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Fuentes de contaminación y enriquecimiento de metales en sedimentos de la cuenca Lerma-Chapala
Anne M. Hansen Araceli León Zavala
Luis Bravo Inclán
Instituto Mexicano de Tecnología del Agua
Se realizó el inventario de industrias localizadas en la cuenca Lerma-Chapala. A través del conocimiento del giro de las empresas y el gasto promedio mensual, se estimó la descarga de metales al río Lerma. Asimismo se analizó el contenido de metales en los sedimentos suspendi- dos y depositados en varias estaciones distribuidas en toda la cuenca. El enriquecimiento de seis metales de los metales analizados (cadmio, cobre, cromo, niquel, plomo y zinc) fue relacionado con la situación geográfica de los municipios, donde hay descargas industriales a la cuenca y con el comportamiento químico de cada uno de los metales.
Palabras clave: contaminación, sedimentos, metales, inventario industrial, descarga industrial, factor de enriquecimiento.
Introducción sedimentos. Los contaminantes se asocian principal- mente a los minerales arcillosos, los oxi-hidróxidos de hierro y manganeso y a la materia orgánica presente
El transporte de los metales en sistemas hidrológicos, en la fracción fina de los sedimentos. es principalmente controlado por procesos de transfor- Las reacciones que ocurren en la interfase partícu- mación física, química y biológica de los compuestos la-agua, son de especial importancia en el control del que estos elementos forman. Las reacciones ocurren ciclo bio-geoquímico de los metales traza. Aunque es muchas veces en forma simultánea e incluyen: ampliamente reconocido que uno de los principales
vectores del transporte de la contaminación en el agua Intercambio iónico superficial es el sedimento suspendido, generalmente
* Adsorción-desorción se tiene poca información cuantitativa de la importan- Formación de complejos cia de esta fase. Coagulación El enriquecimiento de los metales en los sedimen-
@ Biodegradación tos, puede ser valorado utilizando técnicas de norma- Precipitación-disolución lización geoquímica. Son procedimientos para analizar Oxidación-reducción los contenidos de metales en los sedimentos a través Fotólisis e hidrólisis de factores de enriquecimiento, FE, respecto a un ele-
mento normalizador y el contenido promedio de meta- Estas reacciones ilustran la complejidad de las les en la corteza terrestre.
El aluminio se considera el principal elemento nor- malizador en suelos y sedimentos debido a su carac- ter conservativo ya que la baja solubilidad de este me- tal hace que su concentración sea poco afectada por los cambios que ocurren en el agua superficial. Ade- más, el aluminio es uno de los elementos más abun- dantes en la corteza terrestre y es el principal constitu- yente de los minerales arcillosos (alumino-silicatos).
transformaciones de los contaminantes en el ambiente natural donde los sedimentos juegan un papel muy importante en el transporte de sustancias tóxicas de naturaleza tanto orgánica como inorgánica.
La mayoría de los contaminantes (metales, pestici- das e hidrocarburos) en sistemas acuáticos naturales, muestran una alta afinidad a la materia particulada y, consecuentemente, se encuentran enriquecidos en los
Antecedentes
La cuenca Lerma-Chapala comprende al lago de Cha- pala como destino final del río Lerma, que tiene una longitud de más de km, y una cuenca tributaria de aproximadamente km2. Esta cuenca se carac- teriza por concentrar una población urbana, industrial y agrícola de las más importantes de México.
El incremento en la actividad económica de la cuen- ca, así como el crecimiento demográfico y urbano, han propiciado un elevado aprovechamiento de los recur- sos hidráulicos, alterando las condiciones naturales de los cauces, degradando la calidad del agua y aumen- tando la erosión en la zona. Este sistema se encuentra afectado por distintas fuentes de contaminación:
Descargas industriales (más de industrias de diversos giros: química, petroquímica, destiladora, textil, peletera, alimenticia, maderera, metalúrgica, metal-mecánica, electro-mecánica, minera y cantera) Descargas municipales (más de ocho millones de habitantes) y los escurrimientos de las tierras culti- vadas (aproximadamente ha).
La caracterización fisicoquímica del agua en esta- ciones distribuidas en toda la cuenca, reveló un alto grado de asociación entre la cantidad de sedimento suspendido y las demandas químicas y bioquímicas de oxígeno (Gelover et al., 1994). Esto indica que gran parte de las sustancias reducidas (e .g. la materia or- gánica), se encuentran asociadas a las partículas sus- pendidas.
La mineralogía de los sedimentos, tanto suspendi- dos como depositados, presentó una composición se- mejante en todas las estaciones muestreadas. Los mi- nerales más abundantes fueron: cuarzo, plagioclasas, esmectita y caolinita (Gelover et al., 1994). El conteni- do de carbono orgánico total, COT, varió desde al
en los sedimentos suspendidos, mientras que los sedimentos de fondo presentaron valores de COT desde (acueducto, lago de Chapala) hasta
aguas abajo de La Piedad, Michoacán, indican- do la acumulación de materia orgánica proveniente de las descargas porcícolas en esta zona (Posada-Ramos et al., 1994).
