Tratamiento y depuración de aguas subterráneas

• 1. Introducción a las aguas subterráneas
• 2. Definición de acuífero y tipos de acuíferos
• 3. Contaminación aguas subterráneas
• 4. Control de la calidad del agua subterránea
• 5. Proceso de tratamiento de aguas subterráneas
• 6. Resumen

1. Introducción a las aguas subterráneas

El agua subterránea es la que se encuentra bajo la superficie terrestre, en los suelos porosos o en los huecos de las formaciones rocosas. Una acumulación de agua subterránea es considerada un acuífero cuando puede proporcionar una cantidad de agua suficiente para el consumo humano. Se conoce como nivel freático a la profundidad en la que se encuentran estos espacios en que las rocas contienen agua.

El agua de lluvia filtra a través del suelo hasta llegar al material rocoso que la contiene. Esta corriente se desplaza lentamente hacia los niveles inferiores, debido a la gravedad, y finalmente llega a los arroyos, lagos y océanos.

Es habitual pensar que el agua subterránea  siempre está presente llenando cavidades y circula por galerías; sin embargo, no siempre es así, pues puede encontrarse ocupando los intersticios  del sustrato rocoso o sedimentario, los cuales la retienen como una esponja. La única excepción significativa la ofrecen las rocas solubles, como las calizas, ya que son susceptibles de sufrir el proceso llamado karstificación, en el que el agua excava simas, cavernas y otras vías de circulación.

Normalmente, el agua subterránea se aspira desde la superficie mediante grupos de bombeo, aunque puede también emerger de forma natural a través de manantiales y filtraciones, formando depósitos como oasis, pantanos o lagos. Por otro lado, el agua subterránea también se extrae mediante la construcción de pozos para su uso en agricultura, industria y consumo humano.

El agua subterránea representa cerca del 30% de toda el agua dulce disponible en el planeta, siendo su volumen mayor que la masa de agua retenida en lagos o ríos,  aunque menor que la acumulada en los glaciares.

El agua del subsuelo abastece a una tercera parte de la población mundial,​ pero es de difícil gestión debido a su alta carga contaminante, la cual es provocada por la actividad humana (agricultura, industria, hidrocarburos, residuos, etc.), y al contenido mineral del subsuelo (fluoruro, arsénico, hierro, etc.).

La reutilización de estas aguas, tanto como agua potable, como para uso industrial o agrícola, requiere de tratamientos específicos acordes a cada acuífero, por lo que es precisa una analítica completa y un seguimiento de la misma, ya que existen variaciones en función de la pluviometría, la ubicación y el tipo de terreno.

2. Definición de acuífero y tipos de acuíferos

Un acuífero es una acumulación de agua en los poros o grietas de una masa de rocas permeables que permiten su circulación. El acuífero consta de una o más capas subterráneas de roca, o de otros estratos geológicos que tienen la suficiente porosidad y permeabilidad para permitir el flujo del agua.

Un acuífero se compone básicamente de dos zonas:

• Zona de saturación, que es la situada encima de la capa impermeable, donde el agua rellena completamente los poros de las rocas. El límite superior de esta zona, que lo separa de la zona vadosa o de aireación, es el nivel freático y varía según las circunstancias. La zona de saturación desciende en épocas secas, cuando el acuífero no se recarga o lo hace a un ritmo más lento que el de su descarga y, por otra parte, asciende en épocas húmedas.                                 
• Zona de aireación o vadosa, que es el espacio comprendido entre el nivel freático y la superficie, donde no todos los poros están llenos de agua.

Según su estructura se puede distinguir entre acuíferos libres y acuíferos confinados.

• Acuíferos cautivos o confinados: son aquellas formaciones en las que el agua subterránea se encuentra encerrada entre dos capas impermeables y es sometida a una presión superior a la atmosférica. Sólo recibe el agua de lluvia por una zona en la que existen materiales permeables.
• Acuíferos semi-confinados: Un acuífero se denomina semi-confinado cuando el estrato de suelo que lo cubre tiene una permeabilidad significativamente menor que la del acuífero mismo, pero no llega a ser impermeable, por lo que este tipo de acuíferos se pueden descargar y recargar a través de este estrato.

Los acuíferos también se pueden clasificar según su composición o textura:

• Acuíferos porosos. En ellos el agua subterránea se encuentra embebida dentro de unos poros intercomunicados entre sí, lo que dificulta la transmisión interna de agua. Como ejemplo, tenemos las formaciones de arenas y gravas de los aluviones, donde las arcillas presentan una máxima porosidad y almacenamiento, pero una nula transmisión o permeabilidad.

