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<p>Visite nuestro sitio en http://latinoamerica.cengage.com</p><p>Tercera</p><p>Edición</p><p>Tercera Edición</p><p>V</p><p>esilin</p><p>d</p><p>M</p><p>o</p><p>rgan</p><p>H</p><p>ein</p><p>e</p><p>P. AARNE VESILIND</p><p>SUSAN M. MORGAN</p><p>LAUREN G. HEINE</p><p>In</p><p>tro</p><p>d</p><p>u</p><p>c</p><p>c</p><p>ió</p><p>n</p><p>a</p><p>la</p><p>IN</p><p>G</p><p>EN</p><p>IER</p><p>ÍA</p><p>A</p><p>M</p><p>B</p><p>IEN</p><p>TA</p><p>L</p><p>I N G E N I E R Í A</p><p>A M B I E N T A L</p><p>Introducción a la</p><p>INTRODUCCIÓN A LA</p><p>INGENIERÍA AMBIENTAL</p><p>TERCERA EDICIÓN</p><p>P. AARNE VESILIND Bucknell University</p><p>SUSAN M. MORGAN Southern Illinois University Edwardsville</p><p>LAUREN G. HEINE Clean Production Action</p><p>Traductores</p><p>Jorge Alberto Velázquez Arellano</p><p>José Luis Núñez Herrejón</p><p>Revisión técnica</p><p>Ing. A. S. Ph.D. Fernando Sánchez Sánchez</p><p>Presidente de la Comisión Permanente de Ingeniería Ambiental y Sanitaria</p><p>Sociedad Colombiana de Ingenieros</p><p>M. en C. José Salvador Pantoja Magaña</p><p>Profesor Cátedra del Departamento de Biotecnología e Ingeniería Química</p><p>Instituto Tecnológico y de Estudios Superiores de Monterrey</p><p>Campus Estado de México (ITESM-CEM)</p><p>INTRODUCCIÓN A LA</p><p>INGENIERÍA AMBIENTAL</p><p>TERCERA EDICIÓN</p><p>© D.R. 2013 por Cengage Learning Editores,</p><p>S.A. de C.V., una Compañía de Cengage</p><p>Learning, Inc.</p><p>Corporativo Santa Fe</p><p>Av. Santa Fe núm. 505, piso 12</p><p>Col. Cruz Manca, Santa Fe</p><p>C.P. 05349, México, D.F.</p><p>Cengage Learning® es una marca registrada</p><p>usada bajo permiso.</p><p>DERECHOS RESERVADOS. Ninguna parte de</p><p>este trabajo amparado por la Ley Federal del</p><p>Derecho de Autor, podrá ser reproducida,</p><p>transmitida, almacenada o utilizada en</p><p>cualquier forma o por cualquier medio, ya sea</p><p>gráfico, electrónico o mecánico, incluyendo,</p><p>pero sin limitarse a lo siguiente: fotocopiado,</p><p>reproducción, escaneo, digitalización,</p><p>grabación en audio, distribución en Internet,</p><p>distribución en redes de información o</p><p>almacenamiento y recopilación en sistemas</p><p>de información a excepción de lo permitido</p><p>en el Capítulo III, Artículo 27 de la Ley Federal</p><p>del Derecho de Autor, sin el consentimiento</p><p>por escrito de la Editorial.</p><p>Traducido del libro Introduction to Environmental</p><p>Engineering, Third Edition.</p><p>P. Aarne Vesilind, Susan M. Morgan y</p><p>Lauren G. Heine</p><p>Publicado en inglés por Cengage Learning</p><p>© 2010, 2004</p><p>ISBN 13: 978-0-495-29583-9</p><p>Datos para catalogación bibliográfica:</p><p>P. Aarne Vesilind, Susan M. Morgan y</p><p>Lauren G. Heine</p><p>INTRODUCCIÓN A LA INGENIERÍA AMBIENTAL,</p><p>TERCERA EDICIÓN</p><p>ISBN 13: 9786074819175</p><p>Visite nuestro sitio en:</p><p>http://latinoamerica.cengage.com</p><p>Impreso en México</p><p>1 2 3 4 5 6 7 16 15 14 13 12</p><p>INTRODUCCIÓN A LA INGENIERÍA</p><p>AMBIENTAL, TERCERA EDICIÓN</p><p>P. Aarne Vesilind, Susan M. Morgan y</p><p>Lauren G. Heine</p><p>Presidente de Cengage Learning</p><p>Latinoamérica</p><p>Fernando Valenzuela Migoya</p><p>Director editorial, de producción y de</p><p>plataformas digitales para Latinoamérica</p><p>Ricardo H. Rodríguez</p><p>Gerente de procesos para Latinoamérica</p><p>Claudia Islas Licona</p><p>Gerente de manufactura para Latinoamérica</p><p>Raúl D. Zendejas Espejel</p><p>Gerente editorial de contenidos en español</p><p>Pilar Hernández Santamarina</p><p>Gerente de proyectos especiales</p><p>Luciana Rabuffetti</p><p>Coordinador de Manufactura</p><p>Rafael Pérez González</p><p>Editoras</p><p>Ivonne Arciniega Torres</p><p>Gloria Luz Olguín Sarmiento</p><p>Diseño de portada</p><p>Andrew Adams</p><p>Imagen de portada</p><p>© Dudarev Mikhail/ Shutterstock.com</p><p>Composición tipográfica</p><p>Gerardo Larios García</p><p>Este libro está dedicado, con gratitud,</p><p>al finado Edward E. Lewis, editor,</p><p>cascarrabias y amigo.</p><p>P. Aarne Vesilind</p><p>Y a Steven J. Hanna, Ph.D., P.E, quien me</p><p>introdujo a la profesión de la ingeniería</p><p>y respondió todas aquellas preguntas los</p><p>primeros años en el trabajo.</p><p>Susan M. Morgan</p><p>Y a Abbie, Orion, Aragorn y Scout y</p><p>todos los amigos de todas las especies</p><p>que comporten el amor que impulsa</p><p>nuestras vidas.</p><p>Lauren G. Heine</p><p>Contenido vii</p><p>vii</p><p>CONTENIDO</p><p>PREFACIO xv</p><p>Sobre los autores xix</p><p>P R I M E R A P A R T E</p><p>INGENIERÍA AMBIENTAL 1</p><p>CAPÍTULO 1</p><p>Identificación y resolución de problemas ambientales 3</p><p>1.1 ¿Qué es la ingeniería ambiental? 4</p><p>1.1.1 Orígenes de la ingeniería ambiental 4</p><p>1.1.2 La ingeniería ambiental en la actualidad 4</p><p>1.1.3 La ingeniería ambiental en el horizonte 5</p><p>1.2 Estudios de caso 7</p><p>1.2.1 El brote de hepatitis en Holy Cross College 7</p><p>1.2.2 Eliminación de los sedimentos de aguas residuales 9</p><p>1.2.3 El episodio de Donora 12</p><p>1.2.4 Cromo en Jersey City 15</p><p>1.2.5 El descubrimiento del tratamiento biológico</p><p>de las aguas residuales 18</p><p>1.2.6 La barcaza de la basura 21</p><p>1.3 Sostenibilidad y diseño de cuna a cuna 23</p><p>1.3.1 Marco para la sostenibilidad 23</p><p>1.3.2 Diseño de cuna a cuna 24</p><p>Contenidoviii</p><p>S E G U N D A P A R T E</p><p>FUNDAMENTOS 29</p><p>CAPÍTULO 2</p><p>Decisiones en ingeniería 31</p><p>2.1 Decisiones basadas en análisis técnicos 32</p><p>2.2 Decisiones basadas en el análisis de rentabilidad 33</p><p>2.3 Decisiones basadas en el análisis de costo/beneficio 40</p><p>2.4 Decisiones basadas en el análisis de riesgo 43</p><p>2.4.1 Procedimiento de análisis de riesgo ambiental 46</p><p>2.4.2 Gestión del riesgo ambiental 49</p><p>2.5 Decisiones basadas en la evaluación de opciones 50</p><p>2.6 Decisiones basadas en el análisis de impacto ambiental 54</p><p>2.6.1 Inventario 55</p><p>2.6.2 Valoración 55</p><p>2.6.3 Evaluación 62</p><p>2.7 Decisiones basadas en análisis éticos 62</p><p>2.7.1 El utilitarismo y las teorías deontológicas 63</p><p>2.7.2 Ética ambiental y valor instrumental 65</p><p>2.7.3 Ética ambiental y valor intrínseco 66</p><p>2.7.4 Ética ambiental y espiritualidad 70</p><p>2.7.5 Observaciones finales 71</p><p>2.8 Continuidad en las decisiones de la ingeniería 71</p><p>CAPÍTULO 3</p><p>Cálculos en la ingeniería 79</p><p>3.1 Dimensiones y unidades en la ingeniería 80</p><p>3.1.1 Densidad 80</p><p>3.1.2 Concentración 81</p><p>3.1.3 Tasa de flujo 83</p><p>3.1.4 Tiempo de retención 85</p><p>3.2 Aproximaciones en los cálculos de la ingeniería 86</p><p>3.2.1 Procedimiento para los cálculos con aproximaciones 86</p><p>3.2.2 Uso de cifras significativas 87</p><p>3.3 Análisis de la información 89</p><p>Contenido ix</p><p>CAPÍTULO 4</p><p>Balances y separaciones de materia 102</p><p>4.1 Balances de materia con un solo material 103</p><p>4.1.1 Separación de las corrientes de flujo de un solo material 104</p><p>4.1.2 Combinación de corrientes de flujo de un solo material 105</p><p>4.1.3 Procesos complejos con un solo material 106</p><p>4.2 Balances de materia con múltiples materiales 114</p><p>4.2.1 Mezclar corrientes de flujo de múltiples materiales 114</p><p>4.2.2 Separación de corrientes de flujo de múltiples materiales 120</p><p>4.2.3 Procesos complejos con múltiples materiales 127</p><p>4.3 Balances de materia con reactores 131</p><p>CAPÍTULO 5</p><p>Reacciones 143</p><p>5.1 Reacciones de orden cero 145</p><p>5.2 Reacciones de primer orden 147</p><p>5.3 Reacciones de segundo orden y de orden no entero 150</p><p>5.4 Vida media y tiempo doble 151</p><p>5.5 Reacciones consecutivas 152</p><p>CAPÍTULO 6</p><p>Reactores 155</p><p>6.1 Modelo de mezcla 156</p><p>6.1.1 Reactores mixtos por lotes 156</p><p>6.1.2 Reactores de flujo estacionario 157</p><p>6.1.3 Reactores de flujo completamente mezclado 158</p><p>6.1.4 Reactores de flujo completamente mezclado en serie 161</p><p>6.1.5 Modelos de mezcla con señales continuas 166</p><p>6.1.6 Reactores de flujo arbitrario 166</p><p>6.2 Modelos de reactores 167</p><p>6.2.1 Reactores mixtos por lotes 167</p><p>6.2.2 Reactores de flujo estacionario 171</p><p>6.2.3 Reactores de flujo completamente mezclado 173</p><p>6.2.4 Reactores de flujo completamente mezclado en serie 175</p><p>6.2.5 Comparación del desempeño del reactor 176</p><p>Contenidox</p><p>CAPÍTULO 7</p><p>Flujos y balances de energía 180</p><p>7.1 Unidades de medición 181</p><p>7.2 Balances de energía y conversión 182</p><p>7.3 Fuentes y disponibilidad de energía 187</p><p>7.3.1 Equivalencia de la energía 188</p><p>7.3.2 Producción de energía eléctrica 189</p><p>CAPÍTULO 8</p><p>Ecosistemas 198</p><p>8.1 Flujos de energía y materia en los ecosistemas 199</p><p>8.2 Influencia humana en los ecosistemas 207</p><p>8.2.1 Efecto de los pesticidas en un ecosistema 207</p><p>8.2.2 Efecto de los nutrientes en un ecosistema lacustre 208</p><p>8.2.3 Efecto de los desechos orgánicos en un ecosistema de</p><p>corriente 211</p><p>8.2.4 Efecto del diseño en un ecosistema 219</p><p>T E R C E R A P A R T E</p><p>APLICACIONES 225</p><p>CAPÍTULO 9</p><p>Calidad del agua 227</p><p>9.1 Indicadores de la calidad</p><p>ambientales, el</p><p>CR(III) y el Cr(VI) pueden interconvertirse. En suelos que contienen manganeso, el Cr(III) se</p><p>oxida y se convierte en Cr(VI). Si bien la materia orgánica puede reducir el Cr(VI), también</p><p>puede recomponer el Cr(III) y volverlo más soluble, lo que facilita su transporte en el agua</p><p>subterránea y aumenta las probabilidades de que se encuentre con manganeso oxidado presente</p><p>1.2 Estudios de caso 17</p><p>en el suelo. En razón de la naturaleza heterogénea de los suelos, estas reacciones de reducción</p><p>y oxidación pueden ocurrir en forma simultánea.</p><p>Los límites para la limpieza del cromo se basaron al principio en la dermatitis por con-</p><p>tacto, que era controvertida. Si bien algunas personas la percibían como un reclamo de daño</p><p>legítimo, otras propusieron en broma límites regulatorios a la hiedra venenosa, que también la</p><p>ocasiona. La metodología con la que se determinaron los límites de cromo en el suelo, sobre</p><p>la base de la dermatitis, fue atacada por quienes cuestionaban la validez de las pruebas con</p><p>parches cutáneos y las inferencias por las cuales los resultados de las mismas se traducen en</p><p>niveles de Cr(VI) en el suelo.</p><p>Durante la controversia se desarrollaron algunas tecnologías útiles en la solución de la</p><p>polémica. Por ejemplo, se crearon pruebas analíticas para medir y distinguir entre el CR(III) y</p><p>el Cr(VI) en los suelos. Desde que comenzó el problema en Nueva Jersey, los ensayos resultaron</p><p>poco confiables y se había presentado la necesidad de rehabilitar el suelo con base en el cromo</p><p>total. Otros avances técnicos y científicos incluyeron estrategias de rehabilitación diseñadas</p><p>para reducir químicamente el Cr(VI) a Cr(III) a fin de disminuir el riesgo sin excavar o eliminar</p><p>suelo designado como residuo peligroso.</p><p>La frustración debido a la lentitud en la limpieza y lo que los ciudadanos percibían como</p><p>ambigüedades de los científicos culminó en la extraña medida de enmendar la Constitución</p><p>estatal a fin de destinar fondos para la limpieza de los residuos peligrosos. Los ambientalis-</p><p>tas del estado describieron la enmienda constitucional como un referendo sobre la trayectoria</p><p>ambiental de la gobernadora Christine Todd Whitman (R), que relajó la aplicación y redujo las</p><p>limpiezas. (Posteriormente, Whitman fue directora de la USEPA en la administración del presi-</p><p>dente George W. Bush.)</p><p>El cromo también es un factor de responsabilidad en la exitosa película Erin Brockovich,</p><p>protagonizada por Julia Roberts y Albert Finney (figura 1.3). Erin Brockovich (Julia Roberts)</p><p>era una defensora pública dedicada y entusiasta, poco sofisticada en sutilezas legales, quien</p><p>Figura 1.3 Escena de Erin Brockovich, protagonizada por Julia Roberts y Albert Finney.</p><p>©</p><p>E</p><p>ve</p><p>re</p><p>tt</p><p>c</p><p>o</p><p>lle</p><p>ct</p><p>io</p><p>n</p><p>Capítulo 1 Identificación y resolución de problemas ambientales18</p><p>ayudó a ganar una resolución importante en relación con la contaminación de las aguas subte-</p><p>rráneas por cromo en torno a un sitio industrial.</p><p>Preguntas para reflexionar</p><p>1. Con base en lo que sabe usted sobre el tema, ¿qué escrúpulos tendría para tomar un</p><p>suplemento de cromo junto con sus vitaminas?</p><p>2. Suponga que es residente de Jersey City. ¿Cuáles serían las tres preguntas de investi-</p><p>gación a las que le gustaría que se diera respuesta? Asegúrese de que sean preguntas</p><p>razonables para las que sea posible hallar respuestas con investigaciones químicas, bio-</p><p>lógicas o epidemiológicas.</p><p>3. ¿Es posible que algo sea benéfico para la salud humana en dosis bajas, pero perjudicial</p><p>en dosis elevadas? Mencione por lo menos tres sustancias químicas que serían benéfi-</p><p>cas y perjudiciales, dependiendo de la dosis. ¿Puede algo ser benéfico en dosis elevadas</p><p>y perjudicial en dosis bajas?</p><p>1.2.5 El descubrimiento del tratamiento biológico</p><p>de las aguas residuales</p><p>Antes de 1890, la precipitación química en la tierra de labranza era el método estándar de trata-</p><p>miento de las aguas residuales en Inglaterra.8 La opción más común era dejar que los residuos</p><p>se volvieran anaeróbicos en lo que ahora denominamos tanques sépticos. Esa putrefacción se</p><p>consideraba un proceso puramente químico pues la naturaleza física de los residuos se mo-</p><p>dificaba de manera evidente. El efluente de los tanques sépticos después se precipitaba en un</p><p>proceso químico y el lodo en que ese sedimento se convertía se aplicaba a la tierra de labranza</p><p>o se transportaba en barcos de sedimentos sépticos hacia el mar. El efluente tratado de manera</p><p>parcial se descargaba en los arroyos, en donde generaba graves problemas de olor.</p><p>En aquel entonces, el Consejo Metropolitano de Obras de Londres, entre cuyas diversas</p><p>responsabilidades estaba la limpieza del río Támesis, prestaba los servicios públicos de la</p><p>capital inglesa. El ingeniero en jefe de esta organización era Joseph Bazalgette, quien abordó</p><p>©</p><p>H</p><p>u</p><p>lt</p><p>o</p><p>n</p><p>-D</p><p>e</p><p>u</p><p>ts</p><p>ch</p><p>/</p><p>C</p><p>O</p><p>R</p><p>B</p><p>IS</p><p>Figura 1.4 Antigua construcción de un sistema de alcantarillado.</p><p>1.2 Estudios de caso 19</p><p>©</p><p>R</p><p>oy</p><p>al</p><p>S</p><p>o</p><p>ci</p><p>e</p><p>ty</p><p>o</p><p>f</p><p>C</p><p>iv</p><p>il</p><p>E</p><p>n</p><p>g</p><p>in</p><p>e</p><p>e</p><p>rs</p><p>el problema de la calidad del agua del Támesis desde una perspectiva de ingeniería que en esa</p><p>época era perfectamente racional. Si el problema eran los malos olores en Londres, ¿por qué</p><p>no construir largos colectores a lo largo de ambas riberas del Támesis y descargar las aguas resi-</p><p>duales lejos, río abajo (figura 1.4)? Aunque esta solución era costosa, se adoptó y la ciudad gastó</p><p>grandes cantidades de dinero para llevar las aguas residuales a Barking Creek en la ribera norte</p><p>y a Crossness Point en la ribera sur. La idea era reunir el sistema de alcantarillas en estos sitios</p><p>centrales y luego tratar de generar un producto útil, como fertilizante. Ninguno de los esquemas</p><p>de reciclamiento se cristalizó y las aguas residuales sin tratar se descargaron de los desagües en</p><p>el bajo Támesis. Debido a que el río, en el sitio de los desagües, es un estuario que obedece a un</p><p>régimen de mareas, el plan inicial era descargar las aguas residuales sólo durante la marea baja;</p><p>por desgracia, tenían que descargarse de manera continua y la marea alta traía los residuos hedion-</p><p>dos de regreso a la ciudad, lo que ejerció una gran presión en los políticos para que hicieran algo.</p><p>Se consideraron varias soluciones; una era simplemente continuar con los colectores y</p><p>ampliarlos hasta el Mar del Norte, pero esto resultaba prohibitivo por costoso. Otra solución era</p><p>rociar las aguas residuales en la tierra, pero la cantidad de tierra que debía comprarse sobrepa-</p><p>saba con mucho el presupuesto del Consejo de Obras. El problema exigía un nuevo modelo, que</p><p>llegaría de una ciencia emergente: la microbiología.</p><p>El químico en jefe que trabajaba para el Consejo de Obras en ese entonces era William</p><p>Joseph Dibdin (figura 1.5). Dibdin, hijo autodidacta de un pintor de retratos, empezó a trabajar</p><p>con el consejo en 1877 y ascendió a químico en jefe en 1882, pero con responsabilidades de in-</p><p>geniero en jefe. Al buscar una solución para el problema de la eliminación de las aguas residua-</p><p>les en los desagües de Barking Creek y Crossness, inició una serie de experimentos con ayuda</p><p>de varias sustancias químicas floculantes (como alumbre, cal y cloruro férrico) para precipitar</p><p>los sólidos antes de descargarlos en el río. Esto no era nuevo, por supuesto, pero Dibdin descu-</p><p>Figura 1.5 William Dibdin (1850-1925).</p><p>Capítulo 1 Identificación y resolución de problemas ambientales20</p><p>brió que utilizar sólo un poco de alumbre y cal era tan efectivo como usar mucho, conclusión</p><p>que resultó atractiva para el Consejo Metropolitano, preocupado por los costos.</p><p>Dibdin reconocía que el proceso de precipitación no eliminaba la demanda de oxígeno,</p><p>y en apariencia uno de los integrantes de su personal, un químico de nombre August Dupré,</p><p>lo convenció de que era necesario mantener los niveles de oxígeno positivos en el agua para</p><p>impedir los olores. Dibdin decidió agregar permanganato de sodio (o permanganato sódico)</p><p>al agua</p><p>para reponer los niveles de oxígeno. Dado que las recomendaciones de Dibdin eran</p><p>bastante menos costosas que las otras opciones, el Consejo de Obras secundó este esquema.</p><p>El plan de Dibdin se adoptó, y en 1885 comenzó la construcción de las obras de trata-</p><p>miento de aguas residuales en el desagüe de Barking. En virtud del grado de malentendidos</p><p>que se generaron en ese entonces, hubo muchas personas que dudaban de que el esquema de</p><p>Dibdin funcionara, de modo que éste tuvo que defender continuamente su proyecto. De nuevo</p><p>arguyó que la adición del permanganato de sodio era necesaria para mantener el olor en un</p><p>nivel bajo, y explicó esto señalando que era preciso mantener saludables a los microorganis-</p><p>mos aeróbicos. Christopher Hamlin, historiador en la Universidad de Notre Dame, escribió de</p><p>modo abundante sobre las condiciones de salubridad victorianas y consideraba que ésta era</p><p>una racionalización de Dibdin y que éste aún no tenía una comprensión cabal del tratamiento</p><p>biológico. Sin embargo, cuanto más lo refutaban sus detractores, más defendía la benéfica</p><p>actividad microbiológica aeróbica en el agua porque ésta era una contribución suya en verdad</p><p>única que no podía refutarse.</p><p>Cuando Dibdin empezaba a realizar sus experimentos en el desagüe, Dupré, refugiado po-</p><p>lítico alemán y químico especializado en salud pública, llevaba a cabo otros con microorganis-</p><p>mos aeróbicos. Dupré sostenía que los diminutos microorganismos aeróbicos limpiaban los ríos</p><p>y, por tanto, podían utilizarse para tratar las aguas residuales. Trataba de compartir con Dibdin</p><p>la idea de la acción microbiana. En una carta dirigida a éste, Dupré escribió: “La destrucción</p><p>de la materia orgánica descargada en el río por el sistema de alcantarillado la logran casi por</p><p>completo los diminutos organismos. Sin embargo, estos organismos sólo pueden realizar su</p><p>labor en presencia de oxígeno, y cuanto más se les proporcione, más rápida es la destrucción.”8</p><p>Después, en un discurso dirigido a la Real Sociedad de Artes, Dupré señaló que “nuestro trata-</p><p>miento debería ser de tal modo que se evitara matar a estos organismos o incluso obstaculizar</p><p>sus acciones, sino más bien hacer todo lo posible por favorecer su benéfica labor”.</p><p>Pero Dibdin y Dupré no convencieron por completo al Consejo de Obras de que sus</p><p>ideas eran correctas. Muchos científicos, pensando aún en los males del mundo microbiano,</p><p>sostenían que el control de los olores sólo podía lograrse matando a los microorganismos.</p><p>Estos científicos se las arreglaron en 1887 para arrebatar a Dibdin la dirección de las obras</p><p>de tratamiento e iniciaron en el verano un control sobre la desodorización propuesto por un</p><p>colega profesor y que consistía en un tratamiento antiséptico con ácido sulfúrico y cloruro de</p><p>cal. Este proceso fracasó; Dibdin fue reivindicado y el procedimiento con medios biológicos</p><p>se convirtió en la norma para todas las plantas de tratamiento de aguas residuales municipales.</p><p>Preguntas para reflexionar</p><p>1. ¿Cómo se salvó la civilización humana en el libro La guerra de los mundos de H. G.</p><p>Wells (escrito en 1898)? ¿Por qué se tenía esa sensación?</p><p>2. Durante el siglo xix, el río Támesis era el único receptor de todas las aguas residuales</p><p>de Londres. No había plantas de tratamiento de aguas negras; los excrementos hu-</p><p>manos se recolectaban en letrinas y se transportaban en carros hacia las granjas. Con</p><p>frecuencia estas letrinas se agrietaban o se conectaban de manera subrepticia con las</p><p>1.2 Estudios de caso 21</p><p>alcantarillas de aguas pluviales que se vaciaban directamente en el río. Los olores del Tá-</p><p>mesis era tan desagradables que la Cámara de los Comunes, que se reunía en el edificio</p><p>del Parlamento ubicado junto al río, tenía que rellenar con trapos remojados en cloruro de</p><p>cal [hipoclorito de calcio, Ca(ClO)</p><p>2</p><p>·4H</p><p>2</p><p>O] las rendijas de los postigos para proteger-</p><p>se del horrible hedor. Los caballeros portaban granadas rellenas de clavo para enmas-</p><p>carar los olores. Los excrementos de los comerciantes simplemente se vertían en las</p><p>calles, de donde la lluvia los lavaba y los llevaba a las alcantarillas. Shambles era</p><p>la calle en la que los carniceros vendían sus mercaderías y donde dejaban que los des-</p><p>perdicios se pudrieran. Al final, el nombre de la calle (shambles significa “caos”) se con-</p><p>virtió en una palabra común para designar cualquier revoltijo de grandes proporciones.</p><p>En una ocasión, un domingo despejado, se celebraba una fiesta privada en una barcaza</p><p>sobre el Támesis cuando de pronto la embarcación se volteó y todos sus tripulantes</p><p>cayeron al agua. Nadie se ahogó, pero casi todos enfermaron de cólera como resultado</p><p>de haber nadado en el agua contaminada. La mayoría de los arroyos que alimentaban el</p><p>Támesis estaban bordeados de excusados exteriores que sobresalían del río. En suma,</p><p>las condiciones eran abominables. ¿Por qué, entonces, pocas veces leemos, si acaso,</p><p>sobre estas condiciones en novelas e historias escritas durante esos tiempos? Nadie, por</p><p>ejemplo, va al baño en ninguna de las novelas de Jane Austen y nadie pisa excremento</p><p>en la acera en alguna de las historias de Charles Dickens. ¿Por qué?