Estudios de la dinámica de plomo y cadmio en sedi- mentos suspendidos, bajo condiciones controladas en al laboratorio, mostraron que el del plomo se ad- sorbe muy rápidamente en los sedimentos (minutos), sin importar la composición del agua en el que se en- cuentra suspendido (Maya y Hansen, 1995). Se encon- tró una mayor constante de adsorción para el plomo que para el cadmio.
La adsorción de cadmio en sedimento suspendido, depende en gran medida tanto de la concentración (fuerza iónica) como de la composición de los sólidos disueltos. Asimismo, los estudios de desorción de es- tos metales muestran que este fenómeno ocurre en mayor grado para el cadmio en comparación con el plomo, al presentarse cambios en la calidad del agua (pH, concentración de iones mayores y sólidos sus- pendidos).
El presente estudio comprendió el análisis y distri- bución de seis metales, las características de éstos además de mercurio y plata en el ambiente se apre- cian en el cuadro
Objetivos
Elaborar el inventario industrial en plataforma RAI- SON, incluyendo los balances de masas de conta- minantes en las descargas de más de tres mil qui- nientas industrias distribuidas en toda la cuenca. Relacionar el enriquecimiento de metales en sedi- mentos, con la distribución geográfica de las fuen- tes de contaminación industrial en la cuenca y con el comportamiento químico de cada uno de estos contaminantes.
Metodología
Muestreo
Se colectaron muestras de sedimento superficial (O cm de profundidad) en cinco estaciones distribuidas en toda la cuenca Lerma-Chapala, ilustración Las muestras fueron colectadas con draga Van Veen, y se extrajo con una cuchara de plástico la parte central que no llegó a estar en contacto con el metal del mues- treador.
El sedimento suspendido fue colectado con una centrífuga de campo (Sedisamp-WSB103 de Alfa La- val). Para obtener muestras de aproximadamente g se peso seco, el tiempo de centrifugación variaba entre y hrs., dependiendo de la velocidad de flujo del agua y de la cantidad de sedimento suspendido.
Las muestras de sedimento se colectaron en fras- cos de polietileno, previamente lavados con HNO3 al
por horas, y fueron almacenadas en la obscu- ridad a 4°C.
Análisis de metales
La extracción de los metales se realizó por la técnica propuesta por Loring y Rantala (1992). Simultánea- mente se digirieron blancos de reactivos y un sedi-
* Lantzy y McKenzie 979)
donde [Me] = concentración del metal y [A l ] = concentración de aluminio
mento estándar de referencia (PACS del Consejo Na- cional de Investigación de Canadá). La cuantificación de metales en sedimentos se efectuó por espectrofo- tometría de absorción atómica con flama (Al, Ni, Cr, Pb, Zn y Cu), y en horno de grafito ( C d ) . Gelover et al., (1 994).
Se calcularon los FE de los metales en sedimentos suspendidos y depositados, de acuerdo a la siguiente ecuación:
Los enriquecimientos de metales en los sedimentos fueron valorados con el criterio establecido en el cua- dro
Inventario industrial
La información acerca de las industrias (giro, domici- lio, volumen de las descargas) se obtuvo a través de la extinta Secretaría de Desarrollo Urbano y Ecología, SE- DUE, las gerencias estatales, la Gerencia Regional Lerma-Balsas y la Gerencia de Calidad del Agua e Im- pacto Ambiental de la Comisión Nacional del Agua, CNA. Se agruparon las empresas según el tipo de des- cargas que presentan y se buscaron las coordenadas geográficas de los municipios que se encuentran en las cartas topográficas del Instituto Nacional de Estadística Geografía e Informática, INEGI. Los da- tos se capturaron en un sistema de información geo- gráfica (RAISON, Environment Canada, 1992). En el cuadro se presentan las concentraciones típicas de algunos contaminantes en los diferentes giros indus- triales.
