XXIII C ON G R E S O N A C I O N A L AMH DE H I D R Á U LI C A AMH PUERTO VALLARTA, JALISCO, MÉXICO, OCTUBRE 2014 ÍNDICES DE CALIDAD DEL AGUA: UN COMPARATIVO ENTRE MÉXICO, ESTADOS UNIDOS Y LA UNIÓN EUROPEA Pérez Flores Laura Sol, Rodríguez Narváez Óscar Manuel, Gutiérrez Estrada Rosario del Carmen y Martínez Austria Polioptro Fortunato Universidad de las Américas Puebla. Ex-hacienda Santa Catarina Mártir S/N, Cholula, Puebla, México. C.P. 72810 [email protected], [email protected], [email protected], [email protected] 1. Introducción Una herramienta para monitorear el deterioro de las fuentes de abastecimiento de agua y que brinda un panorama del estado ecológico y biológico del medio ambiente son los índices de calidad de agua (ICA); los cuales indican el grado de contaminación del agua a la fecha del muestreo y están expresados como porcentaje de agua pura, es decir, si el valor del índice se encuentra cercano al cero por ciento, significa que el agua se halla altamente contaminada; pero si por el contrario oscila entre valores cercanos al cien por ciento, significa que el fluido se encuentra en excelentes condiciones. Los índices de calidad del agua pasan por tres etapas de desarrollo (CONAGUA, 1999): 1. Creación de la escala de calificación de acuerdo con los diferentes usos del agua. 2. Desarrollo de una escala de calificación para cada parámetro, lo que permite el establecimiento de una correlación entre los diferentes parámetros y la influencia de éstos en el grado de contaminación. 3. Formulación de modelos matemáticos para cada parámetro, los cuales convierten los datos físicos en índices de calidad por parámetro (Ii). Sin embargo, como no todos los parámetros tienen el mismo factor de influencia en la calidad del agua, a los modelos matemáticos se introdujeron pesos o factores de ponderación (Wi), los cuales pueden ser grandes o pequeños según se haya analizado. De manera general, los índices de calidad del agua (ICA) pueden ser de tipo aditivo o de tipo multiplicativo, siendo los últimos más sensibles a las variaciones en la calidad del agua que los primeros; además que evitan el fenómeno de eclipsamiento que se presenta cuando se calcula un valor satisfactorio, aunque el parámetro no lo sea. Sin importar cuál se use, los índices por parámetro son promediados con el fin de obtener el ICA de la muestra del agua. En cuanto a los parámetros necesarios para el cálculo del índice, ¿cómo saber cuáles considerar y quién lo determina? La respuesta es relativamente sencilla: mediante la apreciación de expertos y/o agencias o entidades gubernamentales quienes deciden, en el ámbito legislativo, la importancia de aquéllos al establecerlos como estándares de calidad. Dunnette (1979), recomienda seleccionar los parámetros de las 5 categorías más comúnmente reconocidas: Nivel de oxígeno. Eutrofización. Aspectos de salud. Características físicas Sustancias disueltas. Aunque las categorías son pocas, cada una involucra un parámetro que puede ser significativo o no, dependiendo principalmente del uso final que se le dará al agua. Por lo que las autoridades o expertos deben ser completamente objetivos, críticos y grandes conocedores en materia de agua y medio ambiente. Lo anterior debido a que, mediante los índices de calidad del agua, se pueden tomar decisiones sobre qué medidas adoptar, de acuerdo al uso que se le otorga al recurso hídrico. Así, por ejemplo, si se manejan fuentes para abastecimiento humano, valores entre 90 y 100 de los ICA, éstas implican tratamientos menores, como sólo desinfección; mientras que entre 50 y 90, requieren tratamiento convencional y, en algunos casos, tratamientos especiales que están asociados a mayores costos y complejidad 2. Índices de calidad del agua 2.1. Estados Unidos Mexicanos En México, la Comisión Nacional del Agua (CONAGUA), como autoridad del recurso hídrico, propuso calcular el índice de calidad del agua conforme a la ecuación 1; donde n es el número total del parámetros; Ii el índice de calidad de cada parámetro; Wi