</p><p>3. Edwin Chadwick inició en la década de 1840 el gran despertar sanitario arguyendo que</p><p>la inmundicia era perjudicial y que la población sería para Inglaterra más valiosa sana</p><p>que enferma. Tenía muchos esquemas para limpiar la ciudad; uno de ellos era construir</p><p>alcantarillas sanitarias de diámetro reducido para sacar las aguas residuales, propuesta</p><p>que no le ganó el aprecio de los ingenieros. De inmediato tuvo lugar una confrontación</p><p>perjudicial entre Chadwick, un abogado y los ingenieros, pues éstos insistían en que sus</p><p>cálculos hidráulicos eran correctos y que las alcantarillas de Chadwick se taparían, se co-</p><p>lapsarían o, en todo caso, serían inadecuadas. Los ingenieros querían construir alcantari-</p><p>llas de ladrillo en forma ovalada y de gran diámetro que permitieran el acceso humano.</p><p>Sin embargo, éstas eran tres veces más costosas que los conductos de arcilla vitrificada</p><p>de Chadwick. ¿Quién ganó al final y por qué?</p><p>1.2.6 La barcaza de la basura</p><p>La conciencia sobre los problemas derivados de los desechos sólidos municipales se acentuó</p><p>debido a la saga de la barcaza de la basura.9 Transcurría el año de 1987, y una barcaza llamada</p><p>Mobro se había cargado en Nueva York con residuos sólidos municipales, pero no encontraba</p><p>dónde desembarcarlos. En razón de que desecharla en el mar era ilegal, se la llevaba con re-</p><p>molque de un puerto a otro, pero en seis estados y en tres países se rechazaron las súplicas del</p><p>capitán para desembarcar el cargamento indeseado (figura 1.6).</p><p>Los medios de comunicación señalaron este desafortunado incidente y pregonaron a los cua-</p><p>tro vientos la llamada crisis de la basura a quienquiera que los escuchara. Los reporteros afilaban</p><p>sus mejores hipérboles señalando que la barcaza no podía desembarcar porque todos los verte-</p><p>deros estaban en su límite y Estados Unidos pronto se llenaría de desperdicios sólidos de costa a</p><p>costa. A menos que se hiciera algo pronto, afirmaban, todos se ahogarían en la basura.</p><p>La anécdota del desventurado Mobro es en realidad la historia de una empresa audaz</p><p>que resultó decepcionante. Un hombre de negocios de Alabama, Lowell Harrelson, quería</p><p>construir una instalación para convertir los residuos municipales en gas metano, y recono-</p><p>ció que empacarlos sería la mejor forma para ese fin. Compró las pacas de desechos sólidos</p><p>Capítulo 1 Identificación y resolución de problemas ambientales22</p><p>municipales de la ciudad de Nueva York con la intención de encontrar un vertedero en algu-</p><p>na parte de la costa este o del Caribe donde pudiera depositar las pacas y empezar a elaborar</p><p>metano. Por desgracia, en varios municipios se le negaron los permisos apropiados para llevar</p><p>los residuos y la autorización para que la barcaza descargara. Conforme continuó la travesía, la</p><p>cobertura</p><p>de la prensa creció y, en consecuencia, ningún político local permitió que la basura</p><p>entrara en sus puertos. El pobre Harrelson tuvo que quemar su inversión en un incinerador de</p><p>Brooklyn.</p><p>Por supuesto, nunca se generó la crisis de la basura. Grandes corporaciones dedicadas a</p><p>la eliminación de desechos construyeron enormes vertederos en zonas remotas y compitieron</p><p>por los residuos sólidos municipales de la costa este. Sin embargo, los emprendedores siguen</p><p>buscando formas de obtener valor de la basura.</p><p>Preguntas para reflexionar</p><p>1. ¿Cuál es el destino de los desechos sólidos municipales (o basura, en términos popula-</p><p>res) en su comunidad o población natal?</p><p>2. ¿Los desechos sólidos municipales (la basura) constituyen un material peligroso? ¿Qué</p><p>elementos constitutivos de la basura la convertirían en un material peligroso? ¿Qué tipos</p><p>de desechos debería impedirse que se mezclen con la basura normal y cómo se haría esto?</p><p>©</p><p>A</p><p>P</p><p>/ W</p><p>id</p><p>e</p><p>W</p><p>o</p><p>rl</p><p>d</p><p>P</p><p>h</p><p>o</p><p>to</p><p>s</p><p>Figura 1.6 La barcaza de la basura.</p><p>1.3 Sostenibilidad y diseño de cuna a cuna 23</p><p>3. Harrelson, el propietario de la barcaza de la basura, tenía buenas intenciones. Quería</p><p>utilizar los desperdicios para generar metano, un producto útil. ¿Los diversos gobiernos</p><p>de Estados Unidos y otros países debieron haber sido más flexibles en virtud de que sus</p><p>intenciones eran admirables? ¿Cuáles podrían ser las respuestas gubernamentales apro-</p><p>piadas y correctas para las dificultades de los ciudadanos privados, como Harrelson?</p><p>1.3 SOSTENIBILIDAD Y DISEÑO DE CUNA A CUNA</p><p>La prosperidad del mundo occidental puede considerarse en gran medida producto de la Revo-</p><p>lución Industrial. Si bien la industrialización de los dos últimos siglos produjo enormes bene-</p><p>ficios, también nos legó consecuencias negativas indeseadas: enormes cantidades de desechos,</p><p>agotamiento de los recursos naturales y contaminación de las personas y los ecosistemas con</p><p>sustancias tóxicas dispersas por todo el planeta.</p><p>La Revolución Industrial se basa en parte en el modelo de cuna a cuna con un esquema de</p><p>“toma, haz y desecha”. Los recursos pasan de ser materias primas a productos y luego a resi-</p><p>duos en un periodo muy breve. Si bien un producto en sí puede idearse para su consumo rápido,</p><p>puede generar desechos que permanecen en el entorno durante cientos de años. Por ejemplo,</p><p>algunos alimentos sólo permanecen frescos durante algunos días, pero se empacan en materia-</p><p>les que se descomponen en el ambiente mediante procesos naturales durante cientos de años.</p><p>En las últimas décadas, científicos, ingenieros y organismos normalizadores han empezado a</p><p>ocuparse de las deficiencias de este modelo no sostenible y a definir y experimentar con lo que</p><p>sería deseable.</p><p>Muchas personas miran hacia la naturaleza en busca de inspiración y modelos de formas</p><p>más sostenibles para crear y manejar las sustancias químicas y los productos en la sociedad. El</p><p>manejo de materiales sostenibles (SMM; sustainable materials management) ha surgido como</p><p>un método para fomentar su uso, “integrar acciones cuyo objetivo es la reducción de los im-</p><p>pactos ambientales negativos y preservar el capital natural durante todo el ciclo de vida de los</p><p>materiales, tomando en cuenta la eficiencia económica y la equidad social”.10</p><p>1.3.1 Marco para la sostenibilidad</p><p>En 1989 surgió en Suecia un marco para la sostenibilidad llamado “El paso natural”, gracias a</p><p>los esfuerzos del doctor Karl-Henrik Robèrt, un connotado oncólogo sueco.11 Este marco ofrece</p><p>un conjunto de cuatro condiciones sistémicas que definen a una sociedad sostenible sobre la</p><p>base de las leyes de la termodinámica y de los ciclos naturales. En las Condiciones del Sistema</p><p>del Paso Natural, se considera la Tierra como un sistema cerrado en cuanto a los materiales y</p><p>abierto en el caso de la energía que sustenta la vida, por medio de una red de interacciones com-</p><p>plejas de los ciclos naturales que se valen de la energía solar para contrarrestar la tendencia de</p><p>los materiales a disiparse y, por lo demás, a aumentar en entropía.</p><p>Por tanto, para que la sociedad sea sostenible, la naturaleza no debe someterse a los si-</p><p>guientes procesos cada vez más sistemáticos:11</p><p>1. Extracción de concentraciones de sustancias de la corteza terrestre. Esta condición se</p><p>refiere a la extracción de minerales y combustibles fósiles. Las sustancias que son esca-</p><p>sas en la naturaleza deberían sustituirse por otras que sean más abundantes. Los materia-</p><p>les extraídos de las minas deberían utilizarse en forma eficiente y reciclarse, y reducirse</p><p>en forma sistemática la dependencia de los combustibles fósiles.</p><p>Capítulo 1 Identificación y resolución de problemas ambientales24</p><p>2. Acumulación de concentraciones de compuestos hechos por el hombre en la natura-</p><p>leza. Esta condición alude a la manufactura de compuestos persistentes e innaturales.</p><p>Dichos compuestos deberían reemplazarse por los que de manera natural son abundan-</p><p>tes o que se descomponen en forma completa y fácil en la naturaleza. Todas las sustan-</p><p>cias producidas por la sociedad deberían utilizarse en forma eficiente.</p><p>3. Utilización de recursos renovables a ritmos más rápidos de los que se regeneran y</p><p>reducción de la capacidad productiva de la naturaleza. Esta condición se refiere al uso</p><p>de los recursos naturales, los cuales deberían extraerse sólo de los ecosistemas que se</p><p>manejan debidamente, buscando en forma sistemática los usos más productivos y sos-</p><p>tenibles tanto de esos recursos como de la tierra, y extremar precauciones en todo tipo</p><p>de modificación de la naturaleza.</p><p>Y en esa sociedad:</p><p>4. La gente es capaz de satisfacer sus necesidades en todo el mundo. Esta condición sig-</p><p>nifica utilizar todos nuestros recursos en forma eficiente, efectiva, justa y responsable,</p><p>de modo que las necesidades de todas las personas, incluidas las futuras generaciones,</p><p>tengan mayores posibilidades de cubrirse.</p><p>1.3.2 Diseño de cuna a cuna</p><p>Una de las principales estrategias prácticas para lograr el manejo de los materiales sostenibles</p><p>es la actividad industrial positiva llamada diseño de “cuna a cuna”. En la década de 1970, Wal-</p><p>ter Stahel y Michael Braungart acuñaron el término. Al inicio, en 1992, Braungart y colabora-</p><p>dores trazaron de manera sistemática los principios medulares de este diseño como Sistema de</p><p>Producto Inteligente (SPI), y posteriormente, en 2002, Braungart y William McDonough los</p><p>desarrollaron y articularon en su libro Cradle to Cradle: Remaking the Way We Make Things.12</p><p>Al igual que en los sistemas naturales en los que los desechos de unos organismos se convier-</p><p>ten en alimento para otros, el enfoque de cuna a cuna aplica el mismo concepto al diseño de</p><p>la industria humana. El primero define dos metabolismos dentro de los cuales los materiales</p><p>se conciben como nutrientes que circulan entre ellos en forma benigna y productiva: el ciclo</p><p>de los nutrientes biológicos dentro de los metabolismos biológicos y el ciclo de los nutrientes</p><p>técnicos dentro de los metabolismos técnicos.</p><p>El metabolismo biológico es el sistema de procesos naturales que sustenta la vida. Los</p><p>procesos biológicos son cíclicos, se alimentan en última instancia de la energía del Sol e in-</p><p>cluyen la biodegradación (y quizá otras formas de degradación) de los materiales orgánicos y</p><p>su incorporación en los organismos. Los materiales que contribuyen a la productividad de los</p><p>metabolismos biológicos son los nutrientes biológicos. Son renovables, degradables y ecoló-</p><p>gicamente benignos. Los productos de la industria que se elaboran a partir de los nutrientes</p><p>biológicos pueden integrarse en metabolismos naturales o diseñados por medio de la ingenie-</p><p>ría biológica, lo que comprende procesos de tratamiento de agua y sistemas de procesamiento</p><p>orgánico como la composta o la digestión anaeróbica. El producto de los metabolismos bioló-</p><p>gicos puede constituirse con recursos que engendran nuevos nutrientes biológicos, como las</p><p>mejoras</p><p>benéficas para el suelo. Los productos que se pretende liberar en el ambiente deberían</p><p>diseñarse como nutrientes biológicos que sean benignos para el uso que se pretende darles.</p><p>La industria también puede imitar los procesos naturales al crear para ello metabolismos</p><p>técnicos que hagan circular los nutrientes técnicos. Éstos en general no son renovables y son</p><p>valiosos por sus cualidades de desempeño. Algunos ejemplos son los metales como el cobre o</p><p>el aluminio. Cuando se diseñan en los sistemas de cuna a cuna, los nutrientes técnicos pueden</p><p>recuperarse y reciclarse una y otra vez (sin degradar su calidad ni perjudicar a quienes los</p><p>1.3 Sostenibilidad y diseño de cuna a cuna 25</p><p>manejan) en productos similares o disímiles. Algunas empresas consideran que los materiales</p><p>de sus productos son tan valiosos que incluso realizan programas de arrendamiento en los que</p><p>esencialmente el fabricante arrienda los productos al cliente hasta que éste ya no los requiere.</p><p>Luego el fabricante los recuperará para transformar sus materiales y componentes valiosos en</p><p>nuevos productos. Los nutrientes técnicos pueden diseñarse para su reutilización dentro de una</p><p>compañía o entre empresas de sectores similares o distintos, dependiendo del material. Los</p><p>productos elaborados a partir de los nutrientes técnicos deberían diseñarse para facilitar la recu-</p><p>peración del material en su valor más alto con un gasto mínimo de energía y costo.</p><p>El diseño de cuna a cuna, como lo describen McDonough y Braungart, utiliza un modelo</p><p>de la industria humana basado en tres principios derivados de los sistemas naturales.</p><p>1. Uso del insumo solar actual. Salvo contadas excepciones, la vida en la Tierra se ali-</p><p>menta, a final de cuentas, de la energía del Sol. Apenas empezamos a ampliar nuestra</p><p>capacidad para aprovechar la energía solar, directa e indirectamente, para fines humanos.</p><p>2. Celebración de la diversidad. Los sistemas naturales prosperan en la riqueza y la diver-</p><p>sidad. De igual modo, la industria debería fomentar el desarrollo de productos diversos</p><p>que correspondan a diferentes preferencias, culturas, geografías y ecosistemas.</p><p>3. Los desperdicios equivalen a alimento. En la naturaleza no hay desperdicios. El producto</p><p>de un organismo es el alimento o la estructura de otro. Los sistemas humanos también</p><p>pueden diseñarse para hacer que los materiales circulen en forma productiva, eliminando</p><p>así el concepto de desecho.</p><p>Algunas personas exigen que haya una estrategia de ecoeficiencia: reducir la cantidad de recur-</p><p>sos utilizados y generar menos desechos en las actividades industriales. Pero la ecoeficiencia</p><p>por sí sola no es una estrategia suficientemente sólida para la sostenibilidad. Las mejoras en</p><p>la ecoeficiencia se ven rebasadas por los incrementos en la demanda. Por ejemplo, la mejora</p><p>en la eficiencia del combustible de los automóviles se ha visto menguada por un aumento en la</p><p>cantidad de vehículos en las calles y la cantidad de millas (o kilómetros) recorridos. Piense en</p><p>la ecoeficiencia como una forma de hacer que la pérdida de recursos sea más lenta, en forma</p><p>similar a la ayuda que se presta para que una herida sangre con lentitud a fin de que no haya una</p><p>hemorragia. El diseño de cuna a cuna exige una ecoefectividad, lo que es análogo a curar</p><p>una herida y reforzar la salud de todo el cuerpo. La ecoefectividad se relaciona con el incremen-</p><p>to de los flujos de materiales cíclicos (de ahí el término “efectividad”), de modo que el desecho</p><p>equivalga a alimento.</p><p>Al rediseñar la industria sobre la base de los modelos naturales, la actividad económica</p><p>refuerza, en lugar de comprometer, la prosperidad social y ambiental. Si bien esto quizá se con-</p><p>sidere un castillo en el aire, hay algunos beneficios no buscados de la utilización del enfoque de</p><p>cuna a cuna como estrategia de diseño. Primero, impulsa la innovación. Los negocios siempre</p><p>buscan nuevas ideas y formas para distinguirse, agregar valor a sus productos y, por supuesto,</p><p>obtener más ganancias. El diseño de cuna a cuna estimula las ideas novedosas y la creatividad.</p><p>De acuerdo con Roger McFadden, ahora director científico y vicepresidente de ciencia y tec-</p><p>nología de productos de Corporate Express A Staples Company: “Los fabricantes de productos</p><p>químicos deberían reconocer la oportunidad que el movimiento en favor de la sostenibilidad</p><p>crea para la innovación. Es emocionante en parte porque fomenta la innovación de productos</p><p>reales y la creación de formulaciones de materias primas nuevas después de un largo periodo de</p><p>cambios graduales.”13</p><p>¿Cuáles son los beneficios de los productos diseñados en los sistemas de cuna a cuna? Por</p><p>lo pronto, el público tiene un ánimo ecológico cada vez mayor. Si se presenta la oportunidad</p><p>de comprar dos productos con desempeño y precio similares, ¿quién no preferiría comprar el</p><p>Capítulo 1 Identificación y resolución de problemas ambientales26</p><p>que tiene sustancias químicas ecológicas y un embalaje innovador que elimine los desechos? El</p><p>enfoque de cuna a cuna también conduce la creatividad hacia nuevos modelos de negocios. Por</p><p>ejemplo, los productos diseñados como nutrientes técnicos pueden concebirse como productos</p><p>de servicio. Si lo piensa, ¿la gente en realidad necesita poseer computadoras o televisores?</p><p>(Con seguridad usted cree que ahora estamos soñando, ¿no es cierto?) Lo que la gente en ver-</p><p>dad quiere es tener posibilidades de costear y elegir el equipo con la mayor calidad posible</p><p>para su gozo irrestricto en la privacidad de su hogar (u oficina). Si cuando usted estuviera lis-</p><p>to para cambiar de modelo supiera que podría devolver de manera conveniente el producto al</p><p>fabricante y que sus componentes se reutilizarían o se reharían, ¿le importaría? Predecimos</p><p>que no, sobre todo si la devolución genera valor para usted, como reembolsos o descuentos</p><p>para el próximo artículo de servicio que usted desee.</p><p>Las ideas del modelo de cuna a cuna pueden convertirse en una segunda naturaleza de los</p><p>ingenieros ambientales, quienes se encargan de proteger tanto la salud humana como el ambien-</p><p>E N F O Q U E</p><p>La silla para oficina Mirra de Herman Miller fue la</p><p>primera en su tipo creada para fluir en ciclos técnicos</p><p>según los principios del diseño de cuna a cuna. La</p><p>silla fue resultado de la colaboración entre Herman</p><p>Miller, McDonough Braungart Design Chemistry,</p><p>Studio 7.5 y EPEA Internationale Umweltforschung</p><p>GmbH. La meta era sincronizar el desarrollo del pro-</p><p>ducto con el diseño de cuna a cuna.</p><p>El equipo creó una herramienta de evalua-</p><p>ción de productos en su Diseño para el Ambiente</p><p>(DpA) a fin de valorar el desempeño ambiental de</p><p>los nuevos diseños en tres ámbitos fundamentales:</p><p>química de materiales, desmontaje y capacidad</p><p>para ser reciclado. La evaluación de la química de</p><p>materiales comprende tres etapas medulares:</p><p>1. Identificación de todas las sustancias quími-</p><p>cas en un material que se utilizó para fabricar</p><p>un producto (como el eje de acero en una si-</p><p>lla) hasta 100 ppm.</p><p>2. Evaluación de los peligros que representan</p><p>las sustancias químicas del material.</p><p>3. Asignación del material a la categoría verde,</p><p>amarilla, anaranjada o roja sobre la base de que</p><p>verde representa un peligro menor o nulo</p><p>amarillo es un peligro entre bajo y moderado</p><p>anaranjado son los datos incompletos</p><p>rojo representa un peligro sumamente</p><p>elevado</p><p>El desmontaje se refiere a la facilidad para des-</p><p>componer un producto final (como la silla para</p><p>oficina) en las partes que lo constituyen con fines</p><p>de reciclaje o reutilización. Al evaluar la capaci-</p><p>dad para ser reciclado, se considera si una de las</p><p>partes contiene material que se ha usado antes y,</p><p>más importante, si es posible reciclarla al final de</p><p>la vida útil del producto.</p><p>La silla Mirra se diseñó para ciclos técni-</p><p>cos como producto de servicio. Como sucede con</p><p>los nutrientes en el mundo natural, los materiales</p><p>en los ciclos técnicos son nutrientes en</p><p>el mun-</p><p>do industrial y pueden utilizarse muchas veces.</p><p>La EPEA analizó los materiales empleados en la</p><p>silla Mirra en Hamburgo, Alemania. Los que eran</p><p>tóxicos o incapaces de fluir en un ciclo técnico se</p><p>eliminaron del diseño. De las sustancias químicas</p><p>y los materiales elegidos, 69% se considera en la</p><p>categoría verde. Respecto al reciclaje, la silla con-</p><p>tiene 42% de peso de material reciclado antes y</p><p>después del consumo y 96% de su peso es recicla-</p><p>ble. En lo que atañe al desmontaje, 93% del peso</p><p>del producto puede desarmarse con facilidad, lo</p><p>que se necesita para facilitar el reciclaje.</p><p>Diseño de productos para ciclos técnicos: la silla para</p><p>oficina Mirra de Herman Miller14, 15</p><p>Notas finales 27</p><p>te y aprenden a diseñar sistemas de flujo de materiales para elementos como el agua o las aguas</p><p>residuales. En lugar de tratar los desechos al final de la cañería, los ingenieros ambientales pue-</p><p>den valerse de las herramientas comerciales para diseñar de antemano sistemas sostenibles que</p><p>reutilicen los recursos valiosos sin degradar su calidad en el tiempo. Aunque no negamos la</p><p>presencia actual de una infraestructura no sostenible, esto no debería impedirnos mejorar los</p><p>diseños y aplicar las ideas del modelo de cuna a cuna a medida que estos sistemas envejezcan</p><p>y necesiten sustituirse y se readquieran sistemas nuevos. Vale la pena pensar en los diseños (y</p><p>sus características) del pasado como prototipos para otros cada vez mejores. Como ilustra el</p><p>producto que se describe en el recuadro de este capítulo, el diseño determina las opciones del</p><p>material al final de su vida. Los ingenieros pueden influir en la eficacia de la infraestructura al</p><p>entender e incidir en el diseño de los productos y no considerar uno sin el otro.</p><p>Preguntas para reflexionar</p><p>1. ¿Qué valor se deriva de los desechos biológicos humanos como las aguas residuales? Si</p><p>el desperdicio equivale a alimento en el caso de los desechos biológicos humanos, ¿qué</p><p>nos impide optimizar su valor?</p><p>2. ¿Cuáles son los desafíos de la ingeniería actual en relación con los sistemas de tratamien-</p><p>to de agua y de aguas residuales? ¿Cómo podrían diseñarse en forma sostenible?</p><p>NOTAS FINALES</p><p>1. USEPA (2008). ¿Qué es la ingeniería ecológica?</p><p>Visite http://www.epa.gov/oppt/greenenginee-</p><p>ring/pubs/whats_ge.html del 8 de diciembre de</p><p>2008.</p><p>2. Abraham, Martin A. (2006). Sustainability</p><p>Science and Engineering: Defining the Princi-</p><p>ples. Ámsterdam: Elsevier.</p><p>3. Anastas, P. T. y J. B. Zimmerman (2003). De-</p><p>sign through the Twelve Principles of Green</p><p>Engineering. Env. Sci. and Tech., 37, núm. 5.</p><p>4. Morse, J. L. (1972). The Holy Cross College</p><p>football team hepatitis outbreak. Journal of the</p><p>American Medical Association, 219: 706-7.</p><p>5. Phelps, E. B. (1948). Public Health Enginee-</p><p>ring. Nueva York: John Wiley & Sons.</p><p>6. Shrenk, H. H., H. Heimann, G. D. Clayton, W.</p><p>M. Gafafer y H. Wexler (1949). Air Pollution in</p><p>Donora, PA. Public Health Bulletin, núm. 306.</p><p>Washington, DC: U. S. Public Health Service.</p><p>7. Bartlett, L. y P. A. Vesilind (1998). Expediency</p><p>and human health: The regulation of environ-</p><p>mental chromium. Science and Engineering</p><p>Ethics 4: 191-201.</p><p>8. Vesilind, P. A. (2001). Assisting nature: William</p><p>Dibdin and biological wastewater treatment.</p><p>Water Resources Impact 2, núm. 3.</p><p>9. Perlman, S. (1998, 21 de junio). Barging into a</p><p>trashy saga. Newsday.</p><p>10. ENV/EPOC/WGWPR/RD(2005)5/FINAL Or-</p><p>ganización para la Cooperación y el Desarrollo</p><p>Económico, 27 de septiembre de 2007, Grupo</p><p>de trabajo sobre Resultados de Prevención y Re-</p><p>ciclamiento de Desechos del Primer Taller de la</p><p>OCDE sobre Manejo de Materiales Sostenibles,</p><p>Seúl, Corea, 28 a 30 de noviembre de 2005.</p><p>11. http://www.naturalstep.org/com/nyStart/</p><p>12. McDonough, William y M. Braungart, 2002.