Contaminación térmica

La contaminación térmica, a veces llamada "enriquecimiento térmico", es la degradación de la calidad del agua por cualquier proceso que cambie la temperatura ambiente del agua. La contaminación térmica es el aumento o disminución de la temperatura de un cuerpo de agua natural causado por la influencia humana. La contaminación térmica, a diferencia de la contaminación química, produce un cambio en las propiedades físicas del agua. Una causa común de la contaminación térmica es el uso de agua como refrigerante por parte de las centrales eléctricas y los fabricantes industriales. La escorrentía urbana (aguas pluviales descargadas a las aguas superficiales desde los techos, las carreteras y los estacionamientos) y los embalses también pueden ser una fuente de contaminación térmica. La contaminación térmica también puede ser causada por la liberación de agua muy fría desde la base de los embalses hacia ríos más cálidos.

Cuando el agua utilizada como refrigerante se devuelve al entorno natural a una temperatura más alta, el cambio repentino de temperatura disminuye el suministro de oxígeno y afecta la composición del ecosistema. Los peces y otros organismos adaptados a un rango de temperatura particular pueden morir por un cambio abrupto en la temperatura del agua (ya sea un rápido aumento o disminución) conocido como "choque térmico". El agua refrigerante tibia también puede tener efectos a largo plazo en la temperatura del agua, aumentando la temperatura general de los cuerpos de agua, incluidas las aguas profundas. La estacionalidad afecta cómo estos aumentos de temperatura se distribuyen a lo largo de la columna de agua. Las temperaturas elevadas del agua reducen los niveles de oxígeno, lo que puede matar a los peces y alterar la composición de la cadena alimentaria, reducir la biodiversidad de las especies y fomentar la invasión de nuevas especies termófilas.

Fuentes y control de la contaminación térmica

Aguas residuales industriales

En los Estados Unidos, alrededor del 75 al 80 por ciento de la contaminación térmica es generada por plantas de energía. El resto proviene de fuentes industriales como refinerías de petróleo, fábricas de pulpa y papel, plantas químicas, acerías y fundiciones.

El agua caliente de estas fuentes se puede controlar con:

• estanques de enfriamiento, cuerpos de agua hechos por el hombre diseñados para enfriar por evaporación, convección y radiación
• torres de enfriamiento, que transfieren el calor residual a la atmósfera a través de la evaporación y/o la transferencia de calor
• cogeneración, un proceso en el que el calor residual se recicla para calefacción doméstica y/o industrial.

Uno de los mayores contribuyentes a la contaminación térmica son los sistemas de refrigeración de un solo paso (OTC) que no reducen la temperatura tan eficazmente como los sistemas anteriores. Una planta de energía grande puede extraer y exportar hasta 500 millones de galones por día. Estos sistemas producen agua 10°C más caliente en promedio. Por ejemplo, la Estación Generadora Potrero en San Francisco (cerrada en 2011), usó OTC y descargó agua a la Bahía de San Francisco aproximadamente 10 °C (20 °F) por encima de la temperatura ambiente de la bahía. Más de 1200 instalaciones en los Estados Unidos utilizan sistemas OTC a partir de 2014.

Las temperaturas se pueden tomar a través de técnicas de detección remota para monitorear continuamente la contaminación de las plantas. Esto ayuda a cuantificar los efectos específicos de cada planta y permite una regulación más estricta de la contaminación térmica.

La conversión de las instalaciones de enfriamiento de un solo paso a sistemas de circuito cerrado puede reducir significativamente la contaminación térmica emitida. Estos sistemas liberan agua a una temperatura más comparable a la del entorno natural.

Embalses

A medida que el agua se estratifica dentro de las represas hechas por el hombre, la temperatura en el fondo cae drásticamente. Se construyen muchas represas para liberar esta agua fría desde el fondo hacia los sistemas naturales. Esto se puede mitigar diseñando la presa para que libere aguas superficiales más cálidas en lugar del agua más fría del fondo del embalse.

