbicos/s

10–6 1.357 1.357 0.305 0.00508 0.305 720 0.0929 1728 7.48 0.0283 28.3 0.0623 0.646

pies cúbicos/s pies cúbicos/s pies cúbicos de agua pulgadas pulgadas/min pulgadas cúbicas de agua pulgadas de agua pulgadas de mercurio pulgadas de mercurio

0.0283 449 61.7 2.54 0.043 0.0361

microficha J Nm m m/s m/s pulg/min m2 pulg3 gal m3 L m3/kg millón de gal/ día m3/s gal/min lb cm cm/s lb

249 0.49

N/m2 lb/pulg2

0.00338

N/m2

ración C

100

raciones

toneladas 907 toneladas (1,000 kg) 1.10 toneladas (2,000 lb) 0.907

pulgadas de mercurio lb/pulg2 Poise

toneladas/acre toneladas/ha

2.24 0.446

kg ton (2,000 lb) toneladas (1,000 kg) toneladas/ha toneladas/acre

watts

1

J/s

yarda yardas cúbicas yardas cúbicas

0.914 0.765 202

m m3 gal

Vesilind Morgan Heine

Introducción a la

I N G E N I E R Í A A M B I E N TA L

Tercera Edición

Tercera Edición

Introducción a la

INGENIERÍA A M B I E N TA L P. AARNE VESILIND SUSAN M. MORGAN LAUREN G. HEINE

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