</p><p>Cradle to Cradle: Remaking the Way We Make</p><p>Things. Nueva York: North Point Press.</p><p>13. Comunicación personal (2004). Roger</p><p>McFadden, vicepresidente de servicios técnicos,</p><p>Coastwide Laboratories.</p><p>14. http://www.epea.com/documents/EPEAProduct.</p><p>Case_MirraChair.pdf.</p><p>15. Clean Production Action (2006). Healthy Bu-</p><p>siness Strategies for Transforming the Toxic</p><p>Chemical Exonomy. Visite http://www.clean-</p><p>production.org/library/CPA-HealthyBusiness-1.</p><p>pdf del 8 de diciembre de 2008.</p><p>S E G U N D A P A R T E</p><p>FUNDAMENTOS</p><p>©</p><p>K</p><p>e</p><p>it</p><p>h</p><p>a</p><p>n</p><p>d</p><p>S</p><p>u</p><p>sa</p><p>n</p><p>M</p><p>o</p><p>rg</p><p>an</p><p>Puente Poinsett, 1820, Carolina del Sur</p><p>Los ingenieros ambientales emplean conceptos fundamentales de diversas disciplinas (biología, química,</p><p>geología, geomorfología, física, etc.) para diseñar soluciones sostenibles duraderas.</p><p>C A P Í T U L O 2</p><p>©</p><p>A</p><p>P</p><p>/ W</p><p>id</p><p>e</p><p>W</p><p>o</p><p>rl</p><p>d</p><p>P</p><p>h</p><p>o</p><p>to</p><p>s</p><p>©</p><p>J</p><p>e</p><p>ff</p><p>re</p><p>y</p><p>M</p><p>.</p><p>Fr</p><p>an</p><p>k/</p><p>S</p><p>h</p><p>u</p><p>tt</p><p>e</p><p>rs</p><p>to</p><p>ck</p><p>Inundación por la falla de una presa</p><p>Escalera de peces</p><p>Decisiones en ingeniería</p><p>Los ingenieros ambientales tienen la enorme responsabilidad de proteger tanto a los seres humanos como</p><p>el ambiente. Nuestras decisiones influyen directamente en las vidas y los ecosistemas, así que debemos</p><p>considerar muchos factores cuando tomamos decisiones.</p><p>31</p><p>Capítulo 2 Decisiones en ingeniería32</p><p>2.1 DECISIONES BASADAS EN ANÁLISIS TÉCNICOS</p><p>En ingeniería pocas veces hay una mejor forma de diseñar algo. En realidad, si la hubiera, la</p><p>ingeniería se estancaría, la innovación cesaría y se generaría una parálisis técnica. Así como</p><p>reconocemos que no hay una sola obra de arte que sea perfecta (digamos, una pintura), tampo-</p><p>co hay una sola planta de tratamiento de agua que lo sea. Si hubiera una planta o una pintura</p><p>perfectas, todas las plantas de tratamiento de agua futuras se parecerían y lo mismo pasaría</p><p>con todas las pinturas.</p><p>Al estudiante de ingeniería se le enseña durante los primeros años de su formación que</p><p>cada tarea y pregunta de examen tienen una sola respuesta correcta y que todas las demás son</p><p>incorrectas. Pero muchas decisiones técnicas, en la práctica, son correctas en cuanto a que el</p><p>problema puede tener muchas soluciones igualmente acertadas. Por ejemplo, una alcantarilla</p><p>puede construirse de concreto, hierro fundido, acero, aluminio, arcilla vitrificada, vidrio o mu-</p><p>chos otros materiales. Con los procedimientos de diseño de ingeniería correctos, esa alcantari-</p><p>lla tendría el flujo de diseño adecuado y, por tanto, sería óptima desde el punto de vista técnico.</p><p>Una de las características de las decisiones técnicas es que otros ingenieros pueden ve-</p><p>rificarlas. Antes de que un bosquejo de diseño abandone un despacho de ingeniería se revisa y</p><p>verifica para asegurar que las decisiones técnicas sean correctas; es decir, que la estructura, la</p><p>máquina o el proceso funcionen según lo esperado si se construyen de acuerdo con las especi-</p><p>ficaciones previstas. Las decisiones técnicas, por tanto, son claramente cuantificables y otros</p><p>ingenieros profesionales competentes pueden evaluarlas y verificarlas.</p><p>La implementación de cualquier proyecto de ingeniería, grande o pequeño, implica toda una</p><p>serie de decisiones que los ingenieros deben tomar. Con frecuencia esto se hace en forma</p><p>deficiente. Sin embargo, una cantidad mucho mayor de decisiones que cientos de miles de in-</p><p>genieros toman cientos de veces al día son correctas y mejoran mucho la civilización humana,</p><p>protegen el ambiente global y fortalecen la integridad de la profesión. Dado que pocas de ellas</p><p>resultan deficientes, la toma de decisiones en este campo es un proceso poco conocido y casi</p><p>nunca se analiza. Con todo, cuando una decisión resulta errónea, los resultados son catastrófi-</p><p>cos. Como señala R. G. Gray (2000), los médicos por lo común sólo dañan a una sola persona</p><p>a la vez, en tanto que los ingenieros tienen el potencial de perjudicar a miles de ellas al mismo</p><p>tiempo cuando diseñan incorrectamente un solo sistema.1 (Véase el capítulo 1.)</p><p>Este capítulo es una revisión de cómo toman decisiones los ingenieros ambientales, en la que</p><p>comenzaremos por describir de</p><p>manera breve las decisiones técnicas, seguido por un análisis de la</p><p>rentabilidad, quizá la segunda herramienta que más se utiliza en la toma de decisiones en el área de</p><p>la ingeniería ambiental y la segunda más cuantificable. Después estudiaremos el uso del análisis</p><p>de costo/beneficio, seguido por una exposición de las decisiones basadas en el análisis de riesgos.</p><p>Yendo aún más lejos, hacia formas más subjetivas de la toma de decisiones, revisaremos el análisis de</p><p>impacto ambiental como una herramienta de la ingeniería. Este capítulo concluye con una introduc-</p><p>ción a la ética y la toma de decisiones ética como se aplica en la ingeniería ambiental.</p><p>EJEMPLO</p><p>2.1 Problema Una población con 1,950 residentes quiere establecer un programa de recolección</p><p>de residuos sólidos (basura) que sea propiedad del municipio y operado por éste. Puede com-</p><p>prar uno de tres posibles camiones que cuentan con las características siguientes:</p><p>Camión A, 24 yd3 (18.35 m3) de capacidad</p><p>Camión B, 20 yd3 (15.3 m3) de capacidad</p><p>Camión C, 16 yd3 (12.23 m3) de capacidad</p><p>2.2 Decisiones basadas en el análisis de rentabilidad 33</p><p>Si el camión recolectará los residuos de una quinta parte de la población a diario durante</p><p>los cinco días hábiles de la semana, entonces en la semana se visitarán todas las residencias</p><p>y el vehículo tendrá que hacer sólo un viaje al día al vertedero. ¿Qué camión (o camiones)</p><p>tendrá(n) la capacidad suficiente?</p><p>Solución Dado que no hay una tasa de generación de residuos sólidos determinada en el caso</p><p>de esta población, hay que suponerla. Demos por hecho una tasa de 3.5 lb (1.59 kg) per cápita</p><p>al día. Entonces, el tonelaje total de residuos sólidos que se recolectará es:</p><p>(1,950 personas)(3.5 lb/cápita/día)(7 días a la semana) = 47,775 lb/semana</p><p>[En kilogramos sería:</p><p>(1,950 personas)(1.59 kg/cápita/día)(7 días/semana) = 21,703.5 kg/semana]</p><p>De eso, cada día se recolectará una quinta parte, o sea 9,555 lb (aproximadamente 4,333 kg).</p><p>Por razones de eficiencia, los camiones de basura compactan los residuos. Suponga que el</p><p>camión es capaz de compactarlos a 500 lb/yd3 (227 kg/m3). La capacidad requerida es</p><p>(9,555 lb/día)/(500 lb/yd3) = 19.1 yd3/día</p><p>[en kilogramos y metros cúbicos:</p><p>(4,333 kg/día)/(227 kg/m3) = 19.08 m3/día]</p><p>Tanto el camión de 24 yd3 (18.35 m3) como el de 20 yd3 (15.3 m3) cuentan con la capacidad</p><p>suficiente, lo que no sucede con el de 16 yd3 (12.23 m3). Advierta que un camión de 19 yd3</p><p>(14.53 m3) también sería insuficiente; este es un caso en el que las cifras se redondean en forma</p><p>ascendente y no descendente.</p><p>Al realizar análisis técnicos, a menudo no contamos con toda la información que se</p><p>necesita para tomar decisiones. Por tanto, debemos establecer premisas. Éstas, por supuesto,</p><p>deben efectuarse utilizando los mejores datos disponibles con un poco (a veces mucho) de</p><p>buen juicio. Por ejemplo, al estimar la tasa de generación de residuos sólidos de la comunidad</p><p>del ejemplo 2.1 habría sido mejor recabar datos sobre su generación de residuos (es decir,</p><p>analizar los registros de los transportistas de basura) en lugar de basarse en los promedios</p><p>nacionales, pues cada comunidad es única. Además, los ingenieros por lo general no diseñan</p><p>sistemas que duren uno o dos años, de modo que es preciso hacer proyecciones a futuro de la</p><p>población que integrará la comunidad y sus esquemas de generación de residuos.</p><p>Por supuesto, las presiones de la práctica moderna dictan que las decisiones de ingeniería no</p><p>sólo deben ser efectivas (que se efectúe el trabajo), sino que también deben ser económicas (que</p><p>se efectúe al mínimo costo). En el ejemplo 2.1, imagine que si bien tanto el camión A como el</p><p>B tienen la capacidad suficiente para recoger la basura, los costos de operación y mantenimiento</p><p>serían muy diferentes. Aunque los cálculos responden a las interrogantes técnicas, las cuestiones</p><p>de costo exigen una toma de decisiones diferente en la ingeniería: el análisis de rentabilidad.</p><p>2.2 DECISIONES BASADAS EN EL ANÁLISIS DE RENTABILIDAD</p><p>Los ingenieros por lo común trabajan para un empleador o cliente que necesita que se analicen</p><p>varias opciones para resolver un problema de ingeniería con base en el costo. Por ejemplo, si</p><p>un ingeniero municipal considera la posibilidad de comprar vehículos de recolección de resi-</p><p>duos y descubre que puede adquirir ya sea camiones costosos, que logran una gran compac-</p><p>tación de los desperdicios (con lo que se consiguen viajes eficientes al vertedero), o camiones</p><p>Capítulo 2 Decisiones en ingeniería34</p><p>E N F O Q U E</p><p>El artista contemporáneo Michael Singer transforma</p><p>proyectos de planificación de arte público, arquitectu-</p><p>ra y paisajes en exitosos modelos de renovación urba-</p><p>na y ecológica. Él y Linnea Glatt diseñaron el Centro</p><p>de Transferencia y Reciclamiento de Residuos Só-</p><p>lidos en la Avenida 27 en Phoenix, Arizona, com-</p><p>plejo de 25 acres, 100,000 pies2 (aproximadamente</p><p>10 hectáreas; 9,290 m2), cuyo costo fue de 18 millo-</p><p>nes de dólares, para la transferencia y el reciclamiento</p><p>de basura. El complejo se construyó y su costo quedó</p><p>4 millones de dólares por debajo del presupuesto. El</p><p>diseño de Singer-Glatt invita a la participación pública</p><p>y a la comprensión de los problemas del reciclamien-</p><p>to y los residuos en un complejo de infraestructura</p><p>que normalmente está cerrado al público. Los diseños</p><p>tradicionales de los complejos para residuos sólidos</p><p>buscan ocultar sus instalaciones mismas. En contras-</p><p>te, el diseño de Singer-Glatt revela el proceso de re-</p><p>ciclamiento así como otros aspectos relacionados con</p><p>la eliminación de la basura. Los conceptos de renova-</p><p>ción y transformación son esenciales en todos los ele-</p><p>mentos: edificios, caminos, paisaje, agua y hábitat de</p><p>flora y fauna. El proyecto ganó varios premios y se le</p><p>reconoce por fomentar la excelencia en el diseño es-</p><p>tético de infraestructura en Estados Unidos. En 1993,</p><p>The New York Times eligió la propuesta de Singer del</p><p>complejo masivo como uno de los ocho principales</p><p>acontecimientos de diseño del año.</p><p>En 2004, la oficina en la ciudad de Nueva York</p><p>del Fondo de Defensa Ambiental pidió a Singer que</p><p>explorara formas de convertir un complejo de trans-</p><p>ferencia de residuos sólidos que se encontraba a</p><p>orillas del río de la ciudad en un servicio para las</p><p>comunidades circundantes que no generara conges-</p><p>tionamiento de tránsito ni contaminación del aire.</p><p>El alcalde Michael Bloomberg propuso el estable-</p><p>cimiento de una red de estaciones de transferencia</p><p>marinas para los residuos sólidos. Singer diseñó una</p><p>pieza conceptual que comprendía muchas estrate-</p><p>gias para transformar un sitio urbano de transferen-</p><p>cia de residuos industriales en un lugar integral para</p><p>la comunidad circundante en términos de funciona-</p><p>miento y forma. Del modo en que se diseñó, todos</p><p>los aspectos de la Estación de Transferencia Marina</p><p>(muros, techos y espacios interiores) sostienen su</p><p>funcionamiento. El agua reunida en la calle y las su-</p><p>perficies del techo que se almacena en cavidades de</p><p>pared sirve para limpiar los camiones de basura y las</p><p>instalaciones. Plantaciones en los muros y en el techo</p><p>tratan las aguas residuales, eliminan olores por me-</p><p>dio de la filtración de aire por el suelo y ofrecen una</p><p>parada de hábitat en la ruta de las aves migratorias.</p><p>Paneles fotovoltaicos solares generan energía y re-</p><p>ducen la carga de electricidad.</p><p>Para abordar la principal preocupación de</p><p>la comunidad (el flujo constante de pestilentes y</p><p>ruidosos camiones por las calles de la localidad),</p><p>la propuesta ofrecía un sistema de rampas automa-</p><p>tizadas que acomodaría más de 60 camiones. Al</p><p>ingresar al sitio se pediría a los conductores que</p><p>apagaran los motores para reducir las emisiones</p><p>nocivas. Además, el terreno adyacente a la esta-</p><p>ción de transferencia marina podría transformar-</p><p>se en un espacioso parque y jardines a orillas del</p><p>río para el disfrute público. Con un espacio in-</p><p>terior</p><p>amplio para las operaciones de la estación</p><p>de transferencia y reciclamiento, algunas áreas se</p><p>utilizarían para la realización de actividades co-</p><p>munitarias, programas educativos e instalación de</p><p>oficinas para las organizaciones locales.</p><p>Aunque se creó como una pieza conceptual,</p><p>un diseño visionario como éste desafía a las per-</p><p>sonas a pensar más allá del statu quo y ampliar</p><p>el alcance de los costos y los beneficios conside-</p><p>rados. Al diseñar la infraestructura, los ingenie-</p><p>ros ambientales pueden pensar cómo integrar los</p><p>complejos a sus entornos de una forma bella y que</p><p>proteja la salud de la comunidad y del ambiente.</p><p>Los mejores diseños (que califican como elegan-</p><p>tes) son los que resuelven múltiples problemas o</p><p>que ofrecen múltiples beneficios.</p><p>Fuente: Clean and Green Infrastructure in New</p><p>York City: Solid Waste Case Study, Ramón J. Cruz,</p><p>20 de junio de 2006, PRATT Center for Commu-</p><p>nity Development, Environmental Defense; In-</p><p>frastructure and Community: How Can We Live</p><p>With What Sustains Us? Michael Singer, Ramón</p><p>J. Cruz y Jason Bregman (2007). Environmental</p><p>Defense Fund y Michael Singer Studio.</p><p>Diseño elegante</p><p>2.2 Decisiones basadas en el análisis de rentabilidad 35</p><p>baratos que exigen más viajes, ¿cómo sabe qué opción es menos costosa para la comunidad?</p><p>De manera evidente, la opción del costo total más bajo (en razón de todos los datos sobre los</p><p>costos) sería la decisión más razonable.</p><p>Además de las dificultades para estimar todos los costos necesarios, el análisis de rentabi-</p><p>lidad es complicado porque el dinero cambia de valor con el tiempo. Si un dólar hoy se invierte</p><p>en una cuenta que genera 5% de intereses, este dólar se convertirá en $1.05 dentro de un año. Por</p><p>tanto, un dólar dentro de un año no es el mismo que el que existe hoy, y no es posible sumar ambos</p><p>directamente. Esto quiere decir que en lugar de $2.00, habría $2.05. De igual modo, no tiene sen-</p><p>tido sumar los costos operativos anuales de un complejo o de una pieza de equipo durante la vida</p><p>del equipo porque, una vez más, los dólares son diferentes, y sumarlos sería como sumar manza-</p><p>nas y naranjas, dado que el dinero cambia de valor con el tiempo. Por ejemplo, si una comunidad</p><p>gastará 4,000 dólares en operar y mantener un camión de recolección de basura durante un año y</p><p>5,000 dólares al año siguiente, necesita invertir menos de 9,000 dólares para cubrir los gastos. (El</p><p>mismo concepto se aplica al ahorro de cualquier gasto futuro, como la universidad o la jubilación.)</p><p>Este tema puede representar un problema para las comunidades que tratan de entender lo</p><p>que cuesta construir complejos u operar servicios públicos. La técnica que se utiliza para supe-</p><p>rar esta dificultad es comparar los costos de diferentes opciones sobre la base del costo anual</p><p>o del valor presente del proyecto. En el cálculo del costo anual todos los costos representan el</p><p>dinero que la comunidad necesita cada año para operar el complejo y liquidar la deuda. Los</p><p>costos operativos se estiman de un año a otro y los costos de capital se calculan como los fon-</p><p>dos anuales necesarios para liquidar la deuda al final de la vida esperada del proyecto.</p><p>En el caso de los cálculos del valor presente, los costos del capital son los fondos</p><p>necesarios para construir el complejo y los costos operativos se calculan como si se dispu-</p><p>siera hoy del dinero para pagar por ellos y se depositara en el banco a fin de utilizarlo para</p><p>la operación, una vez más durante la vida esperada del complejo. Un proyecto con un costo</p><p>de operación elevado exigiría una inversión inicial mayor a fin de contar con los fondos su-</p><p>ficientes para pagar este costo.</p><p>E N F O Q U E</p><p>Durante mucho tiempo se pensó que las capaci-</p><p>dades de dilución eran una respuesta a los proble-</p><p>mas de la eliminación de aguas residuales. Antes</p><p>la idea era “la solución a la contaminación es la</p><p>dilución”. George Fuller, eminente ingeniero sani-</p><p>tario, observó durante la primera década del siglo</p><p>xx que “la eliminación de las aguas negras por di-</p><p>lución es un método apropiado cuando al disper-</p><p>sarse en el agua las impurezas son consumidas por</p><p>bacterias y formas más grandes de vida vegetal y</p><p>animal; o cuando, en todo caso, son eliminadas de</p><p>modo que no se genere ninguna molestia”.</p><p>Pero utilizar las vías fluviales como sistemas</p><p>de tratamiento era inaceptable para las comunida-</p><p>des río abajo y muchas de ellas entablaron deman-</p><p>das por las descargas que se producían río arriba</p><p>con base en la ley de derechos sobre aguas ribe-</p><p>reñas, que establece que la cantidad de agua que</p><p>fluye por los terrenos propios no debe menguarse</p><p>o que su calidad no debe ser afectada. El juicio</p><p>molestó a las ciudades más grandes que eran la</p><p>principal causa de la contaminación, y la revista</p><p>City Hall expresó en un editorial:</p><p>La ciudad o el individuo promedio consideran que</p><p>una estación depuradora es una novedad o un gas-</p><p>to innecesario, y sólo se construye cuando surge</p><p>una amenaza de juicio por daños y perjuicios y</p><p>luego de apaciguar la cólera del demandante o, en</p><p>el caso de algunos estados, para cumplir con los</p><p>requisitos aparentemente inútiles del Consejo Es-</p><p>El caso de Pittsburgh</p><p>Capítulo 2 Decisiones en ingeniería36</p><p>tatal de Salud. Después se hará cualquier tipo de</p><p>plan o dispositivo preparado o propuesto por un</p><p>ingeniero, siempre y cuando no sea muy costoso.</p><p>Pero los departamentos de salud estatales pensa-</p><p>ban de otro modo y presionaron para hacer que</p><p>las ciudades construyeran plantas de tratamiento</p><p>de aguas residuales efectivas. El conflicto entre las</p><p>ciudades que contaminaban los ríos y las comuni-</p><p>dades que los utilizaban como suministro de agua</p><p>nunca se grabó en la memoria con mayor claridad</p><p>que en el caso de Pittsburgh.</p><p>En 1905, Pennsylvania aprobó una ley que</p><p>prohibió la descarga de aguas residuales en los arro-</p><p>yos o los ríos. En 1910, Samuel G. Dixon, comisio-</p><p>nado de salud de Pennsylvania, exigió a Pittsburgh</p><p>que presentara un plan completo para reemplazar el</p><p>sistema de alcantarillado combinado de la ciudad</p><p>por un sistema separado y una planta de tratamiento</p><p>(figura 2.1). En respuesta, la ciudad contrató a dos</p><p>reconocidos ingenieros sanitarios, Allen Hazen y</p><p>George Whipple, para que hicieran recomendacio-</p><p>nes. Luego de un año de investigación, presentaron</p><p>lo que la revista Engineering Record llamó “el in-</p><p>forme más importante sobre aguas residuales y su</p><p>eliminación realizado en Estados Unidos”.</p><p>Hazen y Whipple estimaron que reempla-</p><p>zar las aguas residuales combinadas de Pittsburgh</p><p>por un sistema separado y construir una planta</p><p>de tratamiento costaría a los contribuyentes por</p><p>lo menos 46 millones de dólares (en dólares de</p><p>1912), pero que las 26 poblaciones río abajo en</p><p>el río Ohio podían ofrecer agua filtrada para sus</p><p>residentes por mucho menos dinero. Para ellos era</p><p>obvio que la opción más eficiente era hacer que las</p><p>26 poblaciones trataran el agua y dejar que el río</p><p>Ohio fuera un conducto abierto para la elimina-</p><p>ción de excrementos humanos. No existía ningún</p><p>precedente, sostenían, “de una ciudad que hubiera</p><p>reemplazado el sistema combinado por uno sepa-</p><p>rado con la finalidad de proteger los suministros</p><p>de otras ciudades”. Hazen y Whipple llegaron a</p><p>la conclusión de que “no es necesario o deseable</p><p>por ahora que se realice ningún cambio radical en</p><p>la metodología del sistema de alcantarillado o de</p><p>eliminación de aguas negras como lo practica en</p><p>la actualidad la ciudad de Pittsburgh”.</p><p>El gremio de la ingeniería respaldó de manera</p><p>abrumadora el informe de Hazen y Whipple y consi-</p><p>deró la controversia como un asunto sobre “qué tanta</p><p>libertad tienen los ingenieros para ejercer su propio</p><p>juicio en cuanto a lo que es mejor para sus clientes</p><p>y qué tanto deben ceder ante sus colegas médicos”.</p><p>Inseguro de su capacidad para obligar a Pittsburgh</p><p>a construir un sistema separado y tratar sus propias</p><p>aguas residuales, Dixon se replegó</p><p>y emitió un permi-</p><p>so de descarga temporal para la ciudad. El comisio-</p><p>nado estatal de salud siguió emitiendo esos permisos</p><p>para las ciudades hasta 1939.</p><p>Fuente: Basado en Melrose, Martin (2000). The</p><p>Sanitary City. Baltimore: Johns Hopkins Press;</p><p>y Tarr, J. A. y F. C. McMichael (1977). Historic</p><p>turning points in municipal water supply and</p><p>wastewater disposal, 1850-1932, Civil Engineer-</p><p>ing, 47, núm. 10. Reproducido de Controlling En-</p><p>vironmental Pollution, Vesilind, P. A. y DiStefano,</p><p>T. D., 2006, Lancaster, PA: DEStech Publications,</p><p>Inc. Reproducido con autorización de DEStech</p><p>Publications, Inc.</p><p>©</p><p>W</p><p>ai</p><p>C</p><p>h</p><p>an</p><p>/</p><p>S</p><p>h</p><p>u</p><p>tt</p><p>e</p><p>rs</p><p>to</p><p>ck</p><p>Figura 2.1 Pittsburgh, Pennsylvania.</p><p>El costo anual o el valor presente es, en la mayoría de los casos, el método de compa-</p><p>ración aceptable entre cursos de acción alternos. La conversión del costo de capital a costo</p><p>anual y el cálculo del valor presente del costo de operación se realiza en forma más sencilla</p><p>por medio de tablas (o calculadoras manuales preprogramadas). La tabla 2.1 es un ejemplo del</p><p>tipo de tablas de intereses que se utilizan en tales cálculos.