el coeficiente de ponderación del parámetro i e ICA es el índice de calidad del agua de la muestra analizada. (1) Para evaluar la calidad del agua, se emplean tres parámetros, los cuales se describen a continuación: Demanda Química de Oxígeno (DQO): Indica presencia de materia orgánica susceptible de ser degradada por medios químicos. Sin embargo, no es un parámetro a considerar para el diseño de plantas tratadoras de agua, y aunque es un parámetro para evaluar la calidad del vital líquido, puesto que nos da una idea de la contaminación presente en aquél, no es un parámetro regulado por las normas oficiales mexicanas, pero sí por la Ley Federal de Derechos. Demanda Bioquímica de Oxígeno a 5 días (DBO5): Mide la materia orgánica susceptible de descomponerse por medios biológicos, es decir, que se biodegrada por la acción de la AMH XXIII C ON G R E S O N A C I O N A L DE H I D R Á U LI C A AMH PUERTO VALLARTA, JALISCO, MÉXICO, OCTUBRE 2014 actividad microbiana presente en el agua. En contraste con el parámetro anterior, éste sí se encuentra regulado por las normas oficiales mexicanas, específicamente por la NOM001-SEMARNAT- 1996. Sólidos suspendidos totales (SST): Este indicador mide los sólidos que están suspendidos en agua. Se encuentra estrechamente ligado a la concentración de oxígeno disuelto en el cuerpo hídrico debido a que, si la presencia de sólidos disueltos aumenta, hay una mayor turbiedad y por ende, una disminución en el paso de luz a través del fluido, disminuyendo con ello la actividad fotosintética de organismos acuáticos, los cuales son de gran importancia para la producción de oxígeno disuelto. Este parámetro también se encuentra regulado por la norma oficial mexicana NOM-001SEMARNAT- 1996. 2.2. Estados Unidos En Estados Unidos, la instancia reguladora en cuestiones de calidad de agua es la Agencia Federal de Protección Ambiental, (US-EPA, por sus siglas en inglés). La US-EPA se basa en dos documentos para la regulación de calidad de agua (Enviromental Protection Agency, 2013): Clean Water Act (CWA): Proporciona la base legal para el programa de permisos del Sistema Nacional de Eliminación de Descargas Contaminantes (NPDES en inglés). Otorga la estructura básica para la regulación de las descargas de contaminantes de fuentes puntuales a las aguas de los Estados unidos. Asigna autoridad a la EPA para establecer los límites de efluentes según sea el giro de la industria y así poder asegurar la protección de las aguas receptoras. Manifiesta la obligatoriedad de tener un permiso NPDES para descargas. Parameters of water quality: Se establecen las técnicas de medición de los diferentes contaminantes, además de su interpretación y los límites permisibles. En cuanto a la evaluación de la calidad del agua, los ICAs empleados en Estados unidos, son tres: ICA-NSF: Con el fin de tener una evaluación cuantitativa de la calidad del agua de manera formal y demostrada; Brown et al., (1970) y NSF (2006), se basaron en la estructura de Horton-Rodríguez y en el método Delphi para definir parámetros, ponderaciones, subíndices Ii y clasificaciones a ser empleados en el cálculo. La clasificación características que debe presentar la fuente de captación para destinarla a consumo humano. Fue creado en Estados Unidos pero es empleado en el mundo. Es calculado como un promedio geométrico ponderado, donde Wi es el peso o porcentaje asignado al i-ésimo parámetro; Ii es el subíndice de i-esimo parámetro (ecuación 2). usos del recurso: consumo humano, agricultura, pesca y vida a . DWQI (Drinking Water Quality Index) (Torres et al., 2009): Es un índice empleado mundialmente para evaluar la calidad del agua potable, aplicado a las fuentes de abastecimiento que serán usadas con aquél fin. Fue desar ICA – CCME (ecuación 3) Organizac . (3) El índice incorpora tres elementos: Alcance (F1): Porcentaje de parámetros que exceden la norma. Frecuencia (F2): Porcentaje de pruebas individuales de cada parámetro que excede la norma. Amplitud (F3): Magnitud en la que excede la norma cada parámetro que no cumple. Este índice tiene dos propósitos para la Organización Mundial de la Salud: Uno para la salud, denominado Health Water Quality Index (HWQI), que emplea los parámetros boro, cobre, nitritos, manganeso, fluoruro, arsénico, cromo total, plomo, mercurio, cadmio y nitratos; y el otro es para aceptabilidad llamado Aceptation Water Quality Index (AWQI), que utiliza los parámetros pH, cloruros, zinc, amoniaco, sodio, sulfatos, hierro. 