La capacidad de autodepuración de las aguas.

Eutrofización de las aguas del Río San Antonio o Ariguanabo, Cuba (Foto del Autor)

La autodepuración se define como la capacidad que tiene una fuente hídrica de absorber o asimilar las diferentes cargas contaminantes que recibe en su recorrido superficial o subterráneo.

Es un proceso natural que permite la degradación, sobre todo, de sustancias orgánicas que llegan al río o al acuífero, mediante un complejo grupo de procesos biogeoquímicos e hidrodinámicos que, correctamente estimulados, contribuyen a disminuir las concentraciones de algunas sustancias no deseadas en las aguas.

Durante este proceso, el contaminante biodegradable es atacado por microorganismos que lo descomponen hasta su completa eliminación. Si se estimulan los factores propios del sistema acuífero puede lograrse una mejora sostenida a partir de ciertos niveles. La autodepuración es, por sí misma, una Solución basada en la Naturaleza (SbN) altamente demandada por su efectividad y bajo costo.

Uno de los problemas más acuciantes de calidad de las aguas está asociado con el peligro de contaminación de las aguas terrestres (y marinas) por nitratos.

La nitrificación de las aguas terrestres y marinas de Cuba; es decir, el incremento de nitratos en las aguas hasta niveles superiores a los permisibles por las normativas cubanas, es el segundo problema de pérdida de calidad y contaminación de las aguas en el país, después de la intrusión marina que, bien entendida, no es un problema de contaminación hasta que la combinación de acciones naturales y antrópicas desplaza el equilibrio horizontal y vertical agua dulce-agua salada tierra adentro.

Por otro lado, las aguas reguladas artificialmente en presas y embalses o las que se encuentran en lagos, están expuestas al serio problema de eutrofización, una de las principales causas de contaminación de los lagos y embalses en la actualidad y que se produce cuando la masa de agua recibe un aporte muy elevado de nutrientes inorgánicos, principalmente nitrógeno (N) y fósforo (P).

En condiciones naturales, el flujo de agua en los ríos, posee, como es evidente, unos índices de calidad que disminuyen conforme aumenta la proximidad a los núcleos de población. Sin embargo, el agua que se encuentra en los tramos altos de los ríos suele ser de muy buena calidad, debido principalmente a los escasos vertidos y a su elevada capacidad de autodepuración.

Por ello, la autodepuración de las aguas, debe ser vista como el conjunto de fenómenos físicos, químicos y biológicos, que tienen lugar en el curso del agua de modo natural y que provocan la destrucción de materias extrañas incorporadas al flujo. Estas son, principalmente, bacterias aerobias, que consumen materia orgánica con ayuda del oxígeno disuelto en el agua. Además, hay que añadir las plantas acuáticas, que asimilan algunos componentes en forma de nutrientes, así como mediante otros procesos fotoquímicos.

La capacidad de autoregeneración de un río dependerá de los siguientes tres aspectos: a) el caudal, que permitirá diluir el vertido (aunque axiomáticamente “dilution is not solution”) y facilitar su posterior degradación, b) la turbulencia del agua, que aportará oxígeno diluido al medio, favoreciendo la actividad microbiana y c) la naturaleza y tamaño del vertido que se haya producido a lo largo de su curso.

En los mecanismos naturales de autodepuración de un río se distinguen cuatro zonas según su contaminación y fase de depuración. Estas zonas a veces se superponen sobre todo cuando múltiples focos descargan a la corriente (Gráfico de Mackenzie).

En la Zona de Descomposición o degradación próxima al vertido desaparecen las formas de vida más delicadas; algunos peces y algas, y aparecen otras más resistentes. El aspecto del agua es sucio, disminuye el contenido en oxígeno y aumenta la Demanda Química de Oxígeno (DQO). Comienza la degradación por parte de la flora microbiana y aparecen aguas sucias, ennegrecidas, con espumas, y malolientes. Existe una descomposición anaerobia que provoca un desprendimiento de gases.

Ya en la Zona de Recuperación reaparecen los vegetales y el agua se aclara, y todo ello debido a la presencia de oxígeno disuelto o procedente de la actividad fotosintética de los vegetales, que ayuda a degradar los compuestos contaminantes.

Finalmente, la Zona de Aguas Limpias, es donde se dan las características físico-químicas y la presencia de animales y vegetales acorde con la naturaleza del cauce.

Con el fin de proteger adecuadamente los recursos hídricos y reducir la contaminación, es imprescindible incrementar estudios sistemáticos de la capacidad de autodepuración de las corrientes fluviales.

Este es uno de los problemas geoambientales menos considerados en el país, no obstante su importancia y relativa facilidad de estudio. La literatura nacional es bastante amplia al respecto, pero, sin dudas, aún insuficiente, sobre todo, por la escasa utilización de los recursos derivados de esos estudios y el bajo nivel de percepción de la capacidad de las SbN para contribuir a minimizar los problemas de contaminación, sobre todo orgánica de las aguas terrestres. Peor aún es la situación con estudios regionales de este tipo para las aguas marinas y las subterráneas.