</p><p>2.2 Decisiones basadas en el análisis de rentabilidad 37</p><p>Tabla 2.1 Factores de interés compuesto</p><p>i = 6% de interés</p><p>Número</p><p>de años (n)</p><p>Factor de recuperación</p><p>de capital (C</p><p>R</p><p>)</p><p>Factor de valor</p><p>presente (C</p><p>P</p><p>)</p><p>1 1.0600 0.9434</p><p>2 0.54544 1.8333</p><p>3 0.37411 2.6729</p><p>4 0.28860 3.4650</p><p>5 0.23740 4.2123</p><p>6 0.20337 4.9172</p><p>7 0.17914 5.5823</p><p>8 0.16104 6.2097</p><p>9 0.14702 6.8016</p><p>10 0.13587 7.3600</p><p>11 0.12679 7.8867</p><p>12 0.11928 8.3837</p><p>13 0.11296 8.8525</p><p>14 0.10759 9.2948</p><p>15 0.10296 9.711</p><p>16 0.09895 10.105</p><p>17 0.09545 10.477</p><p>18 0.09236 10.827</p><p>19 0.08962 11.158</p><p>20 0.08719 11.469</p><p>i = 8% de interés</p><p>Número</p><p>de años (n)</p><p>Factor de recuperación</p><p>de capital (C</p><p>R</p><p>)</p><p>Factor de valor</p><p>presente (C</p><p>P</p><p>)</p><p>1 1.0800 0.9259</p><p>2 0.56077 1.7832</p><p>3 0.38803 2.5770</p><p>4 0.30192 3.3121</p><p>5 0.25046 3.9926</p><p>6 0.21632 4.6228</p><p>7 0.19207 5.2063</p><p>8 0.17402 5.7466</p><p>9 0.16008 6.2468</p><p>10 0.14903 6.7100</p><p>11 0.14008 7.1389</p><p>12 0.13270 7.5360</p><p>13 0.12642 7.9037</p><p>14 0.12130 8.2442</p><p>15 0.11683 8.5594</p><p>16 0.11298 8.8513</p><p>17 0.10963 9.1216</p><p>18 0.10670 9.3718</p><p>19 0.10413 9.6035</p><p>20 0.10185 9.8181</p><p>(Continúa)</p><p>Capítulo 2 Decisiones en ingeniería38</p><p>Tabla 2.1 (Continuación.)</p><p>i = 10% de interés</p><p>Número</p><p>de años (n)</p><p>Factor de recuperación</p><p>de capital (C</p><p>R</p><p>)</p><p>Factor de valor</p><p>presente (C</p><p>P</p><p>)</p><p>1 1.1000 0.9094</p><p>2 0.57619 1.7355</p><p>3 0.40212 2.4868</p><p>4 0.31547 3.1698</p><p>5 0.26380 3.7907</p><p>6 0.22961 4.3552</p><p>7 0.20541 4.8683</p><p>8 0.18745 5.3349</p><p>9 0.17364 5.7589</p><p>10 0.16275 6.1445</p><p>11 0.15396 6.4950</p><p>12 0.14676 6.8136</p><p>13 0.14078 7.1033</p><p>14 0.13575 7.3666</p><p>15 0.13147 7.6060</p><p>16 0.12782 7.8236</p><p>17 0.12466 8.0215</p><p>18 0.12193 8.2013</p><p>19 0.11955 8.3649</p><p>20 0.11746 8.5135</p><p>Los costos anuales se convierten en valor presente calculando cuánto valdría el dinero</p><p>gastado cada año en el momento actual. A una tasa de interés de 10%, sólo se necesitaría in-</p><p>vertir hoy $0.9094 a fin de tener $1.00 para gastar en un año (como se aprecia en la columna</p><p>de “Factor de valor presente” en la tabla 2.1). Si se necesita otro dólar al principio del segundo</p><p>año, la inversión total hoy sería de $1.7355, en lugar de $2.00. En términos generales, si se</p><p>necesita una cantidad constante A durante n periodos a una tasa de interés compuesto i, el valor</p><p>presente de este dinero, o el monto que se necesita invertir, es C</p><p>P</p><p>× A, donde C</p><p>P</p><p>= factor de</p><p>valor presente.</p><p>Los costos de capital se convierten en costos anuales al reconocer que el desembolso to-</p><p>tal de capital habría obtenido intereses a una tasa determinada si el dinero se hubiera invertido</p><p>a la tasa de interés prevaleciente. Una inversión de $1.00 ahora a una tasa de interés de 10%</p><p>habría obtenido $0.10 de intereses en un año y valdría $1.10. Si un costo de capital de $1.00</p><p>tiene que pagarse durante dos años, el pago anual, como se aprecia en la columna de “Factor</p><p>de recuperación de capital” en la tabla 2.1, es de $0.57619. El monto de dinero necesario cada</p><p>año para pagar el préstamo de C dólares durante n periodos a una tasa de interés compuesto de</p><p>i es C</p><p>R</p><p>× C, donde C</p><p>R</p><p>= factor de recuperación de capital.</p><p>Estos dos tipos de conversión se ilustran en el ejemplo 2.2.</p><p>EJEMPLO</p><p>2.2 Problema Un municipio trata de decidir sobre la compra de un vehículo de recolección de</p><p>basura. Se han considerado dos tipos, A y B, y los costos de capital y operativos se muestran a</p><p>continuación. Se espera que cada camión tenga una vida útil de 10 años.</p><p>2.2 Decisiones basadas en el análisis de rentabilidad 39</p><p>Camión A Camión B</p><p>Costo inicial (de capital) $80,000 $120,000</p><p>Costo de mantenimiento anual 6,000 2,000</p><p>Costo de combustible y aceite anual 8,000 4,000</p><p>¿Qué camión debería comprar el municipio sólo con base en estos costos? Calcule los costos</p><p>tanto a valor anual como a valor presente, suponiendo una tasa de interés de 8 por ciento.</p><p>Solución</p><p>Cálculo del costo anual del camión A:</p><p>A partir de la tabla de interés de 8% (tabla 2.1), el C</p><p>R</p><p>durante n = 10 años es de 0.14903. Por</p><p>tanto, el costo anual del capital es de $80,000 × 0.14903 = $11,922. El costo anual total del</p><p>camión A es entonces:</p><p>Recuperación de capital $11,922</p><p>Mantenimiento 6,000</p><p>Combustible 8,000</p><p>Total $25,922</p><p>Cálculo del costo anual del camión B:</p><p>El C</p><p>R</p><p>es el mismo porque i y n son los mismos. El costo anual del capital es entonces de</p><p>$120,000 × 0.14903 = $17,884, y el costo anual total del camión B es:</p><p>Recuperación de capital $17,884</p><p>Mantenimiento 2,000</p><p>Combustible 4,000</p><p>Total $23,884</p><p>Con base en el costo anual, el camión B, que tiene un costo de capital más elevado, es la opción ra-</p><p>zonable pues su costo anual total para la comunidad es menor que el costo anual total del camión A.</p><p>Cálculo del valor presente del camión A:</p><p>C</p><p>P</p><p>durante n = 10 y i = 8% es 6.7100 (tabla 2.1)</p><p>El valor presente de los costos anuales de mantenimiento y combustible es entonces ($6,000 +</p><p>$8,000) × 6.7100 = $93,940, y el valor presente total es</p><p>Costo de capital $80,000</p><p>Valor presente de mantenimiento y combustible 93,940</p><p>Total $173,940</p><p>Cálculo de valor presente del camión B:</p><p>Una vez más, el C</p><p>P</p><p>es el mismo (6.7100) porque i y n son los mismos. El valor presente de los</p><p>costos anuales es ($2,000 + $4,000) × 6.7100 = $40,260 y el valor presente total es:</p><p>Costo de capital $120,000</p><p>Valor presente de mantenimiento y combustible 40,260</p><p>Total $160,260</p><p>Capítulo 2 Decisiones en ingeniería40</p><p>Pero, ¿y si suponemos que varios cursos de acción alternos también tienen diferentes</p><p>beneficios para el cliente o el empleador? Imagine, en el ejemplo 2.2, que una opción abierta</p><p>para la comunidad fuera pasar de dos recolecciones de basura semanales a sólo una. Ahora,</p><p>el nivel de servicio también es variable y el análisis ya no se aplica. Es necesario incorporar</p><p>beneficios en el análisis de rentabilidad para asegurarse de que se hace el uso más eficaz de los</p><p>escasos recursos.</p><p>2.3 DECISIONES BASADAS EN EL ANÁLISIS DE COSTO/BENEFICIO</p><p>En la década de 1940, la Oficina de Recuperación de Tierras y el Cuerpo de Ingenieros del</p><p>Ejército de Estados Unidos se debatían por los dólares públicos en su campaña por contener</p><p>con diques todos los ríos de libre flujo del país. Para convencer al Congreso de la necesidad</p><p>de grandes proyectos de almacenamiento de agua, se creó una técnica denominada análisis de</p><p>costo/beneficio. A valor nominal, esto es a un tiempo útil y complicado. Al considerar un pro-</p><p>yecto, se compara una estimación de los beneficios derivados en forma de razón con el costo</p><p>en que se incurre. Si esta razón es de más de 1.0, el proyecto claramente vale la pena y los pro-</p><p>yectos que tienen razones de costo/beneficio mayores deben construirse primero porque esto</p><p>proporcionará los mayores rendimientos sobre la inversión. Al presentar sus propuestas para</p><p>un análisis de este tipo, la Oficina de Recuperación de Tierras y el Cuerpo de Ingenieros podían</p><p>abogar por un mayor gasto de fondos públicos y clasificar</p><p>las propuestas en orden de prioridad.</p><p>Como sucede en el caso de los análisis de rentabilidad, los cálculos en los análisis de</p><p>costo/beneficio se realizan en dólares, y cada beneficio y cada costo se expresan en términos</p><p>monetarios. Por ejemplo, los beneficios de un canal podrían calcularse como ahorros moneta-</p><p>rios en los costos de transporte. Pero algunos beneficios y costos (como aire limpio, flores, re-</p><p>corridos en balsa por aguas rápidas, hedores, agua subterránea contaminada y basura tirada en</p><p>las calles) no pueden expresarse con facilidad en términos monetarios. Sin embargo, estos cos-</p><p>tos y beneficios son reales y de algún modo deben incluirse en los análisis de costo/beneficio.</p><p>Una solución es sencillamente forzar los valores monetarios sobre estos beneficios. Al</p><p>estimar los beneficios de los lagos artificiales, por ejemplo, los beneficios recreativos se calcu-</p><p>lan pronosticando lo que la gente estaría dispuesta a pagar por utilizar un complejo de esta</p><p>índole. Hay, por supuesto, muchas dificultades con esta técnica. El valor de un dólar varía de</p><p>manera sustancial de una persona a otra; algunos individuos se benefician mucho más de un</p><p>proyecto público que otros y, sin embargo, todos comparten el costo. Debido a los problemas</p><p>asociados con la estimación de los beneficios, éstos pueden inflarse para aumentar la razón</p><p>de costo/beneficio. En consecuencia, es posible justificar casi cualquier proyecto porque los</p><p>beneficios pueden ajustarse en función de lo que sea necesario.</p><p>En el ejemplo 2.3 se atribuyen valores monetarios a los beneficios y costos subjetivos</p><p>para ilustrar cómo se realiza un análisis de este tipo. El lector debe reconocer que el análisis de</p><p>costo/beneficio es una operación aritmética sencilla y que, aunque el valor final puede calcu-</p><p>larse a muchos lugares decimales, es tan valioso como la estimación más débil que se utiliza</p><p>en el cálculo.</p><p>Sobre la base del valor presente, el camión B sigue siendo la opción razonable porque, si la co-</p><p>munidad pidiera prestado el dinero para operarlo durante 10 años, tendría que obtener menos</p><p>dinero que si quisiera comprar el camión A.</p><p>2.3 Decisiones basadas en el análisis de costo/beneficio 41</p><p>EJEMPLO</p><p>2.3 Problema Una comunidad pequeña fue dueña de un servicio de recolección de basura y lo</p><p>mantuvo en operación durante muchos años; consistía en un camión que recogía los desper-</p><p>dicios una vez a la semana, pero se ha desgastado y debe reemplazarse. También parece que</p><p>uno solo ya no es suficiente y tal vez convenga comprar un segundo camión. Si el segundo no</p><p>se compra, se pedirá a los ciudadanos que quemen la basura de papel en sus patios o jardines</p><p>traseros para reducir la cantidad de residuos. Hay dos opciones:</p><p>1. Vender el camión antiguo y comprar dos modelos nuevos. Esto permitirá la recolección</p><p>dos veces por semana en lugar de sólo una vez.</p><p>2. Vender el camión antiguo y sólo comprar uno nuevo, pero se exhortará a los ciudada-</p><p>nos de la comunidad a quemar la fracción combustible de los residuos en sus patios o</p><p>jardines traseros, con lo que se reducirá la cantidad de basura.</p><p>Decida la opción que es preciso elegir con ayuda del análisis de costo/beneficio.</p><p>Solución A continuación se presenta una lista de los costos y beneficios de ambas opciones,</p><p>en los que se utilizaron las cifras de costos anuales del ejemplo 2.2. En el caso de los costos</p><p>que no pueden expresarse con facilidad en términos monetarios, se proponen estimaciones</p><p>razonables. Luego se suman los dólares.</p><p>Opción 1:</p><p>Beneficios</p><p>Recolección de todos los desechos* $250,000</p><p>Beneficios totales $250,000</p><p>Costos</p><p>Dos vehículos nuevos (incluidos los costos de operación) $47,768</p><p>Aumento de ruido y basura 10,000</p><p>Costo de mano de obra 200,000</p><p>Costos anuales totales $257,768</p><p>= =Costo/beneficio</p><p>$250,000</p><p>$257,768</p><p>0.97</p><p>Opción 2:</p><p>Beneficios</p><p>Recolección de 60% de los desechos $150,000</p><p>Beneficios totales $150,000</p><p>Costos</p><p>Vehículo nuevo (incluidos los costos de operación) $23,884</p><p>Aire más sucio 0</p><p>Costos de mano de obra 120,000</p><p>Costos anuales totales $143,884</p><p>= =Costo/beneficio</p><p>$150,000</p><p>$143,884</p><p>1.05</p><p>* El dinero ahorrado por cada hogar al no tener que hacer el recorrido semanal al vertedero, multiplicado por la can-</p><p>tidad total de recorridos, podría considerarse un beneficio.</p><p>Capítulo 2 Decisiones en ingeniería42</p><p>El costo/beneficio de la primera opción es de 0.97, en tanto que la razón de costo/beneficio de</p><p>la segunda es de 1.05. Por tanto, al parecer debe elegirse la segunda opción.</p><p>Observe que en el ejemplo 2.3 sólo podrían cuantificarse algunos aspectos, como los costos de</p><p>los vehículos. La mayoría de los demás aspectos son estimaciones muy subjetivas. También</p><p>note que no hay un costo ligado a un aire más sucio; si se hubiese incluido ese costo, el cálculo</p><p>habría generado una conclusión distinta. Sin embargo, en este tipo de cálculos no es extraño</p><p>incluir los beneficios pero no los costos compartidos de aspectos como el aire limpio.</p><p>El ejemplo de cómo se utilizaban las tierras comunales en las aldeas medievales tal vez</p><p>ilustra mejor el concepto de participación desigual de los costos y beneficios.2 Las casas de</p><p>la aldea rodeaban a las tierras comunales y todos llevaban sus vacas a pastar en estas últimas.</p><p>El área de las tierras comunales era un terreno compartido, pero las vacas pertenecían a los</p><p>ciudadanos de manera individual. No pasaría demasiado tiempo para que uno de los aldeanos</p><p>determinara que los beneficios de tener una vaca eran personales, pero los costos de mante-</p><p>nerla en las tierras comunales eran compartidos por todos. Desde un punto de vista en verdad</p><p>egoísta, tiene sentido para el granjero llevar varias vacas a pastar y así aumentar su riqueza.</p><p>Pero esta acción habría desencadenado una respuesta similar por parte de sus vecinos. ¿Por</p><p>qué debían ellos conservar una sola vaca cuando veían que su amigo se enriquecía con varias?</p><p>Así que comprarían más vacas y todas pastarían en los terrenos comunales. Con el tiempo,</p><p>sin embargo, la cantidad de vacas rebasaría la capacidad de las tierras comunales y habría que</p><p>sacrificarlas a todas.</p><p>La participación del costo del aire sucio es similar a la tragedia de las tierras comuna-</p><p>les. Cada uno de nosotros, al utilizar aire limpio, lo usa para beneficio personal, pero el costo</p><p>de contaminarlo lo compartimos todos. ¿Es posible que los seres humanos reconsideremos la</p><p>forma en que vivimos y que accedamos voluntariamente a limitar nuestras actividades contami-</p><p>nantes? Esto es poco probable y, como resultado, el gobierno tiene que tomar cartas en el asunto</p><p>y limitar a cada uno de nosotros, como en el caso de las tierras comunales, a una sola vaca.</p><p>Otro problema significativo con los análisis de costo/beneficio es que con frecuencia</p><p>una técnica conocida como “costo de amortización” los trastoca. Suponga que un organismo</p><p>gubernamental decide construir un complejo público y estima que los costos de construcción</p><p>serán de 100 millones de dólares. El organismo sostiene que, dado que los beneficios (de cual-</p><p>quier modo que se calculen) son de 120 millones de dólares, vale la pena realizar el proyecto</p><p>debido a que la razón de costo/beneficio es mayor que 1.0 ($120/$100). Luego recibe partidas</p><p>del Congreso para terminarlo.</p><p>En algún momento, a la mitad del proyecto, una vez que se han gastado los 100 millones</p><p>de dólares originales, el organismo descubre que subestimó el costo de construcción. Resulta</p><p>que en realidad costará 180 millones de dólares. Ahora, por supuesto, la razón de costo/bene-</p><p>ficio es de 0.67 ($120/$180), que es menor que 1.0, de modo que el proyecto no es justificable</p><p>desde el punto de vista económico. Pero el organismo ya gastó 100 millones de dólares en</p><p>la construcción. Éste se considera un costo de amortización, o dinero que se perderá para</p><p>siempre si el proyecto no se completa. Por tanto, el organismo arguye que</p><p>el verdadero costo</p><p>del proyecto es el incremento entre lo que es el costo estimado y lo que ya se gastó, es decir,</p><p>80 millones de dólares ($180 − $100). La razón de costo/beneficio se calcula entonces como</p><p>$120/$80 = 1.5, lo que es sustancialmente mayor que 1.0 e indica que el proyecto debería ter-</p><p>minarse. Es sorprendente cómo funciona este truco muchas veces, y al parecer nadie pregunta</p><p>a los organismos por qué sus siguientes estimaciones deben creerse si todas las anteriores se</p><p>subestimaron tanto.</p><p>2.4 Decisiones basadas en el análisis de riesgo 43</p><p>2.4 DECISIONES BASADAS EN EL ANÁLISIS DE RIESGO</p><p>Con frecuencia los beneficios de un proyecto no son elementos sencillos, como los valores</p><p>recreativos, sino una preocupación más seria por la salud humana. Cuando la vida y la salud</p><p>entran en los cálculos de costo/beneficio, los análisis en general se conocen como análisis de</p><p>riesgo/costo/beneficio para indicar que las personas se hallan en peligro. Sin embargo, se les</p><p>conoce en forma más generalizada como análisis de riesgo.</p><p>El análisis de riesgo se divide a su vez en la evaluación y la gestión del mismo. La pri-</p><p>mera supone un estudio y un análisis del posible efecto que tienen ciertos peligros en la salud</p><p>humana. Con ayuda de información estadística, la evaluación del riesgo pretende ser un ins-</p><p>trumento para tomar decisiones informadas. La gestión del riesgo, por otra parte, es el proceso</p><p>que consiste en reducir los que se consideran inaceptables.</p><p>En nuestra vida privada realizamos de manera continua ambos procesos. Fumar cigarri-</p><p>llos es un riesgo para nuestra salud y es posible calcular el efecto potencial del tabaquismo.</p><p>Dejar de fumar es un método de gestión del riesgo porque se reducen las posibilidades de morir</p><p>de ciertas enfermedades.</p><p>En efecto, el riesgo de morir de algo es de 100%. La profesión médica aún tiene que sal-</p><p>var de la muerte a cualquier persona. Las preguntas, entonces, son cuándo ocurrirá la muerte</p><p>y cuál será su causa.</p><p>Hay tres formas de calcular el riesgo de la muerte debido a alguna causa. En primer lugar,</p><p>el riesgo puede definirse como la razón de la cantidad de muertes en una población determi-</p><p>nada expuesta a un contaminante, dividida entre la cantidad de muertes en una población no</p><p>expuesta al contaminante. Es decir,</p><p>=</p><p>M</p><p>M</p><p>Riesgo 1</p><p>0</p><p>donde M</p><p>1</p><p>= cantidad de muertes en una determinada población expuesta</p><p>a un contaminante específico, por unidad de tiempo</p><p>M</p><p>0</p><p>= cantidad de muertes en una población de tamaño similar no expuesta</p><p>al contaminante, por unidad de tiempo</p><p>EJEMPLO</p><p>2.4 Problema Kentville, una comunidad de 10,000 habitantes, se encuentra junto a una mina</p><p>de criptón y existe la inquietud de que las emisiones de la fundición hayan generado efectos</p><p>adversos. En concreto, parece que 10 de sus habitantes murieron el año pasado de criptonosis.</p><p>Una comunidad cercana, Lanesburg, cuenta con 20,000 habitantes y está suficientemente ale-</p><p>jada de la fundición para no verse afectada por las emisiones; allí sólo murieron dos personas</p><p>de criptonosis el año pasado. ¿Cuál es el riesgo de morir de criptonosis en Kentville?</p><p>Solución Si el riesgo se define así, entonces</p><p>= =Riesgo de morir de criptonosis</p><p>10</p><p>10,000</p><p>2</p><p>20,000</p><p>10</p><p>Es decir, una persona tiene 10 veces más probabilidades de morir de criptonosis en Kentville</p><p>que en una localidad no contaminada.</p><p>Capítulo 2 Decisiones en ingeniería44</p><p>EJEMPLO</p><p>2.5</p><p>EJEMPLO</p><p>2.6</p><p>Problema La cantidad de muertes en Kentville y sus causas durante el año pasado fueron:</p><p>Infarto 5</p><p>Accidentes 4</p><p>Criptonosis 10</p><p>Otras 6</p><p>¿Cuál es el riesgo de morir de criptonosis en relación con otras causas?</p><p>Solución El riesgo de morir de un infarto en Kentville es de 5/10,000, en tanto que el de</p><p>fallecer de criptonosis es de 10/10,000. Esto es, el correspondiente a la criptonosis es el doble</p><p>de la probabilidad de morir de un infarto, 2.5 veces mayor que de morir de un accidente y 1.7</p><p>veces mayor que morir de otras causas. Los riesgos pueden ser diferentes en Lanesburg, por</p><p>supuesto, y es posible compararlos.</p><p>Problema ¿Cuál es el riesgo de morir de criptonosis en Kentville en relación con las muertes</p><p>debido a otras causas utilizando los datos del ejemplo 2.5?</p><p>Solución La cantidad total de muertes del ejemplo 2.5 es 25. De ahí que</p><p>= =Riesgo de morir de criptonosis</p><p>10</p><p>25</p><p>0.4</p><p>Es decir, de todas las formas de fallecer, los habitantes de Kentville tienen 40% de probabili-</p><p>dades de morir de criptonosis.</p><p>Advierta, sin embargo, que aunque desde el punto de vista estadístico hay una probabili-</p><p>dad mayor de morir de criptonosis en Kentville que en Lanesburg, y aun cuando resulta que la</p><p>primera tiene una fundición de criptón, no hemos demostrado que la fundición sea la respon-</p><p>sable. Todo lo que tenemos es evidencia estadística de que hay una relación.</p><p>Un segundo método para calcular el riesgo consiste en determinar la cantidad de muertes</p><p>debido a varias causas por población y comparar estas razones. Es decir,</p><p>=</p><p>M</p><p>P</p><p>Riesgo relativo de morir de la causa A A</p><p>donde M</p><p>A</p><p>= cantidad de muertes debido a la causa A en una unidad de tiempo</p><p>P = población</p><p>Al final, el riesgo puede calcularse como la cantidad de muertes debido a cierta causa dividida</p><p>entre la cantidad total de muertes, o</p><p>=</p><p>M</p><p>M</p><p>Riesgo de morir de la causa A A</p><p>total</p><p>donde M</p><p>total</p><p>= cantidad total de muertes en la población en una unidad de tiempo.</p><p>2.4 Decisiones basadas en el análisis de riesgo 45</p><p>Hay algunos riesgos que elegimos aceptar, mientras que otros se nos imponen desde el exterior.</p><p>Por ejemplo, optamos por beber alcohol, conducir automóviles o viajar en aviones. Cada una</p><p>de estas actividades tiene un riesgo calculado porque la gente muere cada año como resultado</p><p>del alcoholismo y los accidentes de tránsito y aéreos. La mayoría de nosotros pondera estos</p><p>riesgos en forma inconsciente y decide asumirlos. Por lo común, las personas son capaces de</p><p>aceptar tales riesgos si las probabilidades de morir son del orden de 0.01, o 1% de las muertes</p><p>se atribuye a estas causas.</p><p>Sin embargo, algunos riesgos son impuestos desde el exterior y poco podemos hacer</p><p>respecto a ellos. Por ejemplo, se ha demostrado que la expectativa de vida de las personas que</p><p>viven en una atmósfera urbana sucia es considerablemente más breve que la de aquellas que</p><p>llevan una vida idéntica, pero que respiran aire limpio. Poco podemos hacer respecto a este</p><p>riesgo (excepto mudarnos) y es el que más resienten las personas. De hecho, hay estudios que</p><p>han demostrado que la aceptabilidad de un riesgo involuntario es de un orden 1,000 veces me-</p><p>nor que nuestra aceptabilidad de un riesgo voluntario. Este comportamiento humano explica</p><p>por qué la gente que fuma cigarrillos sigue molesta por la calidad del aire y por qué la gente</p><p>que conduce en estado de intoxicación se manifiesta de manera pública para protestar por la</p><p>ubicación de un aeropuerto ya que teme que un avión se estrelle.</p><p>Algunos organismos federales y estatales se valen de un análisis de riesgo modificado,</p><p>donde el beneficio es salvar una vida. Por ejemplo, si se instalara un tipo determinado de</p><p>barrera de seguridad en una carretera, sería posible que su uso redujera en cierta cantidad los</p><p>decesos esperados en ese lugar. Si se asigna un valor a cada vida, el beneficio total se calcula</p><p>como la cantidad de vidas que se salvan multiplicada por el valor de una vida. Establecer esa</p><p>cifra es una decisión tanto de ingeniería como de política pública para responder de manera</p><p>ideal ante la opinión pública.