Acuíferos fisurales. Son aquellos en los que el agua se ubica sobre fisuras o diaclasas, también intercomunicadas entre sí y distribuidas de forma que los flujos internos de agua se comporten de una manera heterogénea, Como ejemplo podemos citar los acuíferos kársticos

Acuíferos costeros

Los acuíferos costeros también pueden ser libres, confinados o semiconfinados. Lo que los diferencia es la presencia de fluidos con dos densidades diferentes: agua dulce y agua salada, teniendo la primera una densidad menor.

Esta diferencia de densidad hace que el agua dulce se encuentra sobrepuesta al agua salada en la zona de la costa. El agua salada se introduce en el continente en forma de una cuña salina que se va profundizando a medida que se introduce en el continente.

La cuenca de los acuíferos costeros también se alimenta a través de precipitaciones, o a través del flujo subterráneo de otras cuencas. Por su parte, las salidas de agua se dan a través de la evapotranspiración, evaporación y mediante la salida subsuperficial de agua hacia el mar.

Recarga de los acuíferos

El agua subterránea se renueva normalmente mediante procesos activos de recarga desde la superficie, por lo que el tiempo necesario para renovar por completo un depósito puede llegar a ser muy largo. En algunos casos la renovación se interrumpe por la impermeabilidad de las formaciones geológicas superiores, o por circunstancias climáticas sobrevenidas de sequía.

La recarga puede ser directa o indirecta dependiendo de si el agua de lluvia accede directamente al afloramiento del agua subterránea, o si las precipitaciones deben atravesar las diferentes capas de suelo antes de ser integradas al agua subterránea.

El agua de las precipitaciones (lluvia, nieve,…) puede tener distintos destinos una vez alcanza el suelo:

• Se llama escorrentía a la parte que se desliza por la superficie del terreno formando arroyos y ríos.
• Otra parte del agua se evapora desde las capas superficiales del suelo, o pasa a la atmósfera con la transpiración de los organismos, especialmente las plantas.
• Por último, otra parte se infiltra en el terreno y pasa a ser agua subterránea.

La proporción de infiltración respecto al total de las precipitaciones depende de varios factores:

• La litología,  que se refiere a la naturaleza del material geológico que aflora a la superficie, influye por su permeabilidad, la cual depende de la porosidad, del agrietamiento y de la mineralogía del sustrato.
• Otro factor que afecta a la infiltración es una pendiente más o menos marcada.
• La presencia de vegetación densa influye de forma compleja. Por una parte, reduce el agua que llega al suelo, pero por otra parte,  las raíces son más permeables y el goteo del agua presente en la vegetación extiende en el tiempo el efecto de las precipitaciones.

La velocidad a la que el agua se mueve depende del volumen de los intersticios (porosidad) y del grado de intercomunicación entre ellos. Si los poros son suficientemente amplios, una parte del agua circula libremente a través de ellos impulsada por la gravedad, pero otra parte se queda fijada por las fuerzas de la capilaridad, o por la interacción entre el agua y las moléculas minerales,

Secado y sobreexplotación

Los pozos se pueden secar si el nivel freático cae por debajo de su profundidad inicial, lo que ocurre ocasionalmente en años de sequía. El régimen de recarga puede alterarse por otras causas, como:

• La reforestación, que favorece la infiltración frente a la escorrentía, pero aún más favorece la evaporación.
• Un incremento en la extensión de pavimentos impermeables, como ocurre en zonas urbanas e industriales.

El descenso del nivel freático medio se produce siempre que hay una extracción continuada de agua en el acuífero. Sin embargo, este descenso no significa que el acuífero esté sobreexplotado. La sobreexplotación se produce cuando las extracciones totales de agua superan a la recarga.

3. Contaminación de las aguas subterráneas

El agua subterránea tiende a ser dulce y potable, pues la circulación subterránea tiene la capacidad de depurar el agua de partículas y organismos contaminantes. Sin embargo, el agua puede llegar contaminada al acuífero por distintos motivos:

• Actividad agrícola, que provoca la infiltración de nitratos y otros abonos químicos muy solubles.
• Descargas de vertidos de fábricas.
• El mal manejo de residuos sólidos urbanos.
• Productos químicos procedentes del uso doméstico.
• Tanques de almacenamiento de agua, pozos sépticos y vertederos de residuos.
• Factores naturales. Por ejemplo, cuando los acuíferos son demasiado ricos en sales disueltas, o cuando se produce una erosión natural de ciertas formaciones rocosas.