2.3. Unión Europea (UE) La Unión Europea, en la sección de medio ambiente y usos específicos del agua, marca cinco aspectos de calidad del agua, los cuales se enlistan a continuación: Calidad del agua potable (Directiva 98/83/CE). Calidad de las aguas de baño (Directiva 76/160/CEE). Calidad de las aguas de baño (Directivas 2006/7/CE y 2000/60/CE). Calidad de las aguas piscícolas (Directiva 2006/44/CE). Calidad de las aguas para la cría de moluscos (Directivas 2006/113/CE y 2006/11/CE) En cuanto a la vigilancia de la calidad del agua, el índice empleado para evaluarla es el Universal Water Quality Index (UWQI), desarrollado por Boyacioglu (Boyacioglu, 2007) y conformado por 11 parámetros fisicoquímicos. El UWQI tiene como objetivo proporcionar un método más sencillo para describir la calidad de las aguas superficiales utilizadas para el abastecimiento de agua potable. Su cálculo se realiza conforme a la ecuación 4. (2) (4) ICA-Dinius (Torres et al., 2009): Como el índice anterior, éste también se basó en el método Delphi y se calcula igualmente mediante un promedio geométrico (ecuación 2). Sin embargo, el ICA-Dinius, en contraste, considera cinco Éste se basa en las directivas de la UE para aguas a ser destinadas al consumo humano previo tratamiento, con el fin XXIII C ON G R E S O N A C I O N A L AMH de hacer unánime la normativa ambiental de los países que la integran. 3. Comparativa de índices de calidad de agua 3.1. Parámetros empleados en el cálculo del ICA La tabla I muestra los parámetros fisicoquímicos y microbiológicos empleados por las tres organizaciones (CONAGUA, US-EPA y UE) para la evaluación de calidad del agua. Tabla I. Parámetros fisicoquímicos y microbiológicos empleados por diferentes ICAs. Tabla I. PARÁMETROS FISICOQUÍMICOS Y MICROBIOLÓGICOS EMPLEADOS POR DIFERENTES ICAs País índice Parámetro México Estados Unidos Unión Europea ICA ICA- ICA DQWI NSF Dinius UWQI OD x x x pH x x x DBO x x x Nitratos Coliformes fecales Temperatura x x x x x x x x Turbiedad Sólidos disueltos totales Fósforo total Cadmio x x x x Sólidos suspendidos Color Nitrógeno total Cloruros x x x x x x x x x Mercurio Conductividad DE H I D R Á U LI C A PUERTO VALLARTA, JALISCO, MÉXICO, OCTUBRE 2014 x x x x x x x x x x x x Plomo x Cromo total x Arsénico x x Lo primero que se observa en la tabla es que la Comisión Nacional del agua (CONAGUA) considera no tres parámetros como se mencionó anteriormente, sino que marca 18. Esta aparente discrepancia se debe a que estos parámetros fueron AMH propuestos en el año de 1999 por la Comisión, pero en la actualidad sólo ocupa los tres parámetros descritos en el punto 2.1. Lo anterior se atribuye a los pocos puntos de monitoreo con los que cuenta la red nacional de monitoreo. Otro posible factor que influyó para la consideración de tres parámetros es la falta de laboratorios que a cabo los análisis pertinentes, para la medición de todos los parámetros. O quizás, simplemente, la ausencia de expertos para definirlos como relevantes en la evaluación de la calidad del agua. Otro punto observable de la comparativa, es el relativo a la demanda química de oxígeno, el cual sólo es considerado por la organización mexicana, ya que éste, inclusive por México, no es un factor que deba ser tomado en cuenta para el diseño de plantas tratadoras de agua; a pesar de su rapidez y emisión de resultados y por proporcionar una idea de la carga orgánica presente en el agua. Sin duda tiene mayor validez y peso la demanda bioquímica de oxígeno, ya que la materia biodegradable puede ser disminuida por los organismos presentes en el fluido y en el ecosistema. Por último, se puede observar que la mayoría coinciden en darle más consideración a los factores fisicoquímicos y sólo algunos, como el DWQI y el UWQI consideran también importantes algunas sustancias químicas emitidas por la actividad socioeconómica de las poblaciones. 