</p><p>EJEMPLO</p><p>2.7 Problema La reducción de 95% de las emisiones de criptón de una fundición costará</p><p>10 millones de dólares. Los toxicólogos estiman que un esquema de control de la contamina-</p><p>ción de este tipo reducirá las muertes debido al envenenamiento por criptón, de 10 a 4 por año.</p><p>¿Debería gastarse dinero en esto?</p><p>Solución Suponga que cada vida tiene un valor de 1.2 millones de dólares calculado sobre</p><p>la base de los ingresos</p><p>del agua 228</p><p>9.1.1 Oxígeno disuelto 228</p><p>9.1.2 Demanda de oxígeno 230</p><p>9.1.3 Sólidos 243</p><p>9.1.4 Nitrógeno 245</p><p>9.1.5 Mediciones bacteriológicas 247</p><p>9.2 Evaluación de la calidad del agua 253</p><p>9.3 Normas de calidad del agua 255</p><p>9.3.1 Normas de agua potable 255</p><p>9.3.2 Normas de aguas residuales 257</p><p>9.3.3 Normas de calidad de agua superficial 258</p><p>Contenido xi</p><p>CAPÍTULO 10</p><p>Suministro y tratamiento de agua 264</p><p>10.1 El ciclo hidrológico y la disponibilidad de agua 265</p><p>10.1.1 Suministros en mantos freáticos 266</p><p>10.1.2 Suministros de agua superficial 273</p><p>10.2 Tratamiento de agua 276</p><p>10.2.1 Ablandamiento 277</p><p>10.2.2 Coagulación y floculación 296</p><p>10.2.3 Sedimentación 299</p><p>10.2.4 Filtración 307</p><p>10.2.5 Desinfección 309</p><p>10.2.6 Otros procesos de tratamiento 312</p><p>10.3 Distribución de agua 315</p><p>CAPÍTULO 11</p><p>Tratamiento de aguas residuales 322</p><p>11.1 Aguas residuales 323</p><p>11.1.1 Transportación 323</p><p>11.1.2 Componentes 323</p><p>11.2 Tratamientos preliminar y primario 326</p><p>11.2.1 Tratamiento preliminar 326</p><p>11.2.2 Tratamiento primario 328</p><p>11.3 Tratamiento secundario 331</p><p>11.3.1 Reactores de lecho fijo 331</p><p>11.3.2 Reactores de crecimiento suspendido 331</p><p>11.3.3 Diseño de sistemas de lodos activados con base en la dinámica</p><p>de procesos biológicos 334</p><p>11.3.4 Transferencia de gases 346</p><p>11.3.5 Separación de sólidos 353</p><p>11.3.6 Efluente 354</p><p>11.4 Tratamiento terciario 356</p><p>11.4.1 Eliminación de nutrientes 356</p><p>11.4.2 Sólidos adicionales y eliminación orgánica 359</p><p>11.4.3 Humedales 360</p><p>11.5 Tratamiento y eliminación de sedimentos 362</p><p>11.5.1 Estabilización del sedimento 365</p><p>11.5.2 Deshidratación de sedimento 368</p><p>11.5.3 Eliminación final 373</p><p>11.6 Selección de estrategias de tratamiento 375</p><p>Contenidoxii</p><p>CAPÍTULO 12</p><p>Calidad de aire 384</p><p>12.1 Meteorología y movimiento del aire 385</p><p>12.2 Contaminantes principales del aire 390</p><p>12.2.1 Particulados 390</p><p>12.2.2 Medición de los particulados 392</p><p>12.2.3 Contaminantes gaseosos 394</p><p>12.2.4 Medición de los gases 394</p><p>12.2.5 Medición del humo 396</p><p>12.2.6 Visibilidad 397</p><p>12.3 Fuentes y efectos de la contaminación del aire 398</p><p>12.3.1 Óxidos de azufre y de nitrógeno y lluvia ácida 402</p><p>12.3.2 Esmog fotoquímico 403</p><p>12.3.3 Agotamiento del ozono 404</p><p>12.3.4 Calentamiento global (cambio climático) 406</p><p>12.3.5 Otras fuentes de contaminantes del aire 410</p><p>12.3.6 Aire en interiores 411</p><p>12.4 Estándares de la calidad del aire 414</p><p>12.4.1 Legislación sobre la calidad del aire en Estados Unidos 414</p><p>12.4.2 Estándares de emisiones y calidad del aire ambiente 415</p><p>CAPÍTULO 13</p><p>Control de la calidad del aire 421</p><p>13.1 Tratamiento de emisiones 422</p><p>13.1.1 Control de partículas 424</p><p>13.1.2 Control de contaminantes gaseosos 427</p><p>13.1.3 Control de óxidos de azufre 429</p><p>13.2 Dispersión de los contaminantes del aire 431</p><p>13.3 Control de fuentes en movimiento 436</p><p>CAPÍTULO 14</p><p>Residuos sólidos 444</p><p>14.1 Recolección de basura 445</p><p>14.2 Generación de residuos 450</p><p>14.3 Reutilización y reciclaje de los materiales de la basura 453</p><p>14.3.1 Procesamiento de los residuos 455</p><p>14.3.2 Mercados para los residuos 457</p><p>Contenido xiii</p><p>14.4 Combustión de basura 459</p><p>14.5 Disposición final de residuos: rellenos sanitarios 464</p><p>14.6 Residuos: reducción en la fuente 468</p><p>14.6.1 ¿Por qué? 468</p><p>14.6.2 Análisis del ciclo de vida 469</p><p>14.7 Gestión integrada de los residuos sólidos 472</p><p>CAPÍTULO 15</p><p>Manejo de residuos peligrosos 480</p><p>15.1 Definición de residuo peligroso 481</p><p>15.2 Manejo de residuos peligrosos 486</p><p>15.2.1 Limpieza de sitios abandonados 487</p><p>15.2.2 Tratamiento de residuos peligrosos 489</p><p>15.2.3 Eliminación de residuos peligrosos 491</p><p>15.3 Manejo de residuos radiactivos 492</p><p>15.3.1 Radiación ionizante 492</p><p>15.3.2 Riesgos asociados con la radiación ionizante 494</p><p>15.3.3 Tratamiento y eliminación de residuos radiactivos 496</p><p>15.4 Manejo de materiales sostenibles 497</p><p>15.4.1 Química ecológica 499</p><p>15.4.2 Prevención de la contaminación 502</p><p>15.5 El manejo de los residuos peligrosos y las generaciones futuras 505</p><p>CAPÍTULO 16</p><p>Contaminación por ruido 513</p><p>16.1 Sonido 514</p><p>16.2 Medición del sonido 519</p><p>16.3 Efecto del ruido en la salud humana 522</p><p>16.4 Reducción del ruido 523</p><p>16.5 Control del ruido 526</p><p>16.5.1 Proteger al receptor 526</p><p>16.5.2 Reducir el ruido en la fuente 526</p><p>16.5.3 Control de la ruta del ruido 527</p><p>Índice analítico 533</p><p>PREFACIO</p><p>xv</p><p>La tercera edición de Introducción a la ingeniería ambiental conserva dos temas unificadores:</p><p>balances de materia y ética ambiental. También agrega más información respecto a la soste-</p><p>nibilidad, un componente cada vez más importante de la práctica de la ingeniería y que se</p><p>entrelaza de modo intrincado con los dos temas unificadores.</p><p>ORGANIZACIÓN</p><p>La primera parte inicia con un breve vistazo a la historia y el futuro de la ingeniería ambiental, y</p><p>luego proporciona ejemplos de los asuntos complejos que rodean la identificación y resolución de</p><p>problemas ambientales. Presenta varias herramientas que los ingenieros utilizan para tomar</p><p>decisiones, como la tecnología, el análisis costo/beneficio, el riesgo y la ética. La exposición</p><p>sobre ética es breve, y sirve sólo como una introducción para algunos de los problemas cargados</p><p>de valores que los ingenieros enfrentan y proporciona algunos antecedentes para las exposicio-</p><p>nes a lo largo del texto, pero sugiere que en la ingeniería la toma de decisiones éticas es igual de</p><p>importante que la de decisiones técnicas.</p><p>La segunda parte comienza con una revisión e introducción a los conceptos básicos:</p><p>dimensiones y unidades, densidad, concentración, velocidad de flujo, tiempo de retención y</p><p>aproximaciones. Conduce directamente a la introducción de los balances de materia, un tema</p><p>que se usa a lo largo del libro. La exposición de las reacciones es similar a lo que se habría</p><p>cubierto en un curso introductorio de fisicoquímica o ingeniería bioquímica y después se pre-</p><p>senta la teoría del reactor ideal, de modo muy parecido al material que se imparte en un curso</p><p>de operaciones unitarias de ingeniería química pero en un nivel comprensible para los estu-</p><p>diantes de ingeniería de primer ingreso. Luego se aplica el enfoque del balance de masa al flujo</p><p>de energía. Esta parte concluye con el reconocimiento de que algunas de las reacciones más</p><p>fascinantes ocurren en los ecosistemas, y éstos se describen con base en el enfoque del balance</p><p>de masa y la cinética de la reacción que se explicaron antes.</p><p>En la tercera parte, los conceptos fundamentales que se estudiaron en la segunda se</p><p>aplican a las áreas principales de la ingeniería ambiental. Comienza con la búsqueda de agua</p><p>limpia. ¿Cuándo está bastante limpia el agua y cómo medimos las características de su cali-</p><p>dad? A esta exposición le sigue una introducción al suministro y tratamiento del agua y luego</p><p>al tratamiento de aguas residuales. Debido a que la meteorología determina el movimiento de</p><p>los contaminantes del aire, este tema presenta una sección sobre contaminación del aire; se</p><p>exponen los tipos y las fuentes de contaminantes de interés y concluye con la evolución de los</p><p>Prefacioxvi</p><p>estándares de calidad del aire, el tratamiento de las emisiones y la dispersión de contaminantes.</p><p>En la gestión de residuos sólidos municipales y los residuos peligrosos se coloca el énfasis en</p><p>la necesidad de prevenir su generación; después se estudia la contaminación debida al ruido.</p><p>REQUERIMIENTOS Y PRESENTACIÓN</p><p>El material sobre ética se trata en un nivel básico, así que es comprensible para cualquier</p><p>profesor o estudiante de ingeniería; no se requiere ninguna preparación formal. El material</p><p>técnico se encuentra en un nivel que los ingenieros de reciente ingreso o los estudiantes de</p><p>ciencias ambientales pueden asimilar con facilidad. Se supone que el estudiante ha asistido al</p><p>menos a un curso de cálculo diferencial e integral, es útil en esta obra; un curso de química</p><p>universitaria también es útil pero no obligatorio.</p><p>que se obtienen durante toda una vida. Seis vidas salvadas valdrían</p><p>7.2 millones de dólares. Este beneficio es menor que el costo del control. Por tanto, con base en</p><p>el análisis de riesgo, no es rentable instalar el equipo para reducir la contaminación.</p><p>Pero, ¿qué pasa con la premisa de que una vida humana vale 1.2 millones de dólares? ¿Es</p><p>verdad? Si, en el ejemplo 2.7, se diera por hecho que una vida humana vale 5 millones de</p><p>dólares, el control de la contaminación estaría garantizado. Esto significa entonces que los 10</p><p>millones de dólares que se gastan en el control de la contaminación no podrían gastarse en</p><p>ampliar la planta o, en todo caso, en generar empleos que aumentaran la base de impuestos que</p><p>proporcionaría dinero para otros proyectos valiosos, como mejorar la educación, la salud o el</p><p>transporte. Veremos más sobre esto posteriormente.</p><p>Los cálculos de riesgo están repletos de este tipo de grandes incertidumbres. Por ejem-</p><p>plo, en el informe de la Academia Nacional de Ciencias de Estados Unidos se llegó a la con-</p><p>clusión de que dentro de unos 70 años la cantidad esperada de casos de cáncer de vejiga en las</p><p>personas de ese país, derivados de la exposición cotidiana a 120 mg de sacarina, oscilaría entre</p><p>Capítulo 2 Decisiones en ingeniería46</p><p>0.22 y 1.144 millones. Se trata de un rango impresionante, incluso para los toxicólogos. El pro-</p><p>blema, por supuesto, es que debemos extrapolar los datos sobre muchos órdenes de magnitud,</p><p>y a menudo los datos no se relacionan con los seres humanos sino con otras especies, lo que</p><p>exige, por ende, una conversión de especies. Sin embargo, los organismos gubernamentales se</p><p>colocan cada vez más en la posición de tomar decisiones sobre la base de datos así de falaces.</p><p>2.4.1 Procedimiento de análisis de riesgo ambiental</p><p>El análisis de riesgo ambiental ocurre en etapas diferenciadas.</p><p>I. Definir la fuente y el tipo de contaminante de interés. ¿De dónde proviene y qué es?</p><p>II. Identificar las rutas y tasas de exposición. ¿Cómo llega a los seres humanos para oca-</p><p>sionarles problemas de salud?</p><p>III. Identificar los receptores de interés. ¿Quiénes son las personas que están en riesgo?</p><p>IV. Determinar el posible impacto del contaminante para la salud del receptor. Es decir,</p><p>definir la relación entre dosis y respuesta, o los efectos adversos observados de las dosis</p><p>especificadas.</p><p>V. Decidir qué impacto es aceptable. ¿Qué efecto se considera tan bajo que resulte acepta-</p><p>ble para el público?</p><p>VI. Con base en el efecto permisible, calcular el nivel aceptable en el receptor, y luego la</p><p>emisión permisible máxima.</p><p>VII. Si la emisión o descarga es en la actualidad (o se planea que sea) superior al máximo</p><p>permisible, determinar qué tecnología es necesaria para alcanzar la emisión o descarga</p><p>máxima permisible.</p><p>I. Definir la fuente y el tipo de contaminante es más difícil de lo que parecería. Suponga</p><p>que se construirá una planta de tratamiento de residuos peligrosos cerca de un área poblada.</p><p>¿Qué tipos de contaminantes deberían considerarse? Si el complejo está destinado a la mezcla</p><p>y fundición de varios residuos peligrosos como parte del proceso para reducir su toxicidad,</p><p>¿qué productos de ese proceso deberían evaluarse? En otros casos, la identificación tanto del</p><p>contaminante de interés como de la fuente es un asunto sencillo, como sería la producción de</p><p>cloroformo durante la incorporación de cloro al agua potable, o la gasolina que se escapa por</p><p>goteo de un tanque de almacenamiento subterráneo.</p><p>II. Identificar la ruta puede ser bastante fácil, como en el caso de la cloración del agua.</p><p>En otras situaciones, como el efecto del plomo atmosférico, el contaminante puede entrar en el</p><p>cuerpo de varias formas, incluso por el alimento, la piel y el agua.</p><p>III. Identificar al receptor puede generar dificultades porque no todos los seres humanos</p><p>son de tamaño y salud estándar. La USEPA ha tratado de simplificar esos análisis al señalar</p><p>que todos los seres humanos adultos pesan 70 kg, viven 70 años, beben 2 L de agua al día y</p><p>respiran 20 m3 de aire a diario. Estos valores se utilizan para comparar riesgos.</p><p>IV. Definir el efecto es una de las etapas más difíciles en el análisis de riesgo porque</p><p>supone cierta respuesta de un cuerpo humano a varios contaminantes. Es una trivialidad con-</p><p>siderar dos tipos de efectos: los cancerígenos y los no cancerígenos.</p><p>Se supone que la curva de respuesta a la dosis en el caso de las sustancias tóxicas cance-</p><p>rígenas es lineal y tiene un umbral determinado. Como se aprecia en la curva A de la figura 2.2,</p><p>una dosis baja de un tóxico no ocasionaría un daño mensurable, pero cualquier incremento</p><p>mayor que el umbral tendría un efecto perjudicial. Se considera aceptable, por ejemplo, in-</p><p>gerir cierta cantidad de mercurio porque es imposible demostrar que esto tiene algún efecto</p><p>perjudicial en la salud humana. Sin embargo, se ha documentado que las dosis elevadas tienen</p><p>impactos negativos.</p><p>2.4 Decisiones basadas en el análisis de riesgo 47</p><p>C</p><p>A</p><p>B</p><p>0</p><p>0</p><p>Algunas toxinas, como el zinc, son en realidad nutrientes necesarios para nuestro sistema</p><p>metabólico y para gozar de buena salud. La ausencia de tales sustancias químicas en nuestra</p><p>alimentación es perjudicial, pero en dosis elevadas resultan tóxicas. Esta curva se muestra co-</p><p>mo B en la figura 2.2.</p><p>Figura 2.2 Tres curvas de respuesta a la dosis.</p><p>Benéfica</p><p>R</p><p>es</p><p>pu</p><p>es</p><p>ta</p><p>Perjudicial</p><p>Umbral de dosis de A</p><p>Dosis</p><p>Algunas autoridades señalan que la curva de respuesta a la dosis en el caso de los carcinógenos</p><p>es lineal, comenzando con un efecto de cero a una concentración de cero, y el efecto perju-</p><p>dicial aumenta linealmente, como lo demuestra la curva C en la figura 2.2. Cada dosis finita</p><p>de un carcinógeno puede causar luego un incremento finito en la incidencia del cáncer. De</p><p>acuerdo con un punto de vista alterno, el cuerpo es resistente a pequeñas dosis de carcinógenos</p><p>y hay un umbral por debajo del cual no hay un efecto adverso (en forma similar a la curva A).</p><p>La USEPA optó por la ruta más conservadora y elaboró lo que denomina un factor de</p><p>potencia de los carcinógenos. El factor de potencia se define como el riesgo de sufrir cáncer</p><p>(no necesariamente morir por su causa) producido por una dosis diaria promedio durante la</p><p>vida de 1 mg del contaminante/kg de peso corporal/día. La relación entre dosis y respuesta es,</p><p>por tanto,</p><p>Riesgo durante la vida = dosis diaria promedio × factor de potencia</p><p>Las unidades de dosis diaria promedio son de 1 mg de contaminante/kg de peso corporal/día.</p><p>Las del factor de potencia son por tanto (mg de contaminante/kg de peso corporal/día)−1. El</p><p>riesgo durante la vida carece de unidad. Se supone que la dosis es crónica después de un ciclo</p><p>de vida de 70 años. La EPA calculó los factores de potencia de muchas sustancias químicas co-</p><p>munes y los publicó en la base de datos del Sistema de Información de Riesgo Integral (IRIS;</p><p>Integrated Risk Information System) (www.epa.gov/iris). En la lista de esta base de datos apa-</p><p>recen los factores de potencia tanto de la ingestión como de la inhalación.</p><p>V. Decidir cuál es un riesgo aceptable quizá sea el parámetro más polémico en estos</p><p>cálculos. ¿Es aceptable un riesgo de uno en un millón? ¿Quién decide si este nivel lo es? Sin</p><p>duda, si preguntáramos a una persona que resultaría perjudicada si el riesgo fuera aceptable,</p><p>ella definitivamente diría que no.</p><p>Todo el concepto de riesgo aceptable presupone un sistema de valores que los ingenie-</p><p>ros ambientales y los científicos utilizan en su labor profesional. Por desgracia, este sistema</p><p>de valores no corresponde al que posee el público en su conjunto. Los ingenieros basan sus</p><p>decisiones en todas las acciones para alcanzar el mayor bien total. Por ejemplo, es aceptable</p><p>asignar un valor a una vida humana en forma aleatoria para lograr algún bien neto, y esto per-</p><p>mite que la USEPA calcule el riesgo asociado con los contaminantes y asigne uno</p><p>aceptable en</p><p>Capítulo 2 Decisiones en ingeniería48</p><p>una probabilidad de uno en un millón. El costo es muy pequeño en comparación con el bien</p><p>alcanzado y, por tanto (sigue el argumento), se acepta la decisión en interés del público.</p><p>Pero es posible presentar sólidos argumentos en el sentido de que la mayoría de los indi-</p><p>viduos no percibe su propio bienestar y el de los demás bajo la misma luz. El mayor interés de</p><p>casi toda la gente es su propia persona, pero reconoce que comportarse moralmente hacia los</p><p>demás también influye en su propio beneficio. Muchos individuos consideran injusto cualquier</p><p>análisis en el que los costos se asignen en forma desigual (como en el caso de la persona en un</p><p>millón que sufre algún daño). Muchas personas también consideran que es poco ético asignar</p><p>un valor a la vida humana y se niegan siquiera a analizar la proporción de una muerte en un</p><p>millón en el caso de un contaminante ambiental determinado. Por lo general, rehúsan aprove-</p><p>charse de un individuo en beneficio de muchos.</p><p>En una audiencia pública, un ingeniero tal vez anuncie que el efecto perjudicial neto de</p><p>las emisiones de un incinerador de sedimentos propuesto consiste en que las muertes por cán-</p><p>cer sólo aumentarán una en un millón y que este riesgo es bastante aceptable en razón del be-</p><p>neficio que se consigue con los fondos públicos ahorrados. Pero las personas, que no aprecian</p><p>este razonamiento, verán esta muerte como algo que se aleja de la ética de manera burda. Los</p><p>ingenieros a menudo han atribuido este desacuerdo a la ignorancia técnica de quienes no están</p><p>de acuerdo con ellos. Pero tal razonamiento al parecer es erróneo. No es la ignorancia técnica</p><p>sino un punto de vista ético diferente, o un sistema de valores distinto, lo que está en cuestión.</p><p>No queda del todo claro de qué modo el público en general tomaría decisiones de orden</p><p>social, como instalar vertederos, definir con claridad los bosques, utilizar materiales peligro-</p><p>sos en productos de consumo o elegir prácticas de eliminación de sedimentos si tuviera que</p><p>hacerlo. Si se le presiona, probablemente recurriría en realidad a una forma similar de análisis,</p><p>pero sólo después de agotar las demás opciones. El caso es que no se encuentra en posición</p><p>de tomar tales decisiones y, por tanto, está en libertad de criticar al ingeniero, quien a menudo</p><p>no entiende el punto de vista del público y quizá se sorprenda por lo que puede parecer un</p><p>comportamiento irracional.</p><p>VI. Calcular los niveles aceptables de contaminación es la siguiente etapa en el proceso</p><p>de análisis de riesgo. Es un cálculo aritmético sencillo porque las decisiones de valor ya se</p><p>han tomado.</p><p>VII. Finalmente, es necesario diseñar estrategias de tratamiento para cumplir con este</p><p>nivel de contaminación aceptable.</p><p>El ejemplo 2.8 ilustra el funcionamiento de este proceso.</p><p>EJEMPLO</p><p>2.8 Problema La USEPA lista el cromo VI como un carcinógeno con un factor de potencia por</p><p>vía de inhalación de 41 (mg/kg-día)−1. Se espera que un incinerador de sedimentos sin equipo</p><p>para el control de la contaminación del aire emita cromo VI a una tasa tal que la concentración</p><p>transportada por el aire en dirección del viento en el límite de la planta del incinerador sea de</p><p>0.001 μg/m3. ¿Será necesario tratar las emisiones para reducir el cromo VI con la finalidad</p><p>de permanecer dentro del nivel de riesgo de un caso de cáncer adicional por 106 personas?</p><p>Solución Se define la fuente, y la ruta es la inhalación de cromo VI. El receptor es la “per-</p><p>sona estándar”, de acuerdo con la USEPA, que pesa 70 kg, respira 20 m3 de aire al día y vive</p><p>70 años inmediatamente en la dirección del viento proveniente del incinerador, sin que le toque</p><p>un respiro de aire fresco. (Al margen de esto, considere la irracionalidad de esta premisa, pero,</p><p>¿de qué otra forma podría plantearse?) Se supone que la relación entre dosis y respuesta es</p><p>lineal y la ingestión crónica diaria (ICD) permisible se calcula relacionando el riesgo con el</p><p>factor de potencia.</p><p>2.4 Decisiones basadas en el análisis de riesgo 49</p><p>Riesgo = ingestión crónica diaria × factor de potencia</p><p>1 × 10−6 = ICD × 41(mg/kg-día)−1</p><p>ICD = 0.024 × 10−6 mg/kg-día</p><p>Luego se calcula la concentración de emisiones permisible.</p><p>ICD = volumen de aire inhalado por día</p><p>× concentración de cromo VI/kg de peso corporal</p><p>× =−</p><p>−</p><p>0.024 10 mg/kg-día</p><p>(20 m /día)(C g/m )(10 mg/ g)</p><p>70 kg</p><p>6</p><p>3 3 3μ μ</p><p>C = 0.085 × 10−6 mg/m3 o 0.085 × 10−3 μg/m3</p><p>El sistema emitirá 0.001 μg/m3, que es más de 0.000085 μg/m3; por tanto, el sistema no cumple</p><p>con los requisitos, de modo que se necesitan los controles de emisiones.</p><p>2.4.2 Gestión del riesgo ambiental</p><p>Si la responsabilidad del gobierno es proteger la vida de sus ciudadanos en contra de una</p><p>invasión extranjera o de la delincuencia, entonces también lo es preservar la salud y la vida</p><p>de sus ciudadanos ante otros posibles peligros, como la caída de puentes y los contaminantes</p><p>tóxicos en el aire. Sin embargo, el gobierno tiene un presupuesto limitado y cabe esperar que</p><p>sus recursos se distribuyan de tal modo que se logren los mayores beneficios para la salud y la</p><p>seguridad. Si dos sustancias químicas ponen en riesgo a las personas, entonces se justifica que</p><p>se dediquen fondos y esfuerzos a eliminar la que represente el mayor riesgo.</p><p>Pero, ¿es esto lo que en realidad queremos? Suponga, por ejemplo, que es más rentable</p><p>gastar dinero y recursos para hacer que las minas de carbón sean mucho más seguras de lo que</p><p>es la realización de misiones heroicas de rescate cuando ocurren accidentes. En términos de</p><p>riesgo, sería más eficaz invertir el dinero que tenemos en seguridad, en eliminar todas las briga-</p><p>das de rescate y sencillamente aceptar los pocos accidentes que ocurrirán en forma inevitable.