El inventario industrial de la cuenca Lerma-Chapala, consiste en cuatro archivos con extensión WK1 (uno para cada estado que se encuentran dentro de la
cuenca, desde la presa Solís hasta el lago de Chapala: Querétaro, Guanajuato, Michoacán y Jalisco) que pue- den leerse y editarse en LOTUS QUATTRO o EX- CELL en computadoras PC o Macintosh. Cada archivo contiene información de las empresas, por municipio:
Resultados y discusión
Una vez agrupadas por giros, las empresas guardan el siguiente orden de importancia, por número de des- cargas, dentro del inventario industrial de la cuenca Lerma-Chapala: peletera pecuaria textil
establecimientos de servicio industria ali- Nombre de la empresa menticia metal-mecánica O), petroquímica Dirección química y farmaceútica minera y cantera Municipio maderera y derivados destiladora elec- Sitio de descarga tromecánica metalúrgica 3) e industria pestici- Tipo de descarga da (4). Las empresas restantes representan activi- Coordenadas geográficas del municipio dades de giro desconocido. Actividad o giro industrial Los balances de masa de contaminación muestran Tipo y concentración de contaminación que las cantidades más grandes de contaminación
aportadas a la cuenca provienen de los municipios de León, Guanajuato, con ton/día de sólidos suspen- didos totales, SST; ton/día de demanda química de oxígeno, DQO; ton/día de nitrógeno total, Ntot;
kg/día de cobre, Cu; kg/día de cromo total, Crtot; kg/día de hierro, Fe; g/día de niquel, Ni; y kg/día de plomo, Pb; Querétaro, Querétaro,
Hoteles, restaurantes, oficinas y casas habitación con ton/día de demanda bioquímica de oxígeno, consideradas en el inventario DBO; ton/día de sólidos disueltos totales, SDT; y
1.b. Descargas pecuarias ton/día de grasas y aceites, GA; Salamanca, Gua- Granjas porcícolas, ganaderas y avícolas najuato, con g/día de cadmio, C d y Celaya, Alimenticia Guanajuato con kg/día de zinc, Zn. La distribu- Procesamiento de alimentos y embotelladoras ción de municipios se observa en la ilustración
2.b. Destiladora La carga diaria de cadmio a la cuenca (ilustración 3) Bebidas alcohólicas se refleja en el enriquecimiento del mismo metal en los Electromecánica sedimentos depositados y suspendidos. La estación Electrónica doméstica e industrial, eléctrica del río Laja, antes de la confluencia con el río Lerma, Química y farmacéutica tiene mayor enriquecimiento en los sedimentos depo- Teñido, productos farmacéuticos, pigmentos y sitados que en los suspendidos (ilustración refle- químicos en general jando la aportación de cadmio río arriba, en Celaya, Maderera y derivados Salvatierra y Villagrán, Guanajuato. Papel, celulosa y productos de madera Después de la confluencia con el río Lerma, en Metal-mecánica Salamanca aumenta considerablemente el enriqueci- Transformación de metales miento de cadmio en los sedimentos suspendidos, lo Metalúrgica que refleja la considerable descarga del cadmio en Fundición de metales este corredor industrial. Es notable la disminución en Minera y cantera FE de este metal en sedimentos depositados, confor- Porcelana, cerámica, ladrillos, cemento y extrac- me se avanza río Lerma abajo, desde la confluencia ción de minerales con el río Laja hasta el lago de Chapala. Peletera Aportaciones excepcionalmente altas de zinc en Curtiduría, tenería y peletería Querétaro y Celaya (ilustración 5) no se ven reflejadas Petroquímica en los valores de enriquecimiento de este metal en los Plástico, disolventes y otros derivados del petró- sedimentos (ilustración O). Esto se debe probable- leo mente a la alta movilidad del zinc en ambientes oxida-
dos (cuadro 5). Sin embargo, en Salamanca, el enri- Herbicidas y pesticidas quecimiento de zinc en sedimento suspendido se vuel-
ve significativo (FE valor que se reduce de Fabricación de hilos, telas, ropa y calzado nuevo río abajo. También en La Piedad, el enriqueci-
Con la finalidad de agrupar a las empresas según el tipo de sustancias tóxicas que descargan (León-Zava- la y Hansen, se manejan los siguientes giros:
Servicios
Plaguicida
Textil
manca muestra el mayor enriquecimiento de plomo en los sedimentos suspendidos, por la cercanía del sitio de muestreo con la zona donde se descargan altas concentraciones de este metal.
El niquel proveniente de la industria, es aportado a la cuenca del río Lerma principalmente en los munici- pios de Querétaro, Salamanca y León (ilustración 6). Contrario a lo observado para el cadmio, el enriqueci- miento de niquel en el sedimento depositado, aumen-
miento de zinc en sedimento depositado muestra valo- res altos, coincidiendo con la muestra que tiene la mayor concentración de materia orgánica (Gelover et al., 1994).
La cantidad de plomo descargada por las industrias en Celaya, Salamanca y León, (ilustración 5), se ve re- flejada en el enriquecimiento de plomo en los sedi- mentos depositados de alto contenido de materia or- gánica en La Piedad (ilustración 11). De nuevo, Sala-
ta ligeramente río abajo (ilustración sin llegar a cla- sificarse como enriquecido en esta fracción. Solamen- te en Salamanca, el niquel se encuentra más enrique- cido en los sedimentos suspendidos que en los depo- sitados.