Los contaminantes que se encuentran con más frecuencia en las aguas subterráneas son:

• Compuestos orgánicos industriales como disolventes, pesticidas, pinturas, barnices, etc.
• Combustibles como los hidrocarburos.
• Nitratos procedentes de diferentes fuentes: fertilizantes, pozos sépticos que no están funcionando bien, lagunas de retención de desperdicios sólidos no impermeabilizadas, o infiltración de aguas residuales no tratadas.

La contaminación puede permanecer en el agua subterránea durante largos períodos de tiempo, debido a los siguientes motivos:

• Su baja tasa de renovación.
• Su largo tiempo de residencia.
• No puede ser fácilmente tratada debido a su difícil acceso.

En zonas muy localizadas de contaminación se puede aplicar la técnica de bombeo y tratamiento, que consiste en extraer agua del acuífero, tratarla adecuadamente, e inyectarla de vuelta al acuífero.

El agua subterránea en áreas costeras puede contaminarse al mezclarse con agua de mar. Esto sucede cuando la tasa de extracción es muy alta, ya que esto facilita que el agua del mar penetre en los acuíferos de agua dulce. Este problema puede ser tratado con cambios en la ubicación de los pozos, o excavando otros que mantengan el agua salada lejos del acuífero de agua dulce. En todo caso, mientras la extracción supere a la recarga por agua dulce, la contaminación con agua salada sigue siendo una posibilidad.                                                                  

Principales fuentes de contaminación de las aguas subterráneas

Fuente de contaminación	Tipo de contaminante
Actividad agrícola	Nitratos, amoniaco, pesticidas, microorganismos fecales
Saneamiento in situ	Nitratos, microorganismos fecales, trazas de hidrocarburos sintéticos
Gasolineras y Talleres	Benceno, otros hidrocarburos aromáticos, fenoles, algunos hidrocarburos halogenados
Depósito final de residuos sólidos	Amonio, salinidad, algunos hidrocarburos halogenados, metales pesados
Industrias metalúrgicas	Tricloroetileno, tetracloroetileno, otros hidrocarburos halogenados, metales pesados, fenoles, cianuro
Talleres de pintura y esmaltes	Alcalobencenos, tetracloroetileno, otros hidrocarburos halogenados, metales, algunos hidrocarburos aromáticos
Industria maderera	Pentaclorofenol, algunos hidrocarburos aromáticos
Tintorerías	Tricloroetileno, tetracloroetileno
Manufactura de pesticidas	algunos hidrocarburos halogenados, fenoles, arsénico. metales pesados
Vertederos de lodos  domésticos	Nitratos,plomo,cinc,varios hidrocarburos halogenados
Vertidos de fabricación de  curtidos	Cromo, salinidad, algunos hidrocarburos halogenados, fenoles
Explotación+extracción de petróleo/gas	Salinidad (cloruro de sodio), hidrocarburos aromáticos
Minas de carbón y de metales	Acidez, diversos metales pesados, hierro, sulfatos

4. Control de la calidad del agua subterránea

El control de la calidad del agua presente en los acuíferos requiere de medidas preventivas para proteger las características fisicoquímicas del agua subterránea y devolverla a su estado original en caso de contaminación.

El tratamiento de las aguas subterráneas presenta algunos retos específicos, entre ellos:

• Altas tasas de extracción, generalmente de decenas de metros cúbicos por hora.
• Concentraciones relativamente bajas de contaminantes.
• Gran variedad de contaminantes presentes.
• Límites muy estrictos para la calidad del agua tratada.
• Necesidad de operar de manera continua, 24/7.

Aunque las aguas subterráneas se purifican parcialmente al filtrarse por las capas del terreno, su tratamiento puede complicarse si se contaminan con sustancias coloidales o disueltas, tanto orgánicas como inorgánicas (como hidrocarburos, sales nocivas como nitratos, metales como el hierro o elementos tóxicos como el arsénico). Por esta razón, es necesario realizar análisis detallados que permitan identificar los contaminantes presentes y diseñar un tratamiento específico en función de los resultados obtenidos.

Una herramienta muy útil para ello son los mapas de riesgo. En 2016, un grupo de investigadores desarrolló la plataforma Groundwater Assessment Platform (GAP), donde expertos de todo el mundo pueden utilizar y visualizar sus datos analíticos para elaborar mapas de riesgo de zonas específicas. La plataforma GAP también sirve como un foro de discusión para el intercambio de conocimientos, contribuyendo al desarrollo de mejores métodos para la eliminación de sustancias nocivas del agua destinada al consumo humano.