3.2. Ponderación de parámetros empleados en el cálculo del ICA La tabla II muestra el comparativo de las ponderaciones asignadas a cada parámetro considerado por las organizaciones aquí analizadas. De la tabla II se puede comentar lo siguiente: 1. El parámetro de mayor peso en México es la demanda bioquímica de oxígeno, donde se estima que todo fluido descargado en un cuerpo receptor de agua será de buena calidad sí la carga contaminante es degradada satisfactoriamente por los organismos del ecosistema alrededor del cuerpo de agua. Sin embargo, se considera un error pensar que todo contaminante proveniente de la actividad antropogénica de una localidad (ya sea por descargas urbanas e industriales) contenga únicamente sustancias y compuestos biodegradables, lo que a la larga impactaría en la disminución de la población microbiana capaz de degradar a la materia orgánica que sí puede ser consumida por ella. 2. Se considera que tanto los sólidos suspendidos totales, cuyo valor ponderado es 1, como la turbiedad, deberían ser valorados de la misma manera ya que se encuentran muy ligados. El aumento en uno es proporcional al aumento en el otro, por lo que, la ponderación debería ser la misma o descartar un valor. En la actualidad, la CONAGUA ha eliminado el valor de turbiedad y considera sólo el de sólidos suspendidos totales. 3. En cuanto al ICA-NSF el parámetro más valorado es el oxígeno disuelto, ya que la presencia o ausencia de éste influye en el impacto que tendrá en los organismos que viven en los cuerpos receptores de agua. Se puede observar que no hay mucha variación de pesos asignados a cada parámetro, a diferencia del ICA mexicano, donde sí lo es y posiblemente en el segundo pueda presentarse el fenómeno de eclipsamiento mencionado anteriormente. Se considera posible que la ponderación de la temperatura debería ser mayor, ya que ésta XXIII C ON G R E S O N A C I O N A L AMH DE H I D R Á U LI C A AMH PUERTO VALLARTA, JALISCO, MÉXICO, OCTUBRE 2014 influye en el parámetro de mayor valor para el cálculo de este índice. 4. El ICA Dinius considera de mayor relevancia los coliformes, ya que una de sus áreas está enfocada al consumo humano. Al igual que el índice anterior, no presenta mucha variabilidad en los pesos asignados. Los parámetros de menor relevancia para este índice son el color y la alcalinidad, posiblemente porque no hay concentraciones considerables de carbonatos presentes en el agua o a la tecnología que aplican para tratar alcalinidad en procesos industriales. 5. El UWQI tiene como parámetro más relevante a los nitratos. Lo anterior posiblemente al efecto tóxico que tienen éstos en la salud humana. También se considera a que en Europa la industria cárnica es de mucha relevancia y es también la principal fuente de estos compuestos. Por otro lado, este índice reconoce de menor relevancia el pH. 3.3. Clasificación de los ICA El valor del ICA permite clasificar el recurso hídrico a partir de rangos establecidos que son definidos, con base en el o los usos a evaluar. Las categorías, esquemas o escalas , ya que es aquí donde se da la interpretación cualitativa al valor obtenido que define la calidad final del agua. Tanto la ilustración 1 como la tabla III muestran los rangos de clasificación para cada uno de los ICA presentados. Tabla II. Pesos relativos asignados a los parámetros que conforman el ICA. País índice Parámetro OD pH DBO Nitratos Coliformes fecales Temperatura Turbiedad Sólidos disueltos totales Fósforo total Cadmio Mercurio Conductividad Sólidos suspendidos Color Nitrógeno total Cloruros Arsénico Fluoruro Coliformes totales Alcalinidad Dureza Fosfatos Sodio Cianuro Selenio Sustancias activas al azul de metileno (Detergentes) 5.0 1.0 5.0 2.0 Estados Unidos ICAICA NSF Dinius 0.17 0.109 0.11 0.077 0.11 0.097 0.10 0.09 4.0 0.16 0.116 0.10 0.08 0.077 0.5 0.5 0.07 México ICA Unión Europea UWQI 0.114 0.029 0.057 0.86 Tabla III. Clasificación cualitativa de los ICAs. ICA Código 2.0 0.057 0.086 0.086 2.0 Ilustración 1. Rangos de clasificación de los ICA (Tabla de rangos del índice de calidad de agua emitido por la Dirección Técnica de la CONAGUA en el 2008. Los datos de los subsecuentes ICA fueron tomados de Torres et al., (2009). 