Escorrentía urbana

Durante el clima cálido, la escorrentía urbana puede tener impactos térmicos significativos en los arroyos pequeños. A medida que el agua de lluvia pasa sobre los techos calientes, los estacionamientos, las carreteras y las aceras, absorbe parte del calor, un efecto de la isla de calor urbana. Las instalaciones de gestión de aguas pluviales que absorben la escorrentía o la dirigen hacia las aguas subterráneas, como los sistemas de biorretención y las cuencas de infiltración, reducen estos efectos térmicos al permitir que el agua libere el exceso de calor antes de ingresar al medio ambiente acuático. Estos sistemas relacionados para gestionar la escorrentía son componentes de un enfoque de diseño urbano en expansión comúnmente llamado infraestructura verde.

Los estanques de retención (estanques de aguas pluviales) tienden a ser menos efectivos para reducir la temperatura de la escorrentía, ya que el sol puede calentar el agua antes de descargarla en un arroyo receptor.

Efectos

Efectos de agua caliente

La temperatura elevada generalmente disminuye el nivel de oxígeno disuelto y de agua, ya que los gases son menos solubles en líquidos más calientes. Esto puede dañar a los animales acuáticos como peces, anfibios y otros organismos acuáticos. La contaminación térmica también puede aumentar la tasa metabólica de los animales acuáticos, como la actividad enzimática, lo que hace que estos organismos consuman más alimentos en menos tiempo que si su entorno no cambiara. Una tasa metabólica aumentada puede resultar en menos recursos; los organismos más adaptados que se mudan pueden tener una ventaja sobre los organismos que no están acostumbrados a la temperatura más cálida. Como resultado, las cadenas alimenticias de los entornos antiguo y nuevo pueden verse comprometidas. Algunas especies de peces evitarán los segmentos de arroyos o áreas costeras adyacentes a una descarga térmica. Como resultado, la biodiversidad puede disminuir.

La alta temperatura limita la dispersión de oxígeno en aguas más profundas, lo que contribuye a las condiciones anaeróbicas. Esto puede conducir a un aumento de los niveles de bacterias cuando hay un amplio suministro de alimentos. Muchas especies acuáticas no se reproducirán a temperaturas elevadas.

Los productores primarios (por ejemplo, plantas, cianobacterias) se ven afectados por el agua tibia porque la temperatura más alta del agua aumenta las tasas de crecimiento de las plantas, lo que da como resultado una vida más corta y una superpoblación de especies. El aumento de la temperatura también puede cambiar el equilibrio del crecimiento microbiano, incluida la tasa de proliferación de algas que reducen las concentraciones de oxígeno disuelto.

Los cambios de temperatura de incluso uno o dos grados centígrados pueden causar cambios significativos en el metabolismo del organismo y otros efectos adversos en la biología celular. Los principales cambios adversos pueden incluir hacer que las paredes celulares sean menos permeables a la ósmosis necesaria, la coagulación de las proteínas celulares y la alteración del metabolismo enzimático. Estos efectos a nivel celular pueden afectar negativamente la mortalidad y la reproducción.

Un gran aumento de la temperatura puede conducir a la desnaturalización de las enzimas que sustentan la vida al romper los enlaces de hidrógeno y disulfuro dentro de la estructura cuaternaria de las enzimas. La disminución de la actividad enzimática en los organismos acuáticos puede causar problemas como la incapacidad para descomponer los lípidos, lo que conduce a la desnutrición. El aumento de la temperatura del agua también puede aumentar la solubilidad y la cinética de los metales, lo que puede aumentar la absorción de metales pesados ​​por parte de los organismos acuáticos. Esto puede conducir a resultados tóxicos para estas especies, así como a la acumulación de metales pesados ​​en los niveles tróficos más altos de la cadena alimentaria, lo que aumenta la exposición humana a través de la ingestión dietética.

En casos limitados, el agua tibia tiene pocos efectos nocivos e incluso puede conducir a una mejor función del ecosistema acuático receptor. Este fenómeno se observa especialmente en aguas estacionales. Un caso extremo se deriva de los hábitos de agregación del manatí, que suele utilizar los sitios de descarga de las centrales eléctricas durante el invierno. Las proyecciones sugieren que las poblaciones de manatíes disminuirían con la eliminación de estas descargas.