Referente al cobre, se observan importantes aporta- ciones kg/día en Querétaro, Salamanca, León y Celaya, ilustración 7). Los FE fueron altos en Salaman- ca (FE en sedimentos suspendidos) y en La Piedad (FE en sedimentos depositados, ilustra- ción reflejando las aportaciones recientes, de Ce- laya y Salamanca, y las fuentes a mayor distancia, de León y San Francisco del Rincón, Guanajuato, respec- tivamente.
El cromo se encontró enriquecido sólo en los sedi- mentos suspendidos de Salamanca, ilustración a pesar de la fuerte contribución de este metal en León, ilustración La baja movilidad de cromo bajo las dife- rentes condiciones redox y de acidez, cuadro expli- ca el hecho de que las aportaciones de este metal no migran significativamente río abajo.
Analizando el contenido de metales en sedimentos de estaciones de muestreo en el río Lerma y veinte en el lago de Chapala, Posada-Ramos et al., (1994) registraron FE altos para plata, especialmente en el río Guanajuato (FE 65). Los mismos autores encontraron también altos FE de cobre, niquel, mercurio, plomo y zinc, en el río Guanajuato, y después de la descarga en el río Lerma, las clasificaciones de Hg y Pb perma- necieron enriquecidas.
El enriquecimiento de metales en el río Guanajuato se atribuye a la actividad minera en esta región. Los FE de metales pesados en los sedimentos de estacio- nes distribuidos en el lago de Chapala, mostraron altos contenidos de arsénico en la zona centro-sur del Lago, donde además se ha observado actividad geotérmica en el fondo (Amezcua, 1991).
La clasificación de cobre en el río Guanajuato fue altamente enriquecido (FE reduciéndose el en- riquecimiento de este metal a valores alrededor de en las estaciones aguas abajo del río Lerma (Posada- Ramos et al., 1994). Los mismos autores encontraron altos FE de plata, Ag, en toda la cuenca, destacando un FE de en el río Guanajuato.
También, se encontró un FE alto para cobre en los sedimentos depositados en La Piedad, relacionándose este resultado con el alto contenido de materia orgáni- ca en esta muestra. Cabe mencionar, que en el traba- jo de Posada-Ramos et al., no se analizaron los sedimentos suspendidos. No obstante, esta fracción representa un vector importante en el transporte de los metales estudiados en el presente trabajo, especial- mente en el sitio de muestreo localizado en Sala- manca.
Conclusiones
Se elaboró el inventario industrial en plataforma RAI- SON, incluyendo los balances de masas de compues- tos y parámetros que caracterizan las descargas de
empresas divididas en giros industriales, uno pecuario y uno de servicio. Con esta información se estimaron las contribuciones de trece contaminantes provenientes de municipios distribuidos en la cuen- ca del río Lerma.
Se midieron los metales zinc, plomo, niquel, cobre, cadmio y cromo en muestras de sedimento suspendi- do y depositado. Se calcularon los FE respecto al alu- minio en las mismas muestras, los cuales fueron rela- cionados con el promedio en la corteza terrestre. Los resultados experimentales se explicaron por la conta- minación industrial en la cuenca y por la movilidad relativa de los metales en las condiciones ambientales que allí prevalecen.
Los resultados indican que el sedimento suspendi- do es el principal vector en el transporte de la conta- minación por estos metales, mientras que los sedi- mentos de fondo actúan como fase de acumulación de estas sustancias, a través del depósito de sedimentos suspendidos.
El presente trabajo y otro anteriormente realizado en el área de estudio (Posada-Ramos et al., reve- laron altos FE para plata, zinc, plomo, niquel, cobre,
cadmio y mercurio en varias regiones, especialmente en el río Guanajuato, debido a la actividad minera en esta zona; en La Piedad debido al atrapamiento de metales por la materia orgánica allí presente; y en sedi- mentos suspendidos de Salamanca, debido a la cer- canía de las descargas industriales.
El enriquecimiento de cromo fue comparativamente menor debido a la distancia de la principal fuente de este metal y las estaciones muestreadas.
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Abstract
Hansen, A.M., et al. "Sources of Pollution and Metal Enrichment in Sediments of the Lerma-Chapala Basin". Hydraulic Engineering in Mexico (in Spanish). Vol X. Num. pages September-December,
In the Lerma-Chapala basin, industries were inventoried. Through the knowledge of type of industry and the average monthly wastewater discharge the discharges of metals to the Lerma River were estimated. The concentrations of metals in suspended and deposited sediments were quantified at various locations along the basin. The enrichments of six of these metals (cadmium, chromium, copper, nickel, leads and zinc) were related to the geographic location of the municipalities where industrial wastewater was discharged to the basin and to the chemical behavior of each of the metals.
Key words: pollution, sediment, metals, industrial inventory, industrial discharge, enrichment factor.