0.079 ICA ICANSF Ica Dinius DWQI UWQI 1 Fuertemente contaminada Muy mala calidad Inaceptable su consumo Pobre Pobre 2 Contaminada Mala calidad Dudoso para su consumo Marginal Marginal 3 Aceptable Mediana calidad Tratamiento potabilización necesario Regular Regular 4 Buena calidad Buena calidad Dudoso consumo sin tratamiento Buena Buena 5 Excelente Excelent e calidad Tratamiento menor requerido Excelente Excelente 6 -- -- No requiere tratamiento para su consumo -- -- 1.0 1.0 2.0 0.5 0.063 0.074 0.113 0.086 3.0 0.09 1.0 1.0 0.063 0.065 0.114 0.10 0.086 0.086 3.0 De la tabla III, se observa que casi todos los ICA, excepto el ICA Dinius, presentan cinco rangos de clasificación y las características cualitativas son muy parecidas, por lo que se puede hablar de una cierta uniformidad en los criterios que se plantean en cada organización. En cuanto a la figura 1, no hay mucha variabilidad en los intervalos porcentuales que maneja cada índice. Como era de suponerse, puesto que se trata de agua para beber, el DWQI es el más estricto, clasificando el “ ” h 45%; que ya es apta para consumo, donde el intervalo porcentual es muy pequeño, siendo este de tan sólo 5%. En cuanto a los intervalos propuestos en México, se observa que éstos son AMH XXIII C ON G R E S O N A C I O N A L DE H I D R Á U LI C A AMH PUERTO VALLARTA, JALISCO, MÉXICO, OCTUBRE 2014 ligeramente más estrictos que los de la unión europea, excepto “ x ” h que la segunda. No obstante, si lo que en la actualidad la humanidad está buscando es mejorar la calidad del agua en las fuentes de abastecimiento así como en las descargas de efluentes para mitigar el impacto ambiental, el intervalo del “ ” “ x ” obligar a alcanzar un ICA de ese rango. No obstante, para lograrlo se deben aplicar normativas más exigentes que puedan hacer factible el hecho de alcanzar dicha característica, algo que en la legislación mexicana aún no se vislumbra. 3.4. Evaluación de la calidad de agua mediante los parámetros propuestos en México Como se mencionó en el punto 2.1., actualmente en México se evalúa la calidad del agua mediante tres parámetros: Demanda química de oxígeno (DQO), demanda bioquímica de oxígeno (DBO5) y sólidos suspendidos totales (SST). Las siguientes tres ilustraciones muestran la clasificación que la CONAGUA proporciona para la evaluación del recurso hídrico de acuerdo a cada parámetro. Ilustración 3. Escala de clasificación de calidad del agua, conforme a la Demanda Bioquímica de Oxígeno (DBO5). (Subdirección General Técnica, CONAGUA; 2013). Ilustración 4. Escala de clasificación de calidad del agua, conforme a la Demanda Química de Oxígeno (DQO). (Subdirección General Técnica, CONAGUA; 2013). Tabla IV. Parámetros indicadores de la calidad de agua establecidos por cada organización. Tabla IV. PARÁMETROS INDICADORES DE CALIDAD DE AGUA Ilustración 2. Escala de clasificación de calidad del agua, conforme a los Sólidos suspendidos totales (SST). (Subdirección General Técnica, CONAGUA; 2013). Teniendo como base las clasificaciones de CONAGUA, en la tabla IV se muestran los parámetros establecidos de acuerdo a las normativas de cada país y en la tabla V se observa el resultado de la evaluación cualitativa de las aguas emitidas a las fuentes receptoras para uso urbano. Organización Norma CONAGUA NOM-001SEMARNAT1996 US-EPA Surface Water Regulations (1989) DBO5 DQO SST (mg/L) (mg/L) (mg/L) 75-150 -- 75-125 5-7 (1) 10 EPA Method 160.2 Directiva del Consejo de la UE Ministerio 91/271/CEE sobre 25 125 35 del Ambiente