</p><p>Pero como ya no habrá equipos de rescate, se abandonará a su suerte a los mineros atrapados.</p><p>Sin embargo, el efecto neto general sería que se perderían menos vidas en las minas de carbón.</p><p>Aunque esta conclusión sería eficaz en términos de riesgo, resultaría inaceptable. La vida</p><p>humana se considera sagrada. Este valor no significa que deban destinarse recursos infinitos a</p><p>salvar vidas, sino que uno de los rituales sagrados de nuestra sociedad es tratar de salvar a las</p><p>personas que se encuentran en circunstancias apremiantes o cruciales, como las víctimas de</p><p>accidentes, los trabajadores atrapados en las minas de carbón y cosas por el estilo. Por tanto,</p><p>los cálculos puramente racionales, como el ejemplo anterior de los mineros, quizá no nos con-</p><p>duzcan a conclusiones que nos resulten aceptables.3</p><p>En todos estos análisis de riesgo los beneficios son sólo para los seres humanos y se con-</p><p>sideran beneficios a corto plazo. De igual modo, los costos que se determinan en el análisis de</p><p>rentabilidad son costos presupuestarios reales, dinero que proviene directamente de las arcas</p><p>del organismo gubernamental. Por la dificultad que hay para cuantificarlos, en estos cálculos</p><p>no se incluyen los costos relacionados con la degradación ambiental y los costos a largo plazo.</p><p>El hecho de que no sea posible considerar con facilidad los costos a largo plazo y ambientales</p><p>en estos análisis, junto con el abuso patente del análisis de costo/beneficio por parte de los</p><p>organismos gubernamentales, hace que sea necesario aplicar otras herramientas para la toma</p><p>de decisiones: la evaluación de opciones y el análisis de impacto ambiental.</p><p>Capítulo 2 Decisiones en ingeniería50</p><p>2.5 DECISIONES BASADAS EN LA EVALUACIÓN DE OPCIONES</p><p>Ya desde la publicación en 1983 del llamado Libro Rojo del Consejo de Investigación Nacio-</p><p>nal, conocido también como Evaluación de riesgo en el gobierno federal: comprensión del</p><p>proceso (Risk Assessment in the Federal Government: Understanding the Process), la evalua-</p><p>ción del riesgo químico se ha institucionalizado en la aplicación regulatoria de un conjunto de</p><p>normas como un proceso en gran parte impulsado por la ciencia</p><p>que evalúa en forma cuanti-</p><p>tativa la probabilidad de riesgo.4 Pero, con los años, la gente ha cuestionado la eficacia de la</p><p>evaluación del riesgo para lograr lo que se pretende: proteger la salud y la seguridad de las</p><p>personas y el entorno. Cada vez resulta más claro que la evaluación del riesgo tiene limitacio-</p><p>nes cuando se utiliza para apoyar la sostenibilidad.</p><p>Una máxima común en el campo de la toxicología, que se atribuye a Paracelso en el</p><p>siglo xvi, es que “la dosis hace el veneno”. En realidad, lo que se supone que dijo fue: “Todo</p><p>es veneno y no hay nada que no sea veneno; sólo la dosis permite que algo no sea venenoso.”</p><p>En otras palabras, todas las sustancias químicas son venenosas en cierta dosis; hasta el agua</p><p>es peligrosa si usted bebe (o peor, inhala) demasiada. Pero, por supuesto, algunas sustancias</p><p>químicas generan sus efectos tóxicos en dosis mucho más bajas que otras. Hay cierta verdad</p><p>en esta máxima, pero los estudios recientes revelan que es más complicado que eso; no es sólo</p><p>la dosis lo que importa, sino también el tiempo de exposición y otros factores.</p><p>Como describimos en la sección anterior, en la evaluación del riesgo por lo común se</p><p>valoran los riesgos asociados con una sustancia. Se evalúa el riesgo asociado con la sustancia</p><p>química A separada de la sustancia química B, a menos que se sepa que A y B están relaciona-</p><p>das y tienen efectos interactivos. Por ejemplo, se calculan los factores de equivalencia tóxica</p><p>de los congéneres de la dioxina al mezclarse. Luego se suman los valores para evaluar el ries-</p><p>go. (Un congénere es una sustancia química análoga.) Pero no se considera el impacto de la</p><p>exposición a la combinación de A y B (por no hablar de C, D, E y F, cuando no son moléculas</p><p>muy similares). Sin embargo, las investigaciones científicas demuestran que los efectos no</p><p>dependen sólo de la dosis, sino de ésta en combinación con otros estresores en un organismo,</p><p>incluida la presencia de niveles muy bajos de sustancias químicas similares o disímiles en el</p><p>ambiente. Además, el tiempo de exposición es tan importante que la exposición dentro de una</p><p>ventana de desarrollo breve puede generar perturbaciones en el desarrollo normal mientras que</p><p>la exposición fuera de esa ventana no las produce.</p><p>Los científicos también descubren que los efectos aparecen en formas impredecibles.</p><p>La exposición a ciertas sustancias químicas en una edad temprana induce efectos que no</p><p>ocurren sino hasta mucho tiempo después en la vida. En ocasiones los impactos no serán eviden-</p><p>tes en absoluto en el organismo expuesto, sino que se manifiestan en la progenie después de una</p><p>o dos generaciones. La evaluación del riesgo como metodología estandarizada no aborda debi-</p><p>damente la información científica que evoluciona de manera constante, sobre todo cuando las</p><p>repercusiones de los peligros que se han identificado no se entienden a cabalidad y no se dispo-</p><p>ne de métodos de evaluación estandarizados. Esto es cierto de modo especial en los campos de</p><p>investigación más recientes, como los trastornos endocrinos, en los que niveles muy bajos</p><p>de exposición a ciertas sustancias químicas interfieren en el funcionamiento normal del siste-</p><p>ma endocrino, lo que genera diversos impactos posibles.</p><p>Aunque la evaluación del riesgo se utiliza para respaldar la toma de decisiones, es justo</p><p>decir que hay demasiadas variables para afirmar con certeza que dicha evaluación es completa</p><p>y segura. Sin embargo, sus conclusiones se utilizan para tomar decisiones políticas y regula-</p><p>torias importantes que influyen en la salud humana y el ambiente. Con frecuencia, las evalua-</p><p>ciones del riesgo tienen un peso legal y se tratan como algo definitivo desde el punto de vista</p><p>científico pese al hecho de que se basan en muchas suposiciones y una incertidumbre científica</p><p>2.5 Decisiones basadas en la evaluación de opciones 51</p><p>significativa. Además, las evaluaciones de riesgo son costosas y prolongadas, y mientras mayor</p><p>sea la complejidad que se busque para abordar una evaluación de riesgo, mayor será el costo.</p><p>En parte como respuesta a las limitaciones de la evaluación del riesgo, la evaluación de</p><p>opciones surge como un método que orienta la toma de decisiones hacia una salud, seguridad</p><p>y sostenibilidad humana y ambiental mejores. La evaluación de opciones, en el caso de las</p><p>sustancias químicas, complementa la evaluación del riesgo pues identifica las opciones que</p><p>representan un peligro menor. La evaluación del riesgo trata de responder la pregunta: “¿Es</p><p>aceptable el riesgo?” Esta interrogante genera una respuesta afirmativa o negativa a la pregunta</p><p>“¿qué opción es más segura?”, que sustenta una estrategia de mejoramiento continuo.</p><p>La historia siguiente del libro de Mary O’Brien, Making Better Environmental Deci-</p><p>sions: An Alternative to Risk Assessment, ilustra una diferencia importante entre la evaluación</p><p>de riesgo y la evaluación de opciones.5</p><p>Imagine a una mujer, de pie junto un río de montaña de aguas gélidas, con la intención de cruzar</p><p>hacia el otro lado. Un equipo de cuatro evaluadores de riesgo se encuentra junto a ella, revisando</p><p>su situación. El toxicólogo le dice que debería vadear el río porque no es tóxico, sólo está frío. El</p><p>cardiólogo manifiesta que debería vadearlo porque se ve joven y no está resfriada. Sus riesgos de</p><p>sufrir un infarto, por tanto, son bajos. El hidrólogo comenta que debería vadearlo porque ha visto</p><p>otros ríos parecidos y estima que éste no tiene más de 1.20 m (aproximadamente 4 pies) de profun-</p><p>didad y probablemente no se generen torbellinos en este sitio. Al final, el especialista en normas</p><p>de la EPA dice que ella debería vadear el río porque, en comparación con el calentamiento global,</p><p>la reducción de la capa de ozono y la pérdida de diversidad de especies, los riesgos de atravesarlo</p><p>son triviales.</p><p>La mujer se niega a vadear el río. “¿Por qué?”, preguntan los evaluadores de riesgos. Le mues-</p><p>tran sus cálculos, explicándole en forma condescendiente que el riesgo que tiene de morir al ha-</p><p>cerlo es de 1 en 40 millones.</p><p>Sin embargo, ella se niega a hacerlo. “¿Por qué?”, preguntan una vez más los evaluadores de</p><p>riesgos, frustrados por esta mujer que no entiende con claridad la naturaleza de los mismos.</p><p>La mujer señala río arriba y dice: “Porque allá hay un puente”.</p><p>Los expertos en esta historia basan sus recomendaciones en los resultados de su evaluación</p><p>de los riesgos de una sola opción: vadear un río de aguas gélidas. La mujer evalúa sus opcio-</p><p>nes, y una de ellas es usar un puente para atravesarlo.</p><p>La meta de la evaluación de opciones es identificar las alternativas posibles para las</p><p>sustancias químicas, los productos o los procesos existentes, y elegir entre ellas las más sanas</p><p>y que protejan mejor el ambiente. La evaluación de opciones es, por tanto, un proceso de com-</p><p>paración que se creó para generar prácticas y productos más seguros y menos tóxicos. Lograr</p><p>una seguridad relativamente mayor depende de las opiniones sobre diversos factores, entre los</p><p>que se encuentran las exposiciones relativas, los peligros para la salud humana y el ambiente,</p><p>lo mismo que consideraciones sobre el ciclo de vida, sociales y económicas.</p><p>Si nos centramos en la química y la ingeniería ecológicas, una evaluación de opciones</p><p>por lo común comprende uno o más de los componentes de una evaluación de riesgo tradicio-</p><p>nal, pero el enfoque se dirige hacia la comparación de las opciones que: 1) estén disponibles,</p><p>o 2) puedan desarrollarse. Esto quiere decir que se evalúan la utilidad/funcionalidad (bene-</p><p>ficios), los costos, los peligros, las exposiciones y los riesgos relativos de las opciones para</p><p>descubrir o identificar situaciones que ofrezcan oportunidades de ganancia doble o triple. Entre</p><p>los ejemplos se hallan: 1) los tejidos que retardan la combustión, en los que se consideran no</p><p>sólo sustancias químicas alternas que retrasan la hinchazón, sino también otros géneros no re-</p><p>cubiertos</p><p>en los que se utilizan nuevos métodos de tejido que son más resistentes al fuego o de</p><p>combustión más lenta, y 2) opciones no fibrosas para el asbesto.</p><p>El énfasis se coloca en el replanteamiento de la interrogante de la política pública: no</p><p>se trata de “¿cuáles son los riesgos, beneficios y costos definitivos de un producto, proceso</p><p>Capítulo 2 Decisiones en ingeniería52</p><p>o método existente peligroso?”, sino más bien de “¿cuáles son las alternativas que existen o</p><p>que podrían crearse para lograr una funcionalidad igual o mejor a un riesgo y quizá un costo</p><p>menores, que refleje un equilibrio óptimo entre riesgos, costos y beneficios?” Los progresos</p><p>en la química o la ingeniería ecológicas darían forma a esta reformulación y eso permitiría que</p><p>fuese más fácil evaluar los riesgos, beneficios y costos relativos de las opciones tecnológicas</p><p>alternas, con la intención de elevar de manera continua el parámetro para alcanzar el grado más</p><p>alto de salud humana y beneficio ambiental, lo mismo que un mejor desempeño. Hay diversos</p><p>métodos para la evaluación de opciones que difieren en cuanto a su finalidad, alcance y otras</p><p>características.6 Uno de los principales es el Programa de Diseño del Ambiente de la USEPA.</p><p>Este Diseño del Ambiente (DfE; Design for the Environment) fomenta la prevención de</p><p>la contaminación además de otras actividades para la reducción de riesgos en los sectores in-</p><p>dustriales al comparar la salud humana y los riesgos ambientales, y considerar el desempeño y</p><p>el costo de los productos, procesos y prácticas existentes y alternas. El DfE logra esto en forma</p><p>innovadora: formando asociaciones con la industria así como con otras partes interesadas para</p><p>generar información sobre los impactos ambientales y en la salud humana, el desempeño y el</p><p>costo de tecnologías y métodos más limpios. El DfE difunde después la información para ayu-</p><p>dar a las empresas a diseñar y rediseñar productos y procesos rentables que sean más limpios</p><p>y seguros para los trabajadores y el público.</p><p>Con estas asociaciones, el diseño apoya a las organizaciones para que recaben y evalúen</p><p>información que tal vez no podrían reunir en forma independiente, ya sea por el costo que ésta</p><p>supone o porque se encuentra protegida por una patente. Los fabricantes de sustancias quí-</p><p>micas comparten las fórmulas patentadas con el DfE gracias a estas asociaciones voluntarias</p><p>debido a la forma en que se maneja y presenta la información sobre los posibles riesgos. Los</p><p>fabricantes revelan por completo los ingredientes al DfE y éste mantiene la confidencialidad</p><p>de la información. Sin embargo, hace que los resultados de las evaluaciones de riesgo sean</p><p>accesibles al público sin revelar los porcentajes exactos de los elementos constitututivos o sin</p><p>identificar las sustancias químicas patentadas. Este proceso protege información empresarial</p><p>importante y confidencial que preserva la competitividad de una compañía, pero proporciona</p><p>a los consumidores y otros grupos de interés la información pertinente en materia de salud y</p><p>seguridad humana y ambiental que necesitan para tomar decisiones bien fundamentadas.</p><p>Un ejemplo de relación exitosa con el DfE es la Asociación para el Retardo de la Com-</p><p>bustión de Muebles.7 El éter de pentabromodifenilo (pentaBDE) era el principal retardante</p><p>de llamas que se utilizaba en la espuma para los muebles de poliuretano flexible de baja den-</p><p>sidad. Debido a la preocupación existente respecto a su uso y al hecho de que se hallaba en</p><p>forma generalizada en el ambiente, el tejido humano y la leche materna, en enero de 2004 los</p><p>fabricantes estadounidenses lo retiraron en forma paulatina y voluntaria de la producción. La</p><p>industria necesitaba opciones para cumplir con los requisitos de retardo en la combustión de</p><p>los muebles, pero no contaba con la información necesaria en materia de salud y seguridad hu-</p><p>mana y ambiental para comparar las distintas posibilidades. El DfE trabajó con los fabricantes</p><p>de muebles, de espumas y proveedores de sustancias químicas retardantes de la combustión,</p><p>lo mismo que con grupos gubernamentales y ambientales para evaluar las opciones posibles.</p><p>Se presentaron ante la USEPA 14 fórmulas confidenciales de sustancias químicas al-</p><p>ternativas y se evaluaron con base en diversas variables de evaluación sobre salud humana y</p><p>toxicidad ecológica, además del potencial de acumulación biológica y persistencia ambiental;</p><p>también en función de una posible exposición de los trabajadores, usuarios y el entorno acuáti-</p><p>co, y se estableció una distinción entre los retardantes de la combustión que reaccionan dentro</p><p>de la espuma y los que se agregan a ésta que pueden filtrarse con mayor facilidad. Donde ha-</p><p>bía brechas en los datos, los expertos de la USEPA utilizaron modelos y sustancias químicas</p><p>análogas para estimar el peligro de alguna variable de evaluación determinada. La bibliografía</p><p>y las revisiones de datos de prueba se publicaron en el informe final, “Environmentally Pre-</p><p>2.5 Decisiones basadas en la evaluación de opciones 53</p><p>ferable Options for Furniture Fire Safety: Low Density Furniture Foam”, disponible en el</p><p>sitio web del DfE. Además, cada variable de evaluación se clasificó en función de un nivel de</p><p>peligrosidad (elevado, moderado o bajo) según los criterios utilizados por el Nuevo Programa</p><p>de Sustancias Químicas de la USEPA para calificar el nivel de peligrosidad de las nuevas sus-</p><p>tancias químicas sometidas a su consideración de acuerdo con la Ley de Control de Sustancias</p><p>Tóxicas (TSCA; Toxic Substance Control Act). El DfE observó dónde se basaban los valores</p><p>en datos experimentales (en negritas) y dónde se habían estimado con base en modelos o en</p><p>sustancias químicas análogas (con cursivas). En la figura 2.3 se presenta una sección de la tabla</p><p>que resume los resultados de la evaluación.</p><p>Compañía Sustancia química %</p><p>e</p><p>n</p><p>la</p><p>f</p><p>ó</p><p>rm</p><p>u</p><p>la</p><p>3</p><p>Efectos en la salud humana Ecotoxicidad Ambiental Posibles rutas de exposición</p><p>¿Reactivo</p><p>o aditivo?P</p><p>el</p><p>ig</p><p>ro</p><p>d</p><p>e</p><p>cá</p><p>n</p><p>ce</p><p>r</p><p>Se</p><p>n</p><p>si</p><p>b</p><p>ili</p><p>za</p><p>n</p><p>te</p><p>c</p><p>u</p><p>tá</p><p>n</p><p>eo</p><p>R</p><p>ep</p><p>ro</p><p>d</p><p>u</p><p>ct</p><p>iv</p><p>o</p><p>En</p><p>e</p><p>l d</p><p>es</p><p>a</p><p>rr</p><p>o</p><p>llo</p><p>N</p><p>eu</p><p>ro</p><p>ló</p><p>g</p><p>ic</p><p>o</p><p>Si</p><p>st</p><p>ém</p><p>ic</p><p>o</p><p>G</p><p>en</p><p>o</p><p>to</p><p>x</p><p>ic</p><p>id</p><p>a</p><p>d</p><p>A</p><p>g</p><p>u</p><p>d</p><p>o</p><p>C</p><p>ró</p><p>n</p><p>ic</p><p>o</p><p>P</p><p>er</p><p>si</p><p>st</p><p>en</p><p>ci</p><p>a</p><p>B</p><p>io</p><p>a</p><p>cu</p><p>m</p><p>u</p><p>la</p><p>ci</p><p>ó</p><p>n</p><p>Trabajador</p><p>Población en</p><p>general</p><p>A</p><p>cu</p><p>á</p><p>ti</p><p>co</p><p>In</p><p>h</p><p>a</p><p>la</p><p>ci</p><p>ó</p><p>n</p><p>D</p><p>ér</p><p>m</p><p>ic</p><p>o</p><p>In</p><p>g</p><p>es</p><p>ti</p><p>ó</p><p>n</p><p>In</p><p>h</p><p>a</p><p>la</p><p>ci</p><p>ó</p><p>n</p><p>D</p><p>ér</p><p>m</p><p>ic</p><p>o</p><p>In</p><p>g</p><p>es</p><p>ti</p><p>ó</p><p>n</p><p>Supresta AB053</p><p>Tris(1,3-dicloro-2-propil)fosfato CASO #</p><p>13674-87-8</p><p>M B M M B M M M M M B N S S N S S S Aditivo</p><p>Supresta AC003</p><p>Éster de fosfato orgánico patentado I 92-99% B B B B B M B E E E B P S S N S S S Aditivo</p><p>Trifenil fosfato CASO # 115-86-6 1-8% B B B B B M B E E B B S S S S S S S Aditivo</p><p>Supresta AC073</p><p>Trifenil fosfato CASO #115-86-6 38-48% B B B B B M B E E B B S S S S S S S Aditivo</p><p>Fosfato de alquilo patentado J 40-46% B B B B B M M* B E B B S S S S S S S Aditivo</p><p>Fosfato de alquilo patentado K 12-18% B B B B B M B B B B B P S S N S N N Aditivo</p><p>Fosfato de alquilo patentado L 1-3% B B B B B M B B B B B P S S N S N N Aditivo</p><p>Supresta Fyrol FR-2</p><p>Tris(1,3-dicloro-2-propil)fosfato CASO #</p><p>13674-87-8</p><p>99% M B M M B M M M M M B N S S N S S S Aditivo</p><p>B = Peligrosidad baja</p><p>M1 = Peligrosidad moderada</p><p>E = Peligrosidad elevada</p><p>B, M1 o E = Variable de evaluación asignada con ayuda de valores estimados y opiniones profesionales (relaciones de actividad estructural)</p><p>N = No</p><p>S = Sí</p><p>P = Sí, en el caso de una sustancia química pura</p><p>* Los estudios actuales pueden generar un cambio en esta variable de evaluación.</p><p>Se esperan productos con degradación persistente2</p><p>Figura 2.3 Matriz de la USEPA para la evaluación de los riesgos de los retardantes en la</p><p>combustión de muebles. (U. S. Environmental Protection Agency.)</p><p>E N F O Q U E</p><p>El Fondo Verde para Sustancias Químicas Segu-</p><p>ras (conocido como Fondo Verde) desarrollado</p><p>por Clean Production Action, organización no</p><p>gubernamental defensora del ambiente y la sa-</p><p>lud humana, se desarrolló</p><p>sobre el trabajo de las</p><p>Asociaciones para el Retardo en la Combustión</p><p>del DfE.8 Dado que el método de evaluación de</p><p>opciones del DfE no se creó para clasificar los</p><p>retardantes de la combustión, se plantearon in-</p><p>terrogantes sobre cómo identificar mejor la opción</p><p>que en efecto fuera más benigna. No se conside-</p><p>ró que alguna de las opciones tuviera un grado de</p><p>peligrosidad bajo en todas las variables de evalua-</p><p>ción. Cada una de éstas se asociaba con uno o más</p><p>Fondo Verde para Sustancias Químicas Seguras</p><p>Capítulo 2 Decisiones en ingeniería54</p><p>peligros, pero no todos los peligros se percibían</p><p>iguales. Por ejemplo, ¿sería mejor elegir un re-</p><p>tardante de la combustión que ocasione cáncer o</p><p>irritación cutánea? Se plantearon preguntas sobre</p><p>cómo comparar y priorizar los peligros para iden-</p><p>tificar opciones mucho más seguras (cómo consi-</p><p>derar los equilibrios entre los peligros). El Fondo</p><p>Verde se diseñó para apoyar este tipo de toma de</p><p>decisiones por parte de empresas, gobiernos e in-</p><p>dividuos preocupados por los riesgos que repre-</p><p>sentan las sustancias químicas, lo mismo que para</p><p>hacer que progresara el desarrollo de la química</p><p>ecológica y fuera un componente en el camino ha-</p><p>cia el diseño sostenible de productos y los flujos</p><p>de materiales sostenibles.</p><p>El Fondo Verde define cuatro parámetros en</p><p>la ruta hacia la obtención de sustancias químicas</p><p>más seguras, lo que ayuda a dar perspectiva y a</p><p>priorizar las opciones químicas con base en los pe-</p><p>ligros y las combinaciones de peligros.</p><p>químicos como “Evitar: sustancia química</p><p>con grado de peligrosidad elevado”.</p><p>químicos como “Usar, pero buscar sustitu-</p><p>tos más seguros”.</p><p>químicas como “Usar, pero aún hay opor-</p><p>tunidad de mejora”.</p><p>químicas como “Preferir: sustancia quími-</p><p>ca segura”.</p><p>Cada parámetro consta de un conjunto de crite-</p><p>rios de peligrosidad relacionados que abarca una</p><p>combinación de peligros y valores dentro de un</p><p>umbral que una sustancia química debe pasar,</p><p>junto con sus productos de descomposición co-</p><p>nocidos y predichos (productos y metabolitos de</p><p>degradación ambiental), para progresar al siguien-</p><p>te parámetro. Los criterios de cada parámetro se</p><p>vuelven cada vez más exigentes en términos de</p><p>salud y seguridad ambiental y humana, siendo el</p><p>parámetro 4 el que representa la sustancia química</p><p>menos peligrosa.</p><p>2.6 DECISIONES BASADAS EN EL ANÁLISIS DE IMPACTO AMBIENTAL</p><p>El 1 de enero de 1970, el presidente Richard M. Nixon firmó la Ley de Política Ambiental Na-</p><p>cional (NEPA; National Environmental Policy Act), que se creó para “fomentar una armonía</p><p>productiva y gozosa entre el hombre y su ambiente”. Como con otras legislaciones imaginati-</p><p>vas y que han marcado un hito, la ley contenía muchas disposiciones que resultaba difícil im-</p><p>plementar en la práctica. No obstante, constituyó el modelo para las legislaciones ambientales</p><p>que la mayor parte del mundo occidental adoptó poco tiempo después.