En el primer caso, recientemente terminamos un estudio de este tipo en la costa norte de Habana-Mayabeque (iniciado a principios de los 90 en focos específicos industriales) que mostró la elevada carga de nutrientes nitrogenados en las aguas marinas, básicamente asociados al vertimiento al mar de aguas residuales poco o nada tratadas. Y, en este orden de razonamiento, el problema es mucho menos conocido en los acuiferos cársicos.

En relación con las aguas superficiales puede consultarse la amplia literatura nacional al respecto. A mediados de los años 70 del pasado siglo, nuestro equipo de trabajo –desde el entonces Grupo Hidráulico Nacional (entonces GHN-DAP, actual Instituto Nacional de Recursos Hidráulicos), de conjunto con el Centro de Investigaciones Hidráulicas de la actual Universidad Tecnológica de La Habana- dedicó especial énfasis al estudio y modelación matemática de los procesos de autodepuración y, particularmente la cuantificación de las variables que intervienen en el cálculo de esa capacidad.

Pronto surgió la necesidad, habida cuenta que el karst ocupa el 66 por ciento de la superficie del país, de investigar cómo ocurrían esto procesos en corrientes fluviales en regiones cársicas, para lo que se escogió una parcela en la llamada cuenca de Vento, la del “Arroyo Pionero” para los estudios que se publicaron inicialmente en 1982 por nuestra compañera Victoria Quesada. 

El primer balance publicado sobre la nitrificación de las aguas subterráneas data del resumen que preparó el GHN-DAP sobre la situación de calidad de las aguas subterráneas a mediados de los 70, a los que siguieron otros en 1982, sobre todo y posteriores.  Sin embargo, la medición directa de la capacidad de autodepuración de las aguas subterráneas a lo largo de un conducto subterráneo explorable en el karst, no comenzó a ser estudiada en detalle hasta mediados de los 90, tomando como referencia los resultados de un ensayo con trazadores artificiales fluorescentes y salinos en la Gran Caverna de Santo Tomás.

La modelación matemática de la capacidad de autodepuración se basa en la solución de la analítica propuesta por Harold Warner Streeter (1884-1961) y Earle Bernard Phelps (1876-1953) en 1925 y se trata de un modelo matemático mediante el cual se determina la evolución, a lo largo de un río (o de una línea de flujo), de la materia orgánica biodegradable que se vierte en un punto del mismo y la concentración de oxígeno disuelto que se deriva de ello. Los trabajos clásicos de Garrels y Mackenzie en 1967 dieron fuerte sostén al problema del origen de la calidad y la contaminación de las aguas naturales.

Ese procedimiento se describe en la literatura como ecuación o Modelo de Streeter-Phelps y relaciona los dos principales mecanismos que definen el oxígeno disuelto en un cauce de agua superficial que recibe la descarga de aguas residuales: descomposición de materia orgánica, y aireación de oxígeno. Es un modelo estacionario, pero muy descriptivo y sumamente útil desde el punto de vista ingeniero. El modelo ha sido adaptado tanto para fuentes puntuales como para fuentes difusas o dispersas y trabaja con dos indicadores básicos: Demanda Bioquímica de Oxígeno y el Oxígeno Disuelto.

La Demanda Bioquímica de Oxígeno representa la dosis de oxígeno que requirieren los microorganismos, para oxidar la carga orgánica presente en las aguas residuales, en condiciones aerobias. El Oxígeno Disuelto, representa la cantidad de oxígeno atmosférico presente en el agua. Un déficit alto de oxígeno disuelto hace referencia a que el agua tiene un alto contenido de carga orgánica (contaminación), a causa de aguas residuales, que hacen que el cuerpo de agua demande una forma de recuperar sus condiciones en cuanto al oxígeno que fue consumido.

Condiciones de oxigenación de las aguas y sus consecuencias

El modelo es sumamente sencillo, aunque la mayor dificultad está en los valores de las tasas de descomposición y reareación, consierando las variables siguientes para caracterizar y cuantificar el proceso: D, es el déficit de oxígeno en el momento t (mg/L); D₀, déficit inicial de oxígeno en mg/L; L₀, último valor de DBO₅ medido o simulado (mg/L); L, DBO₅ en el momento t; t, tiempo de tránsito (días); k₂, constante de reareación (1/día); k_d, constante de desoxigenación (1/día); k_T, constante de remoción de la DBO. Un comportamiento tipo se muestra en la Figura, que presenta la distribución de la distribución de Oxígeno en función doble del tiempo y la distancia en un punto de muestreo.

El bajo costo de las investigaciones de este tipo, su robustez y la aplicación casi inmediata de sus resultados la convierte en una herramienta idónea para el trabajo directo a pequeña escala y contribuye a diseñar y sustentar el mejoramiento de la calidad ambiental de los recursos hídricos.