tratamiento de aguas residuales urbanas (1) No se considera a este parámetro dentro de las normas estadounidenses XXIII C ON G R E S O N A C I O N A L AMH DE H I D R Á U LI C A PUERTO VALLARTA, JALISCO, MÉXICO, OCTUBRE 2014 Tabla V. Evaluación cualitativa del agua de acuerdo a los parámetros establecidos por la CONAGUA. Organización Norma Clasificación MÉXICO NOM-001SEMARNAT- 1996 SST: Aceptable DBO5:Contaminada y fuertemente contaminada Surface Water Regulations (1989) DBO5: Entre buena calidad y aceptable US-EPA UE EPA Method 160.2 Directiva del Consejo de la UE 91/271/CEE sobre tratamiento de aguas residuales urbanas SST: Excelente SST: Buena calidad DBO5: Aceptable DQO: Contaminada De la tabla V se observa que el país que se encuentra en condiciones más bajas de calidad de agua es México y que la legislación es muy liviana en cuanto a esta característica; por lo que se puede presuponer que la calidad de aguas en México es deficiente. Además, y como se mencionó anteriormente, consideran a la DQO como parámetro importante para la evaluación de la calidad pero éste no se encuentra normado por ley; por tanto, la misma norma no define valores máximos permisibles para dicho parámetro. La discrepancia entre los criterios de evaluación de calidad del agua y los valores permisibles para descarga se podría atribuir a: Falta de expertos en la materia. A la no consulta de los atributos planteados para calidad del agua al momento de emitir normatividad lo que genera datos contradictorios como los mostrados en la tabla V. Por otro lado, la EPA obtuvo buenos resultados al ser evaluados los parámetros con los propuestos en México, de acuerdo a ellos, los cuerpos receptores en Estados Unidos tienen una calidad desde buena hasta excelente. En cuanto a la Unión Europea, sus aguas tienen una calidad desde aceptable hasta de buena calidad, según los criterios de evaluación; aunque de acuerdo a la oxidación de materia orgánica por procesos químicos, su agua se encuentra contaminada. 4. Conclusiones (ICA’ ) herramienta útil para la evaluación de la calidad del agua. Sin embargo, se requiere de un buen equipo de expertos y de diversas áreas disciplinarias para determinar los parámetros adecuados y las ponderaciones más correctas para tener un análisis más certero al evaluar la calidad del recurso hídrico. Por otro lado, se considera que no se puede definir un índice de calidad de agua de manera general sino que en éste se debe considerar el uso final que tendrá el fluido y, como éste es muy variado, no todos los parámetros podrían tener el mismo peso o consideración para una actividad determinada. En cuanto a los parámetros propuestos por cada organización es evidente que la mayoría concuerda en los que cada una considera como importantes, siendo los físico químicos los más relevantes o más monitoreados. No obstante, es una lástima que en México actualmente sólo se juzguen como AMH importantes tres parámetros, de los cuales uno ni siquiera tiene un rango normado oficialmente para ser evaluado. La evaluación de la calidad del agua sería más estricta si se tomarán en cuenta los 18 parámetros estipulados en 1999 y si se analizara y considerara la modificación de los valores máximos permisibles de descarga, esto es, modificándolos en la normativa ambiental, para ir, gradualmente, aumentando realmente la calidad de los cuerpos receptores de agua, ya que, al ser para uso urbano, impactará, en un futuro quizás no muy lejano, en otros sectores como la salud y el desarrollo económico. Por último, la comparativa de México con los otros organismos da un panorama de que este país, en lo establecido en cuanto a calidad del agua, no se encuentra tan apartado de lo planteado en otras entidades gubernamentales a nivel mundial, pero sí debe poner atención en su legislación ambiental para que el estado no caiga en contradicciones como las mostradas en este trabajo. 5. Bibliografía Comisión Nacional del Agua. (9 de Noviembre de 2013). CONAGUA. 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