</p><p>Con la NEPA se estableció el Consejo sobre Calidad Ambiental (CEQ; Council on En-</p><p>vironmental Quality), que debía ser un organismo de control sobre las actividades federales</p><p>que influyen en el ambiente; el CEQ rendía cuentas directamente al presidente. El medio por</p><p>el cual el CEQ vigilaría la actividad federal importante en materia de impacto al ambiente era</p><p>un informe llamado declaración de impacto ambiental (DIA). Esta disposición poco conside-</p><p>rada en la NEPA, escondida en la sección 102, estipula que la DIA debe ser un inventario, un</p><p>análisis y una evaluación del efecto de un proyecto planificado sobre la calidad ambiental. En</p><p>el caso de cada proyecto significativo, el organismo federal en cuestión debe redactar la DIA</p><p>primero como borrador, y luego presentarla para recibir comentarios públicos. Por último,</p><p>el informe vuelve a redactarse tomando en cuenta la opinión pública y las observaciones de</p><p>los demás organismos gubernamentales. Cuando está terminada, la DIA se presenta ante la</p><p>USEPA.</p><p>El impacto de la sección 102 de la NEPA en los organismos federales fue traumático</p><p>porque no estaban preparados en términos de recursos humanos o capacitación, ni tenían la</p><p>2.6 Decisiones basadas en el análisis de impacto ambiental 55</p><p>capacidad psicológica para aceptar esta nueva restricción (así lo consideraban) a sus activi-</p><p>dades. Por tanto, los primeros años de la DIA fueron tormentosos, y varias declaraciones del</p><p>impacto ambiental se juzgaron en los tribunales de justicia.</p><p>Por supuesto, surge un conflicto cuando la opción de rentabilidad, o la que tiene la mayor</p><p>razón de costo/beneficio (C/B), también da por resultado el mayor impacto ambiental (IA) ad-</p><p>verso. Es preciso tomar decisiones, y muy a menudo el primero le gana al segundo. No obstan-</p><p>te, es significativo que, desde 1970, se debe considerar el efecto que un proyecto puede causar</p><p>en el ambiente, en tanto que, antes de 1970, estas preocupaciones ni siquiera se reconocían y</p><p>mucho menos se incluían en el proceso de toma de decisiones.</p><p>Los organismos gubernamentales realizan estudios de IA internos y proponen sólo los</p><p>proyectos que tienen tanto una razón de C/B alta como un impacto ambiental adverso bajo. La</p><p>mayoría de las declaraciones de IA se redactan, por tanto, como la justificación de una opción</p><p>por la que el organismo ya ha optado.</p><p>Aunque el CEQ desarrolló pautas para la declaración de impacto ambiental, la forma de</p><p>esta última aún es variable y en cada una hay juicios (algunos dirían prejuicios) e información</p><p>cualitativa considerables. Al parecer cada organismo ha elaborado su propia metodología dentro</p><p>de las limitaciones que imponen las pautas del CEQ, y resulta difícil afirmar que un formato</p><p>sea superior a otro. En virtud de que no hay una DIA estándar, el análisis siguiente es una des-</p><p>cripción de varias opciones dentro del marco de referencia general. Se señala que la DIA debe</p><p>dividirse en tres partes: inventario, evaluación y valoración.</p><p>2.6.1 Inventario</p><p>La primera responsabilidad al redactar cualquier DIA es recabar datos, como la información</p><p>hidrológica, meteorológica o biológica. En el inventario se incluye, por ejemplo, un listado de</p><p>las especies de plantas y animales del área de interés. No se toman decisiones en esta etapa</p><p>porque todo pertenece propiamente al inventario.</p><p>2.6.2 Valoración</p><p>La segunda etapa es la parte del análisis, que por lo común se denomina evaluación. Se trata</p><p>del aspecto mecánico de la DIA en cuanto a que el mecanismo de valoración se alimenta con</p><p>los datos recabados en el inventario y, en consecuencia, se procesan las cifras. Se han propues-</p><p>to numerosas metodologías de valoración, pero a continuación sólo se describen algunas.</p><p>La lista de verificación cuantificada es posiblemente el método cuantitativo más sencillo</p><p>para comparar opciones. En primer lugar, consiste en un listado de los aspectos del ambiente que</p><p>podrían verse afectados por el proyecto propuesto y, en segundo lugar, en una estimación de:</p><p>a) La importancia del impacto</p><p>b) Su magnitud</p><p>c) Su naturaleza (sea negativo o positivo)</p><p>De manera común, a la importancia se le asignan cifras entre 0 y 5, donde 0 significa sin</p><p>importancia en tanto que 5 supone una importancia extrema. Se emplea una escala similar en</p><p>el caso de la magnitud, donde la naturaleza se expresa sencillamente con −1 en el caso de un</p><p>impacto negativo (adverso) y con + 1 si es positivo (benéfico). El impacto ambiental (IA) se</p><p>calcula entonces como:</p><p>EI=</p><p>n∑</p><p>i=1</p><p>(Ii × Mi × Ni )</p><p>Capítulo 2 Decisiones en ingeniería56</p><p>donde I</p><p>i</p><p>= importancia del i-ésimo impacto</p><p>M</p><p>i</p><p>= magnitud del i-ésimo impacto</p><p>N</p><p>i</p><p>= naturaleza del i-ésimo impacto, de modo que N = +1 si es benéfico, y N = −1</p><p>si es perjudicial</p><p>n = cantidad total de aspectos de interés</p><p>El ejemplo 2.9 ilustra el uso de la lista de verificación cuantificada.</p><p>EJEMPLO</p><p>2.9 Problema Al retomar el ejemplo 2.3, la comunidad tiene dos opciones: aumentar la frecuencia</p><p>de recolección de desperdicios de 1 a 2 veces por</p><p>semana o permitir la quema de basura en los</p><p>patios traseros. Analice estas dos opciones con ayuda de una lista de verificación cuantitativa.</p><p>Solución En primer lugar, se presenta una lista de los ámbitos de impacto ambiental. Por ra-</p><p>zones de brevedad, a continuación sólo se muestran seis ámbitos; sin embargo, reconozca que</p><p>una evaluación concienzuda incluiría muchos otros aspectos de interés. Después de esto, se</p><p>asignan valores de importancia y magnitud (0 a 5) y se indica la naturaleza del impacto (+/−).</p><p>Luego se multiplican las tres columnas.</p><p>Opción 1: aumentar la frecuencia de recolección</p><p>Importancia Magnitud Naturaleza Impacto</p><p>Aspecto de interés (I) (M) (N) (I × M × N)</p><p>Contaminación del aire 4 2 −1 −8</p><p>(camiones)</p><p>Ruido 3 3 −1 −9</p><p>Basura en las calles 2 2 −1 −4</p><p>Olor 2 3 −1 −6</p><p>Congestionamiento de tránsito 3 3 −1 −9</p><p>Contaminación de agua 4 0 −1 0</p><p>subterránea</p><p>(Nota: no se verterá ningún desperdicio nuevo.)</p><p>IA = −36</p><p>Opción 2: quemar en el patio trasero</p><p>Importancia Magnitud Naturaleza Impacto</p><p>Aspecto de interés (I) (M) (N) (I × M × N)</p><p>Contaminación del aire (camiones) 4 4 −1 −16</p><p>Ruido 0 0 −1 0</p><p>Basura 2 1 +1 +2</p><p>(Nota: el sistema de recolección actual genera basura.)</p><p>Olor 2 4 −1 −8</p><p>Congestionamiento de tránsito 0 0 −1 0</p><p>Contaminación de agua 4 1 +1 +4</p><p>subterránea</p><p>(Nota: se verterá menos basura.)</p><p>IA = −18</p><p>Sobre la base de este análisis, quemar los desperdicios generaría una reacción adversa menor.</p><p>2.6 Decisiones basadas en el análisis de impacto ambiental 57</p><p>EJEMPLO</p><p>2.10 Problema Retomando el ejemplo 2.3, utilice la técnica de evaluación de la matriz de interac-</p><p>ción para decidir sobre las opciones presentadas.</p><p>Solución Advierta una vez más que se trata de listas incompletas que sólo se usan para fines</p><p>ilustrativos. Los resultados indican de nuevo que tiene más sentido quemar el papel.</p><p>Matriz de interacción</p><p>En el caso de proyectos sencillos, la lista de verificación cuantificada es una técnica de eva-</p><p>luación conveniente, pero resulta difícil para los proyectos más grandes que tienen muchas</p><p>acciones pequeñas que se combinan para generar el producto final general, como la construc-</p><p>ción de una presa. El efecto de cada una de estas acciones más pequeñas debe juzgarse por</p><p>separado en lo que respecta a su impacto. Una interacción así entre las acciones individuales</p><p>y los aspectos de interés da lugar a la matriz de interacción, en la que se juzgan, una vez más,</p><p>la importancia y la magnitud de la interacción (como la escala de 0 a 5 que se utilizó antes).</p><p>Parece haber un acuerdo sobre qué cálculo debe realizarse para generar la cantidad numérica</p><p>final. En algunos casos la importancia se multiplica por la magnitud y los productos se suman</p><p>como antes, mientras que hay otro procedimiento que consiste sólo en sumar todas las cifras</p><p>en la tabla. En el ejemplo 2.10 se suman los productos en una gran adición que aparece en la</p><p>esquina inferior derecha de la matriz.</p><p>–4</p><p>2</p><p>–3</p><p>3</p><p>–2</p><p>3</p><p>0</p><p>0</p><p>–23 –34–6 –5</p><p>–2</p><p>2</p><p>–2</p><p>1</p><p>0</p><p>0</p><p>0</p><p>0</p><p>–1</p><p>1</p><p>–2</p><p>1</p><p>–2</p><p>1</p><p>–4</p><p>0 0</p><p>–8</p><p>–13</p><p>–13</p><p>–4</p><p>4</p><p>0</p><p>0</p><p>–2</p><p>4</p><p>0</p><p>0</p><p>–24 –16+2 +6</p><p>0</p><p>0</p><p>+1</p><p>1</p><p>+1</p><p>1</p><p>0</p><p>0</p><p>0</p><p>0</p><p>+1</p><p>1</p><p>+1</p><p>1</p><p>+4</p><p>1 +4</p><p>–6</p><p>+2</p><p>–16</p><p>Opción 1:</p><p>Aumentar la frecuencia de recolección</p><p>Opción 2:</p><p>Quemar la basura</p><p>Acciones Acciones</p><p>R</p><p>ec</p><p>ol</p><p>ec</p><p>ci</p><p>ón</p><p>co</p><p>n</p><p>ca</p><p>m</p><p>ió</p><p>n</p><p>Q</p><p>ue</p><p>m</p><p>a</p><p>de</p><p>ba</p><p>su</p><p>ra</p><p>Contaminación</p><p>del aire</p><p>Contaminación</p><p>del aire</p><p>Ruido Ruido</p><p>Olor Olor</p><p>Contaminación</p><p>de agua</p><p>subterránea</p><p>Contaminación</p><p>de agua</p><p>subterránea</p><p>T</p><p>ra</p><p>ns</p><p>po</p><p>rt</p><p>e</p><p>a</p><p>ti</p><p>ra</p><p>de</p><p>ro</p><p>M</p><p>en</p><p>os</p><p>de</p><p>sp</p><p>er</p><p>di</p><p>ci</p><p>os</p><p>qu</p><p>e</p><p>re</p><p>co</p><p>le</p><p>ct</p><p>ar</p><p>E</p><p>lim</p><p>in</p><p>ac</p><p>ió</p><p>n</p><p>en</p><p>t</p><p>ir</p><p>ad</p><p>er</p><p>o</p><p>M</p><p>en</p><p>os</p><p>de</p><p>sp</p><p>er</p><p>di</p><p>ci</p><p>os</p><p>en</p><p>t</p><p>ir</p><p>ad</p><p>er</p><p>o</p><p>A</p><p>sp</p><p>ec</p><p>to</p><p>d</p><p>e</p><p>in</p><p>te</p><p>ré</p><p>s</p><p>A</p><p>sp</p><p>ec</p><p>to</p><p>d</p><p>e</p><p>in</p><p>te</p><p>ré</p><p>s</p><p>Antes de pasar a la siguiente técnica debemos reiterar que el método que se ilustra en el</p><p>ejemplo 2.10 puede tener muchas variantes y modificaciones, ninguna de las cuales es correcta</p><p>o incorrecta, sino que depende del tipo de análisis realizado, para quién se prepara el informe</p><p>Capítulo 2 Decisiones en ingeniería58</p><p>y qué se analiza. La iniciativa individual a menudo es el componente más valioso en el desa-</p><p>rrollo de una DIA útil.</p><p>La lista de verificación de parámetro común ponderado es otra técnica para la evaluación</p><p>del impacto ambiental. Difiere de la lista de verificación cuantificada sólo en que, en lugar de</p><p>utilizar cifras de importancia y magnitud arbitrarias, el término importancia se denomina efec-</p><p>to (E) y se calcula a partir de datos ambientales reales (o valores cuantitativos pronosticados),</p><p>y la magnitud se expresa como factores de ponderación (P).</p><p>El objetivo básico de esta técnica consiste en reducir todos los datos a un parámetro</p><p>común, lo cual permite sumar los valores. Los datos (reales o pronosticados) se traducen en el</p><p>término efecto por medio de una función que describe la relación entre la variación del valor</p><p>mensurable y el efecto de esa variación. Esta función se extrae por cada interacción con base</p><p>en cada caso. En la figura 2.5 se ilustran tres funciones comunes. Todas estas curvas muestran</p><p>que a medida que aumenta el valor de la cantidad medida también se incrementa el efecto</p><p>adverso en el ambiente (A), pero que esta relación puede adoptar varias formas. El valor de A</p><p>oscila entre 0 y más o menos (+/−) 1.0, donde el signo positivo supone un impacto benéfico y</p><p>el negativo, uno perjudicial.</p><p>E N F O Q U E</p><p>La región de Tampa Bay, Florida, comprende la</p><p>ciudad de Tampa, en tierra firme, y la venerable</p><p>St. Petersburg, ubicada en el lado de la bahía,</p><p>conectadas por una larga carretera elevada (figu-</p><p>ra 2.4). Al aumentar la población de la región en</p><p>las últimas décadas, los gobiernos locales tuvieron</p><p>que encontrar agua para los ciudadanos. La desa-</p><p>linización resulta muy costosa y no hay grandes</p><p>ríos que puedan aprovecharse para el suministro</p><p>de superficie, de modo que la autoridad responsa-</p><p>ble de las aguas de la localidad, Tampa Bay Water</p><p>(TBW), decidió que el agua subterránea era la úni-</p><p>ca opción y construyó un sistema de pozos por toda</p><p>la región. No se disponía de más agua dulce del</p><p>lado de St. Petersburg, pues la intrusión de agua</p><p>salada destruiría el recurso de agua dulce restante.</p><p>(El agua marina, al ser más pesada que la dulce,</p><p>se filtra bajo el lente de agua dulce, y finalmente</p><p>todos los pozos bombean agua de mar.)</p><p>De modo que TBW empezó a bombear una</p><p>cantidad cada vez mayor de agua dulce desde</p><p>tierra firme. Los efectos del bombeo pueden de-</p><p>mostrarse mejor con lo que ocurrió a una familia.</p><p>En 1988, Steve y Cathy Monsees se mudaron a</p><p>Pasco County y compraron una propiedad con un</p><p>estanque de 5 acres (2.02 hectáreas) en la parte</p><p>trasera, y el lago Prairie de 100 acres (40.47 hectá-</p><p>reas) hacia el frente. Para su consternación, vieron</p><p>cómo se secaba el lago Prairie, y a principios de</p><p>la década de 1990 había desaparecido por com-</p><p>pleto. Preguntaron sobre esto a TBW y se les dijo</p><p>que se debía a una sequía prolongada. Al evaluar</p><p>la situación con mayor detenimiento, descubrie-</p><p>ron que los últimos años habían sido más húme-</p><p>dos de lo normal, de modo que el desecamiento</p><p>del lago hasta el nivel del lecho no podía deber-</p><p>se a una sequía. TBW continuó con las evasivas,</p><p>afirmando unas veces que la causa había sido la</p><p>irrigación y otras el desarrollo. Finalmente, los</p><p>Monsees descubrieron que TBW había perforado</p><p>un pozo, como parte de su sistema, a casi una milla</p><p>(1.60 kilómetros) del lago. El pozo producía 45 mi-</p><p>llones de galones diarios (mgd) (170.34 millones</p><p>de litros diarios [mld]), una enorme cantidad que</p><p>no podía mantenerse sólo por medio de la filtra-</p><p>ción de agua de lluvia. El manto freático cayó</p><p>por debajo del nivel del lago y el agua de éste</p><p>se drenó por la tierra y terminó en los grifos de</p><p>los ciudadanos cada vez más sedientos de Tampa</p><p>y St. Petersburg. Se descubrió que el daño a los</p><p>El agua de Tampa Bay</p><p>2.6 Decisiones basadas en el análisis</p><p>de impacto ambiental 59</p><p>recursos acuíferos subterráneos fue masivo, pues</p><p>se secó casi la mitad de los lagos de la región. El</p><p>daño a los arroyos y riachuelos en la zona preci-</p><p>pitó la pérdida generalizada de la vida silvestre.</p><p>Los árboles gigantes que habían tomado agua del</p><p>acuífero murieron y cayeron, y se formaron enor-</p><p>mes hundimientos al colapsarse las cavidades en</p><p>la tierra.</p><p>Después de muchos juicios, TBW ofreció</p><p>una disculpa, pero no detuvo el daño a los recur-</p><p>sos de agua subterránea y el ambiente natural. Al</p><p>final se dio cuenta de que no podía reducir el man-</p><p>to freático de manera indefinida y construyó una</p><p>planta de desalinización que costó 120 millones de</p><p>dólares, pero no ha sido suficiente para satisfacer</p><p>la creciente demanda. ¿En qué momento la dispo-</p><p>nibilidad de agua dicta los límites para el creci-</p><p>miento poblacional?</p><p>Fuente: Robert Glennon, Water Follies, Island</p><p>Press, 2002.</p><p>275</p><p>275</p><p>275</p><p>75</p><p>75</p><p>75</p><p>4</p><p>Lithia</p><p>Fish Hawk</p><p>Brandon</p><p>Hacia Orlando</p><p>New Tampa</p><p>Wesley</p><p>Chapel</p><p>Temple</p><p>Terrace</p><p>Pasco County</p><p>LutzKeystone</p><p>North</p><p>Tampa</p><p>Westchase</p><p>Clear-</p><p>water</p><p>St.</p><p>Petersburg</p><p>South</p><p>Tampa</p><p>South</p><p>Shore</p><p>Bradenton</p><p>Sarasota</p><p>E</p><p>N</p><p>S</p><p>O</p><p>Hillsborough</p><p>Figura 2.4 Tampa Bay, Florida</p><p>Considere, por ejemplo, el efecto de la presencia de un residuo tóxico en la salud y la</p><p>supervivencia de un organismo acuático determinado. La concentración de la toxina en el</p><p>arroyo es la cantidad medida, en tanto que la salud del organismo acuático es el efecto. El</p><p>efecto (perjudicial) aumenta a medida que se eleva la concentración. Una concentración muy</p><p>baja no ejerce un efecto perjudicial, mientras que una muy elevada puede resultar desastrosa.</p><p>Pero, ¿qué tipo de función (curva) tiene más sentido en esta interacción? La función en línea</p><p>recta (figura 2.5A) supone que a medida que aumenta la concentración de la toxina a partir de</p><p>cero, se sienten de inmediato los efectos perjudiciales. Esto pocas veces es cierto. En concen-</p><p>traciones muy bajas, la mayoría de las toxinas no muestran una relación lineal con el efecto,</p><p>de manera que esta función al parecer no es útil. La figura 2.5B, la siguiente curva, también es</p><p>incorrecta. Pero la figura 2.5C parece mucho más razonable porque supone que el efecto de la</p><p>toxina es muy pequeño en bajas concentraciones, pero cuando alcanza un nivel de umbral se</p><p>vuelve muy tóxico con rapidez. Conforme el nivel aumenta por encima del umbral tóxico, ya</p><p>no puede haber más daño porque todos los organismos están muertos, de modo que los niveles</p><p>del efecto desaparecen en 1.0.</p><p>Capítulo 2 Decisiones en ingeniería60</p><p>Una vez que se han estimado los términos del efecto (E) en cada característica, se multipli-</p><p>can por factores de ponderación (P), los cuales se distribuyen entre los diversos efectos según la</p><p>importancia de cada uno. Por lo común, los términos de ponderación aumentan a 100, pero esto</p><p>no es importante siempre y cuando un número igual de términos de ponderación se atribuya a cada</p><p>opción analizada. El impacto final se calcula entonces sumando los productos de los términos del</p><p>efecto (E) y los factores de ponderación (P). Por tanto, en el caso de cada opción considerada:</p><p>=</p><p>n</p><p>i= 1</p><p>(Ei × Pi )Impacto ambiental</p><p>donde n = número total de aspectos de interés ambiental considerados. Recuerde que el efecto</p><p>(E) puede ser negativo (perjudicial) o positivo (benéfico).</p><p>EJEMPLO</p><p>2.11 Problema Al continuar con el ejemplo 2.3 y utilizar sólo las variables de la basura, el olor y</p><p>las partículas transportadas por el aire (como ejemplo de la calidad del aire), calcule el impacto</p><p>ambiental de la quema de residuos con la lista de verificación de parámetro común ponderado.</p><p>(Una vez más, esto es sólo una parte muy pequeña de la evaluación de impacto total que se</p><p>necesitaría en esta técnica.)</p><p>–1.0</p><p>–0.8</p><p>–0.6</p><p>–0.4</p><p>–0.2</p><p>0</p><p>mín máx</p><p>E A</p><p>–1.0</p><p>–0.8</p><p>–0.6</p><p>–0.4</p><p>–0.2</p><p>0</p><p>mín máx</p><p>E B</p><p>–1.0</p><p>–0.8</p><p>–0.6</p><p>–0.4</p><p>–0.2</p><p>0</p><p>mín máx</p><p>E C</p><p>Valores negativos crecientes de los</p><p>parámetros ambientales medidos</p><p>Figura 2.5 Tres tipos</p><p>de funciones en las que se</p><p>relacionan las características</p><p>con los efectos ambientales.</p><p>2.6 Decisiones basadas en el análisis de impacto ambiental 61</p><p>Solución Suponga que las tres curvas que se aprecian en la figura 2.6 son las funciones apro-</p><p>piadas que relacionan las características ambientales de la basura, el olor y las partículas trans-</p><p>portadas por el aire, respectivamente. Suponga que se ha estimado que la quema de residuos</p><p>generará un nivel de basura de 2 en una escala de 0 a 4, una cifra por concepto de olor de 3 y</p><p>un aumento en las partículas transportadas por el aire de 180 μg/m3. Al introducir en la figura</p><p>2.6A, B y C los valores 2, 3 y 180, respectivamente, los efectos (E) se leen uno por uno como</p><p>−0.5, −0.8 y −0.9. Ahora es necesario asignar factores de ponderación, y de un total de 10</p><p>se decide asignar 2, 3 y 5, respectivamente, lo que supone que el efecto más importante es la</p><p>calidad del aire y el menos importante es la basura. Entonces, el impacto ambiental es:</p><p>IA = (−0.5 × 2) + (−0.8 × 3) + (−0.9 × 5) = −7.9</p><p>Se realizaría un cálculo similar en el caso de otras opciones y los IA comparados.</p><p>–1.0</p><p>–0.8</p><p>–0.6</p><p>–0.4</p><p>–0.2</p><p>0</p><p>0 1 2 3 4</p><p>0 3 10</p><p>50 180 250</p><p>E A</p><p>–1.0</p><p>–0.8</p><p>–0.6</p><p>–0.4</p><p>–0.2</p><p>0</p><p>E B</p><p>–1.0</p><p>–0.8</p><p>–0.6</p><p>–0.4</p><p>–0.2</p><p>0</p><p>E C</p><p>Nivel de basura</p><p>Olor</p><p>Partículas transportadas</p><p>por el aire (μg/m3)</p><p>Figura 2.6 Tres funciones específicas de los efectos ambientales. Véase el ejemplo 2.11.</p><p>Capítulo 2 Decisiones en ingeniería62</p><p>Debe quedar claro que esta técnica es bastante flexible para efectuar modificaciones e</p><p>interpretaciones individuales, y que el ejemplo anterior no debe considerarse de ningún modo</p><p>como un método estándar. Sin embargo, ofrece una respuesta numérica a la cuestión del im-</p><p>pacto ambiental, y cuando esto se hace en el caso de varias opciones, es posible comparar las</p><p>cifras. Este proceso de comparación y evaluación representa la tercera parte de la DIA.</p><p>2.6.3 Evaluación</p><p>La comparación de los resultados del procedimiento de evaluación y el desarrollo de las con-</p><p>clusiones finales se incluye en la evaluación. Es importante reconocer que las dos etapas an-</p><p>teriores, inventario y evaluación, son procedimientos fáciles y rápidos en comparación con</p><p>la etapa final, que requiere juicio y sentido común. Durante esta etapa, en la redacción de la</p><p>DIA, se extraen y presentan las conclusiones. Con frecuencia el lector de la DIA sólo ve las</p><p>conclusiones y nunca se molesta en revisar todas las suposiciones que entraron en los cálculos</p><p>de la evaluación, así que es importante incluir en esta última el sabor de estos cálculos y hacer</p><p>hincapié en el nivel de incertidumbre que hay en esta etapa de la evaluación.</p><p>Pero aun cuando la DIA sea tan completa como sea posible y los datos se hayan recabado</p><p>y evaluado con sumo cuidado, las conclusiones concernientes al uso del análisis están sujetas</p><p>a diferencias graves. Por ejemplo, la DIA que se redactó para el oleoducto de Alaska, cuando</p><p>todos los documentos se colocan en una sola pila, representa 14 pies (4.27 metros) de trabajo.</p><p>Y al final de todo ese esfuerzo, las buenas personas en ambos lados obtuvieron conclusiones</p><p>opuestas sobre el efecto del oleoducto. El problema era que discutían sobre el aspecto equivo-</p><p>cado.9 Pudieron discutir sobre cuántos caribúes se verían afectados por el oleoducto, pero su</p><p>desacuerdo en realidad era sobre cuán profundamente les preocupaba que los caribúes se vie-</p><p>ran afectados por el oleoducto. Para aquellos a quienes les importa poco el caribú, el impacto</p><p>es de cero, en tanto que quienes se interesan por las manadas y los efectos a largo plazo en la</p><p>sensible ecología de la tundra se preocupan mucho. ¿Cuál es, entonces, la solución? ¿Cómo</p><p>es posible tomar decisiones en la ingeniería ante los valores que entran en conflicto? Estas</p><p>consideraciones exigen otro tipo de toma de decisiones: un análisis ético.</p><p>2.7 DECISIONES BASADAS EN ANÁLISIS ÉTICOS</p><p>Antes</p><p>de emprender la exposición sobre el análisis ético, es necesario definir con suma clari-</p><p>dad lo que se entiende por ética.10 La opinión popular es que una persona ética, por ejemplo, es</p><p>alguien “bueno”, con estándares elevados. De igual modo, se considera que una persona moral</p><p>tiene ciertas opiniones convencionales sobre la sexualidad. En ambos casos se trata de errores</p><p>muy generalizados.