Agua fría

Las descargas de agua fría no natural de los embalses pueden cambiar drásticamente la fauna de peces y macroinvertebrados de los ríos y reducir la productividad de los ríos. En Australia, donde muchos ríos tienen regímenes de temperatura más cálidos, se han eliminado las especies de peces nativos y se ha alterado drásticamente la fauna de macroinvertebrados. Las tasas de supervivencia de los peces se han reducido hasta en un 75% debido a las liberaciones de agua fría.

Choque termal

Cuando una planta de energía se abre o se apaga por primera vez por reparación u otras causas, los peces y otros organismos adaptados a un rango de temperatura particular pueden morir por el cambio abrupto en la temperatura del agua, ya sea un aumento o una disminución, conocido como "choque térmico".

Efectos biogeoquímicos

Los efectos de calentamiento del agua, a diferencia de los efectos de enfriamiento del agua, han sido los más estudiados con respecto a los efectos biogeoquímicos. Gran parte de esta investigación trata sobre los efectos a largo plazo de las plantas de energía nuclear en los lagos después de que se haya eliminado una planta de energía nuclear. En general, hay apoyo para la contaminación térmica que conduce a un aumento en la temperatura del agua. Cuando las centrales eléctricas están activas, la temperatura del agua a corto plazo aumenta en correlación con las necesidades eléctricas, con una mayor liberación de agua de refrigeración durante los meses de invierno. También se ha visto que el calentamiento del agua persiste en los sistemas durante largos períodos de tiempo, incluso después de que se hayan eliminado las plantas.

Cuando el agua caliente de las exportaciones de enfriamiento de la planta de energía ingresa a los sistemas, a menudo se mezcla y provoca aumentos generales en la temperatura del agua en todo el cuerpo de agua, incluido el agua profunda más fría. Específicamente en lagos y cuerpos de agua similares, la estratificación produce diferentes efectos según la estación. En el verano, se ha visto que la contaminación térmica aumenta la temperatura del agua más profunda más dramáticamente que la del agua superficial, aunque todavía existe estratificación, mientras que en el invierno las temperaturas del agua superficial experimentan un aumento mayor. La estratificación se reduce en los meses de invierno debido a la contaminación térmica, muchas veces eliminando la termoclina.

Un estudio que analizó el efecto de una planta de energía nuclear retirada en el lago Stechlin, Alemania, encontró que persistió un aumento de 2,33 °C en las aguas superficiales durante el invierno y un aumento de 2,04 °C en las aguas profundas durante el verano, con aumentos marginales a lo largo del columna de agua tanto en invierno como en verano. Las diferencias de estratificación y temperatura del agua debido a la contaminación térmica parecen estar correlacionadas con el ciclo de nutrientes del fósforo y el nitrógeno, ya que a menudo los cuerpos de agua que reciben exportaciones de refrigeración se desplazarán hacia la eutrofización. Sin embargo, no se han obtenido datos claros al respecto, ya que es difícil diferenciar las influencias de otras industrias y la agricultura.

Similar a los efectos observados en los sistemas acuáticos debido al calentamiento climático del agua en algunas partes del mundo, también se ha observado que la contaminación térmica aumenta las temperaturas superficiales en el verano. Esto puede conducir a temperaturas del agua superficial que conducen a la liberación de aire caliente a la atmósfera, lo que aumenta la temperatura del aire. Por lo tanto, puede ser visto como un contribuyente al calentamiento global. Muchos efectos ecológicos también se verán agravados por el cambio climático, a medida que aumente la temperatura ambiente de los cuerpos de agua.

Los factores espaciales y climáticos pueden afectar la gravedad del calentamiento del agua debido a la contaminación térmica. Las altas velocidades del viento tienden a aumentar el impacto de la contaminación térmica. Los ríos y grandes cuerpos de agua también tienden a perder los efectos de la contaminación térmica a medida que avanzan desde la fuente.

Los ríos presentan un problema único con la contaminación térmica. A medida que la temperatura del agua se eleva aguas arriba, las plantas de energía aguas abajo reciben aguas más cálidas. Se ha visto evidencia de este efecto a lo largo del río Mississippi, ya que las centrales eléctricas se ven obligadas a utilizar aguas más cálidas como refrigerantes. Esto reduce la eficiencia de las plantas y obliga a las plantas a usar más agua y producir más contaminación térmica.