5. Proceso de tratamiento de aguas subterráneas

No existe un tratamiento único para todas las aguas subterráneas. Dependiendo de su origen y destino, se define una línea de tratamiento específica que puede incluir los siguientes pasos:

5.1 Tratamiento primario

El objetivo del tratamiento primario es la eliminación de materiales en suspensión, como microsólidos y coloides.

Según los contaminantes detectados, puede ser necesario añadir un oxidante, como el hipoclorito de sodio (NaOCl), el cual facilita la eliminación de metales como el hierro, además de ajustar el pH si el agua es muy ácida o alcalina.

El oxidante también ayuda a eliminar virus y bacterias, garantizando la seguridad microbiológica del agua, lo cual es especialmente importante cuando se desea obtener agua potable o de alta calidad.

La coagulación y floculación de los coloides son procesos fundamentales para asegurar la separación de estas partículas mediante sedimentación o flotación por aire disuelto.

La flotación por aire disuelto (DAF) es una excelente opción, ya que ofrece las siguientes ventajas:

• Es la tecnología más eficiente para separar sólidos, grasas, aceites, hidrocarburos y los flóculos formados en el proceso de coagulación-floculación.
• Los lodos generados en un sistema DAF tienen una mayor concentración de materia seca que los lodos generados mediante sedimentación convencional.
• El aire añadido facilita la eliminación de compuestos volátiles presentes en el agua.

5.2 Tratamiento secundario

En muchos casos, el tratamiento primario es suficiente para obtener un agua que apta para su reutilización en aplicaciones que no exigen una calidad máxima, como por ejemplo:

• Agua para riego.
• Agua para lavado industrial.
• Sistemas contra incendios.
• Limpieza de calles.
• Aguas sanitarias.

Si se quiere obtener agua de alta calidad para procesos industriales o, incluso, para consumo humano, será necesario complementar el tratamiento primario con un tratamiento secundario e, incluso, terciario. Las tecnologías empleadas dependerán del grado de contaminación del acuífero. Entre los procesos más comunes para el tratamiento de aguas subterráneas se incluyen:

• Filtros con lechos de arena, carbón activo o lechos mixtos.
• Sistemas de filtración por membranas de ultrafiltración (UF) u ósmosis inversa (OI).

Para el agua destinada al consumo humano, suele ser necesario un postratamiento que elimine el exceso de CO2 y añada sales para equilibrar el la baja salinidad del agua, haciéndola apta para el consumo humano.

En casos más exigentes, como el tratamiento de aguas desmineralizadas o ultrapuras, se emplean sistemas de intercambio iónico (IX), que incluyen lechos de resinas selectivas y el proceso de electrodesionización (EDI).

6. Resumen

Aproximadamente un tercio del agua dulce del planeta se encuentra bajo la superficie terrestre y se conoce como agua subterránea. Los depósitos de estas aguas, llamados acuíferos, pueden ser móviles o estáticos. Gracias a la filtración natural a través de capas de arena, grava y rocas, estas aguas tienden a depurarse por sí mismas durante su circulación.

El agua subterránea puede emerger en forma de humedales, pantanos y pozos artesianos debido a la presión natural, o ser extraída mediante bombeo.

Sin embargo, la actividad humana introduce contaminantes significativos en los acuíferos, principalmente a través de la agricultura (fertilizantes y pesticidas), la actividad industrial y los desechos domésticos, que se filtran en el terreno.

Para tratar y utilizar las aguas subterráneas, es necesario realizar un análisis completo para identificar los contaminantes presentes y diseñar el tratamiento adecuado según el uso previsto del agua.

La flotación por aire disuelto (DAF) es una tecnología ampliamente utilizada para eliminar metales, coloides, materiales flotantes (como hidrocarburos y coloides), parte de la materia orgánica y compuestos volátiles. SIGMADAF cuenta con experiencia, recursos y una amplia gama de equipos para el tratamiento específico de cada tipo de agua subterránea.

Bibliografía y consultas

Características de las plantas de tratamiento de aguas subterráneas | 2024 (cesuma.mx)

Tratamiento de Aguas Subterráneas: Proceso y Etapas – Revista Completa

¿Qué es el agua subterránea? | International Groundwater Resources Assessment Centre (un-igrac.org)

Calidad de las aguas subterráneas: control y 3 diferentes usos (rs-ingenieria.es)