</p><p>La moralidad está constituida por los valores que las personas eligen para orientar la</p><p>forma en que deben tratarse unas a otras. Así, un valor moral sería decir la verdad, y algunas</p><p>personas elegirán ser veraces. Se piensa que son individuos morales respecto a la verdad por-</p><p>que actuarían de acuerdo con sus convicciones morales. Sin embargo, si alguien no valora la</p><p>veracidad, entonces decir la verdad resulta irrelevante y esa persona no tiene un valor moral</p><p>respecto a la veracidad. De hecho, sería posible que alguien tuviera la perspectiva moral de que</p><p>se debería mentir siempre y, en este caso, se le percibiría como un individuo moral si miente</p><p>porque actuaría de acuerdo con una convicción moral.</p><p>Las personas más razonables estarán de acuerdo en que es mucho mejor vivir en una</p><p>sociedad en la que la gente no miente, engaña o roba. Sin duda existen las sociedades en las</p><p>que sus integrantes mienten, engañan y roban, pero de presentarse la opción, la mayoría de</p><p>2.7 Decisiones basadas en análisis éticos 63</p><p>ellos no querría comportarse de ese modo y optaría por vivir en comunidades en las que todos</p><p>compartan los valores morales que ofrecen un beneficio mutuo.</p><p>Si bien es bastante sencillo coincidir en que no es aceptable mentir, engañar o robar, y</p><p>la mayoría de la gente no lo hará, es un asunto mucho más difícil decidir qué hacer cuando</p><p>surgen conflictos entre los valores. Por ejemplo, suponga que es necesario mentir para ser fiel</p><p>a una promesa. ¿Cómo decidiremos qué hacer cuando los valores entran en conflicto? En los</p><p>temas económicos se da una situación similar. Por ejemplo, ¿cómo decidiremos qué proyecto</p><p>emprender con los recursos limitados? Como ya se analizó, en este caso nos valemos de un</p><p>análisis de costo/beneficio. ¿Cómo tomamos entonces una decisión cuando los valores morales</p><p>entran en conflicto? En este caso, usamos un análisis ético.</p><p>La ética proporciona un marco sistematizado para la toma de decisiones cuando los va-</p><p>lores entran en conflicto. La elección de la naturaleza y la función de esa maquinaria para la</p><p>toma de decisiones depende de los valores morales propios de cada persona. Tanto el análisis</p><p>de rentabilidad como el de costo/beneficio son métodos para tomar decisiones con base (prin-</p><p>cipalmente) en el dinero. En el análisis de riesgo se calcula el daño potencial para la salud y</p><p>el análisis de impacto ambiental constituye un medio para la toma de decisiones con base en</p><p>los efectos a largo plazo en los recursos. La ética es de igual modo un marco para la toma de</p><p>decisiones, pero los parámetros de interés no son el dinero o los datos ambientales, sino los</p><p>valores. De esto se desprende entonces que, dado que la ética es un sistema para la toma de</p><p>decisiones, una persona ética es aquella que toma decisiones sobre la base de algún sistema</p><p>ético. ¡Cualquier sistema! Por ejemplo, si alguien opta por seguir un sistema ético en el que</p><p>se maximiza el placer personal (hedonismo), sería correcto (ético) decidir todo de tal modo</p><p>que éste se magnifique; en ese caso sería posible empujar de una banca a las mujeres de edad</p><p>avanzada para sentarnos o hacer trampas en los exámenes porque esto disminuye el tiempo de</p><p>estudio personal y maximiza el tiempo dedicado a la diversión. Siempre que alguien adopte</p><p>el hedonismo como el modo de comportamiento aceptado (ético) actuaría, en estos casos, en</p><p>forma ética.</p><p>Por supuesto, hay muchos otros sistemas éticos que generan acciones que la mayoría de</p><p>la gente civilizada considera normas más aceptables de comportamiento social. El aspecto más</p><p>importante en cualquier código o sistema ético que se adopte es que hay que estar preparado</p><p>para defenderlo como un sistema que todos deberían emplear. Si esta defensa es débil o defi-</p><p>ciente, entonces el sistema ético se considera inadecuado, lo que traería como consecuencia</p><p>que una persona razonable lo abandonaría y buscaría otro que pudiera defenderse como uno</p><p>que todos los individuos deberían adoptar.</p><p>2.7.1 El utilitarismo y las teorías deontológicas</p><p>La mayor parte del pensamiento ético durante los últimos 2,500 años ha sido una búsqueda de</p><p>la teoría ética apropiada que oriente nuestro comportamiento en las relaciones entre los seres</p><p>humanos. Algunas de las teorías que más influencia han ejercido en el pensamiento ético oc-</p><p>cidental, que son muy defendibles, se basan en las consecuencias o en los actos. En el primer</p><p>caso, los dilemas morales se resuelven de acuerdo con cuáles son las consecuencias; si se</p><p>desea maximizar el bien, entonces la opción que genere el mayor bien es correcta (moral). En</p><p>el segundo caso, los dilemas morales se resuelven al pensar si la opción (el acto) se considera</p><p>bueno o malo, y las consecuencias no se ponderan.</p><p>La teoría ética consecuencialista más influyente es el utilitarismo de Jeremy Bentham</p><p>(1784-1832) y John Stuart Mill (1806-1873). En el utilitarismo se calcula el dolor y el placer</p><p>de todas las acciones, y se juzga el valor de todas ellas sobre la base de la felicidad total que</p><p>se logra, donde la felicidad se define como la razón más elevada de placer o dolor. (¿Le parece</p><p>familiar?) El llamado cálculo utilitario permite determinar la felicidad de todas las opciones</p><p>Capítulo 2 Decisiones en ingeniería64</p><p>consideradas. Actuar en forma ética, entonces, sería elegir la opción que genere el mayor nivel</p><p>de placer y el menor nivel de dolor. Dado que se suma la felicidad de todos los seres humanos</p><p>involucrados, estos cálculos a menudo dictan una decisión en la que la felicidad moderada de</p><p>muchos resulta en la infelicidad extrema de algunos. El análisis de costo/beneficio puede con-</p><p>siderarse utilitario en sus orígenes porque se da por hecho que el dinero equivale a la felicidad.</p><p>Los seguidores de las teorías consecuencialistas sostienen que éstos son los principios</p><p>apropiados para la conducta humana porque fomentan el bienestar, y que es absurdo actuar</p><p>sólo con base en algún conjunto de reglas sin referencia a las consecuencias de estas acciones.</p><p>Los utilitarios, de acuerdo con Aristóteles, afirman que la felicidad siempre se elige por dere-</p><p>cho propio y, por tanto, debe ser el bien básico que todos debemos buscar. En consecuencia,</p><p>dado que el cálculo utilitario asegura esa estimación, es el instrumento apropiado para la toma</p><p>de decisiones en las que hay valores de por medio.</p><p>El segundo grupo de teorías éticas se funda en la noción de que la conducta humana</p><p>debe regirse por la moralidad de los actos y que siempre es preciso seguir ciertas reglas (como</p><p>“no mentir”). Estas teorías, a menudo llamadas deontológicas, hacen hincapié en la bondad</p><p>del acto y no en su consecuencia. Sus partidarios afirman que los actos deben juzgarse como</p><p>buenos o malos, correctos o incorrectos en sí mismos, al margen de sus consecuencias. Un</p><p>antiguo sistema de reglas deontológicas son los “Diez mandamientos”, ya que se concibieron</p><p>para acatarse independientemente de las consecuencias.</p><p>Es posible que el sistema deontológico más conocido sea el de Immanuel Kant (1724-</p><p>1804), quien propuso la idea del imperativo categórico: el concepto de que una persona de-</p><p>sarrolla un conjunto de reglas para tomar decisiones cargadas de valores, que desearía que</p><p>todos los individuos obedecieran. Una vez que se establecen estas reglas, la persona siempre</p><p>debe seguirlas, y sólo entonces puede actuar en forma ética porque el acto es lo importante.</p><p>Una piedra angular de la ética kantiana es el principio de universalidad, una simple prueba de</p><p>la racionalidad de un principio moral. En resumen, según</p><p>este principio, si un acto es acepta-</p><p>ble para una persona, debe ser igualmente aceptable para las demás. Por ejemplo, si alguien</p><p>considera que mentir es un comportamiento admisible para uno mismo, debería permitirse que</p><p>todos mintiesen, y de hecho se esperaría que todos lo hicieran. De igual modo, si una persona</p><p>decide que hacer trampa en un examen es aceptable, entonces coincide, gracias al principio</p><p>de universalidad, en que es perfectamente válido que todos los demás también la hagan. Vivir</p><p>en un mundo en el que se espera que todos mientan o engañen sería lamentable y, en conse-</p><p>cuencia, nuestra vida sería mucho más pobre. Por tanto, no tiene sentido afirmar que mentir o</p><p>engañar son comportamientos aceptables porque no pueden universalizarse.</p><p>Los seguidores de las teorías basadas en las reglas sostienen que las que son consecuen-</p><p>cialistas permiten y, con frecuencia, fomentan el sufrimiento de algunas personas en beneficio</p><p>de muchas, y que esto es a todas luces una injusticia. Por ejemplo, afirman que las teorías</p><p>consecuencialistas recibirían de buen agrado el sacrificio de una persona inocente si previniera</p><p>la muerte de otras. Sostienen que si matar es malo, entonces el mero acto de permitir que una</p><p>persona inocente muera es incorrecto e inmoral. Los utilitaristas refutarían esto arguyendo que</p><p>a menudo un acto bueno genera un daño neto. Un ejemplo trivial sería si un compañero de ha-</p><p>bitación, cónyuge o amigo le preguntara a usted: “¿Te gusta mi nuevo peinado/blusa/corbata,</p><p>etc.?” Aunque usted con honestidad piense que es atroz, de acuerdo con esta perspectiva el acto</p><p>correcto sería decir la verdad porque se supone que nunca se debe mentir. ¿Acaso una mentira</p><p>piadosa no generaría un mayor bien?, preguntan los utilitarios. Los deontólogos responden</p><p>que es incorrecto mentir aun cuando esto lastime de inmediato los sentimientos de los demás,</p><p>porque decir la verdad puede generar una confianza que se sostendría con rapidez en tiempos</p><p>de verdadera necesidad.</p><p>2.7 Decisiones basadas en análisis éticos 65</p><p>Por supuesto, hay muchos más sistemas éticos que podrían analizarse y que son perti-</p><p>nentes para la profesión de la ingeniería ambiental, pero debe quedar claro que el pensamiento</p><p>ético tradicional representa una fuente valiosa de discernimiento en la búsqueda de un estilo</p><p>de vida personal y profesional.</p><p>2.7.2 Ética ambiental y valor instrumental</p><p>Todos los sistemas éticos clásicos se han concebido para proporcionar una orientación sobre</p><p>cómo deberían tratarse los seres humanos entre sí. En resumen, la comunidad moral, o los</p><p>individuos con quienes necesitamos interaccionar de manera ética, comprende sólo a los seres</p><p>humanos, y éstos son los únicos agentes morales dentro de la comunidad moral. La acción</p><p>moral exige reciprocidad en cuanto a que las personas acuerdan tratarse entre sí en una forma</p><p>mutuamente aceptable. Pero es evidente que no somos los únicos habitantes sobre la Tierra, y</p><p>¿no es importante también el modo en que tratamos a los seres que no son humanos, a las plan-</p><p>tas o los lugares? ¿La comunidad moral debería ampliarse e incluir a otros animales, plantas,</p><p>objetos inanimados como piedras, montañas y hasta sitios? De ser así, ¿deberíamos extender</p><p>también la comunidad moral a nuestra progenie, que está destinada a vivir en el ambiente que</p><p>le legaremos?</p><p>Estas preguntas se han debatido y discutido en una búsqueda continua de lo que ha dado</p><p>en llamarse la ética ambiental, un marco que se ha creado para permitirnos tomar decisiones</p><p>dentro de nuestro ambiente que conciernan no sólo a nosotros mismos, sino también al resto</p><p>del mundo. Una aproximación a la formulación de una ética que incorpore el ambiente es con-</p><p>siderar los valores como valores instrumentales, que pueden medirse en dólares o en el susten-</p><p>to que la naturaleza ofrece para nuestra supervivencia (por ejemplo, la producción de oxígeno</p><p>por parte de las plantas verdes). La propuesta del “valor instrumental de la naturaleza” sostiene</p><p>que el ambiente es útil y valioso para las personas, al igual que otros factores esenciales como</p><p>la libertad, la salud y las oportunidades.</p><p>Esta visión antropocéntrica de la ética ambiental, la idea de que la naturaleza está aquí</p><p>sólo para beneficio de las personas es, por supuesto, antigua. Aristóteles afirmó que: “Las</p><p>plantas existen para dar alimento a los animales, y los animales para dar alimento a los hom-</p><p>bres […] Como la naturaleza no hace nada sin sentido o en vano, todos los animales debieron</p><p>ser creados por la naturaleza para beneficio del hombre.” En forma similar, Kant incorporó la</p><p>naturaleza en sus teorías éticas al señalar que nuestras responsabilidades con los animales son</p><p>indirectas, que en realidad los son para nuestra propia humanidad. Su visión es bastante clara:</p><p>“En lo que a los animales concierne, no tenemos responsabilidades directas. Los animales</p><p>no son conscientes y están ahí simplemente como un medio para lograr un fin. Ese fin es el</p><p>hombre.”11 Así, siguiendo este razonamiento, el valor de los animales se calcula en función de</p><p>su importancia para las personas. Por ejemplo, no nos gustaría matar a todos los búfalos de las</p><p>llanuras porque son criaturas bellas e interesantes, y disfrutamos verlas; exterminarlos signi-</p><p>ficaría ocasionar un daño a los seres humanos. Sin embargo, William F. Baxter comenta que</p><p>nuestra preocupación por “el daño a los pingüinos, a los pinos de azúcar o a las maravillas</p><p>geológicas es […] sencillamente irrelevante […] Los pingüinos son importantes [sólo] porque</p><p>las personas disfrutan verlos caminar por las rocas”.12</p><p>Podemos estar de acuerdo en que es necesario vivir en un ambiente saludable para disfru-</p><p>tar los placeres de la vida y, por tanto, otros aspectos del ambiente tienen un valor instrumental.</p><p>Sería posible afirmar que contaminar el agua o el aire, o destruir la belleza natural, es tomar</p><p>algo que no pertenece a una sola persona. En pocas palabras, esa contaminación constituye un</p><p>robo hacia los demás. También sería poco ético destruir el ambiente natural porque muchas</p><p>personas disfrutan salir de excursión a los bosques o navegar en canoas por los ríos, y debe-</p><p>ríamos preservarlo para nuestro beneficio. Además, no deberíamos exterminar a las especies</p><p>Capítulo 2 Decisiones en ingeniería66</p><p>porque existe la posibilidad de que, de algún modo, sean útiles para la naturaleza. Una planta</p><p>oscura o un microbio podrían ser esenciales para la investigación médica en el futuro y no</p><p>deberíamos privar a otros de ese beneficio.</p><p>Si bien tiene su mérito la aproximación del “valor instrumental de la naturaleza” a la</p><p>ética ambiental, también tiene varios problemas. En primer lugar, este argumento no nos im-</p><p>pediría matar o torturar animales en el ámbito individual mientras eso no cause daño a las</p><p>personas. Un mandato así no es compatible con nuestros sentimientos acerca de los animales.</p><p>Condenaríamos a una persona que ocasione un daño innecesario a cualquier animal que sin-</p><p>tiera dolor, y muchos de nosotros hacemos lo posible por prevenir e impedir este tipo de actos.</p><p>En segundo lugar, esta noción abre un profundo abismo entre los seres humanos y el</p><p>resto de la naturaleza, con el que la mayoría de la gente se siente muy incómoda. La aproxi-</p><p>mación antropocéntrica afirma que las personas son los amos del mundo y que pueden usar de</p><p>manera exclusiva sus recursos para beneficio humano sin consideración por los derechos</p><p>de las otras especies o de los animales en lo individual. Este pensamiento condujo a la “viola-</p><p>ción de la naturaleza” en el siglo xix en Estados Unidos, cuyos efectos aún lamentamos. Henry</p><p>David Thoreau (1817-1862), John Muir (1838-1914) y muchos otros trataron de expresar con</p><p>palabras lo que muchas personas sentían sobre esa destrucción. Reconocieron que es nuestra</p><p>alienación del mundo natural, la noción de que la naturaleza sólo tiene un valor instrumental,</p><p>lo que al final condujo a su destrucción.</p><p>Sin duda, la valoración de la naturaleza sobre una base</p><p>puramente instrumental es una aproximación inadecuada para explicar nuestras actitudes hacia</p><p>el mundo natural.</p><p>2.7.3 Ética ambiental y valor intrínseco</p><p>En razón de estos problemas con el concepto del valor instrumental de la naturaleza como base</p><p>para nuestras actitudes hacia el ambiente, ha iniciado la búsqueda de algún otro fundamento</p><p>que incluya a los animales, las plantas y hasta las cosas dentro de nuestra esfera de interés</p><p>ético. El impulso básico en este desarrollo es el intento de atribuir un valor intrínseco a la</p><p>naturaleza e incorporar a la naturaleza no humana dentro de nuestra comunidad moral. Esta</p><p>teoría se conoce como pensamiento ético extensionista, pues trata de ampliar la comunidad</p><p>moral para que incluya a otras criaturas. Este concepto tal vez es tan revolucionario como</p><p>el reconocimiento, apenas hace un siglo, de que los esclavos también eran seres humanos y</p><p>debían incorporarse a la comunidad moral. Aristóteles, por ejemplo, no aplicaba la ética a los</p><p>esclavos porque, en su opinión, no eran iguales al resto de las personas desde el punto de vista</p><p>intelectual. Ahora reconocemos que éste era un argumento sin fundamento, y en la actualidad</p><p>la esclavitud se considera repugnante desde la perspectiva moral. Es posible que en un futuro</p><p>no demasiado distante la comunidad moral comprenda también al resto de la naturaleza y que</p><p>se la incluya en nuestra maquinaria de toma de decisiones éticas.</p><p>Al inicio, la ética ambiental extensionista no fue difundida por un filósofo, sino por un</p><p>silvicultor. Aldo Leopold (1887-1948) definió la ética ambiental (o, como él la llamaba, la éti-</p><p>ca de la tierra) como una que “sólo amplía las fronteras de la comunidad para abarcar suelos,</p><p>aguas, plantas y animales, o colectivamente la tierra”.13 Reconocía que tanto nuestra formación</p><p>religiosa como secular ha generado un conflicto entre los seres humanos y el resto de la natu-</p><p>raleza. Ésta tenía que domeñarse y conquistarse; era algo poderoso y peligroso contra lo que</p><p>teníamos que luchar continuamente. Consideraba que una visión racional de la naturaleza nos</p><p>conduciría a una ética ambiental que “transforme la función del Homo sapiens de conquistador</p><p>de la comunidad de la tierra en pleno integrante y ciudadano de ella”.</p><p>Leopold cuestionaba, en realidad, la antiquísima creencia de que los seres humanos so-</p><p>mos especiales, que de algún modo no formamos parte de la naturaleza, sino que nos enfrenta-</p><p>mos a ella en un combate constante por la supervivencia, y que tenemos la función, concedida</p><p>2.7 Decisiones basadas en análisis éticos 67</p><p>por Dios, de dominarla, como se especifica en el libro del Génesis. Así como los filósofos</p><p>posteriores (y las personas en general) comenzaron a ver la esclavitud como una institución</p><p>insostenible, y reconocieron que los esclavos pertenecían a nuestra comunidad moral, es po-</p><p>sible que las generaciones venideras reconozcan que el resto de la naturaleza es igualmente</p><p>importante en el sentido de que tiene derechos.</p><p>La cuestión de admitir a los seres no humanos en la comunidad moral es polémica y</p><p>se concentra en establecer si las criaturas no humanas tienen derechos o no. Si es posible</p><p>argumentar que sí los tienen, entonces hay razón para incluirlas en la comunidad moral. La</p><p>cuestión de los derechos de los seres no humanos ha recibido respuestas negativas rotundas de</p><p>muchos filósofos y estos argumentos se basan en la reciprocidad. Por ejemplo, Richard Watson</p><p>señala que “decir que una entidad posee derechos tiene sentido sólo si ésta puede cumplir con</p><p>responsabilidades recíprocas, es decir, si puede actuar como un agente moral”.14 Watson dice</p><p>incluso que la intermediación moral exige ciertas características (como conciencia de la propia</p><p>identidad, capacidad de actuar, libre albedrío y una comprensión de los principios morales) y</p><p>que la mayor parte de los animales no cumple con ninguno de estos requisitos, de modo que</p><p>no pueden ser agentes morales y, por consiguiente, no pueden ser integrantes de la comunidad</p><p>moral. H. J. McClosky insiste en que “donde no hay posibilidad de una acción [moralmente</p><p>autónoma], potencial o real […] y donde el ser no es miembro de una especie que es normal-</p><p>mente capaz de [tal] acción, dejamos de hablar de derechos”.15 En consecuencia, no es razona-</p><p>ble extender nuestra comunidad moral para incluir a otros seres que no sean los seres humanos</p><p>debido al requisito de la reciprocidad.</p><p>Pero, ¿la reciprocidad es el criterio más apropiado para la admisión en la comunidad</p><p>moral? ¿No incluimos ya dentro de nuestra comunidad moral a los seres humanos que no</p><p>pueden corresponder de manera recíproca (niños, personas de edad avanzada o en estado de</p><p>coma, nuestros ancestros e incluso las futuras personas)? Tal vez cometemos una vez más el</p><p>error de Aristóteles con nuestras prácticas excluyentes. Quizás el hecho de ser humano no sea</p><p>una condición necesaria para la inclusión en la comunidad moral y otros seres tengan derechos</p><p>que los humanos poseen. Estos derechos tal vez no sean algo que necesariamente les demos,</p><p>sino los derechos que poseen en virtud de ser.</p><p>John Locke16 (1632-1704) y Thomas Hobbes17 (1588-1679), quienes sostenían que los</p><p>derechos a la vida, la libertad y la propiedad deberían ser de todos, propusieron en el siglo xvii</p><p>el concepto de los derechos naturales inherentes a todos los seres humanos, al margen de la</p><p>condición social.* Estos son derechos naturales en cuanto a que nosotros como seres humanos</p><p>no podemos dárselos a otros seres humanos o nos los daríamos a nosotros mismos, lo cual no</p><p>tiene sentido. Por tanto, todos los seres humanos están “dotados de derechos inalienables” que</p><p>no emanan de ningún dador humano.</p><p>Si esto es verdad, entonces no hay nada que impida que los animales tengan “derechos</p><p>inalienables” por el simple hecho de ser, como sucede en el caso de los seres humanos: a</p><p>existir, a vivir y prosperar en su propio ambiente y a que los seres humanos no se los nieguen</p><p>en forma innecesaria o gratuita. Si coincidimos en que los seres humanos tienen derecho a la</p><p>vida, la libertad y la ausencia de dolor, entonces parecería razonable que los animales, que</p><p>experimentan sensaciones parecidas, posean derechos similares. Con éstos se deriva la inter-</p><p>mediación moral, independiente del requisito de la reciprocidad. El constructo completo de la</p><p>reciprocidad es, por supuesto, un concepto antropocéntrico que sirve muy bien para mantener</p><p>a los otros fuera de nuestro club privado. Si abandonamos ese requisito, es posible admitir a</p><p>otros seres además de los humanos en nuestra comunidad moral.</p><p>* En el nuevo Estados Unidos, la revolución proclamó la vida, la libertad y la búsqueda de la felicidad, una modifi-</p><p>cación para sortear el agudo problema de los esclavos como hombres y propiedad.</p><p>Capítulo 2 Decisiones en ingeniería68</p><p>Pero si abrimos la puerta, ¿qué dejaremos entrar? ¿Qué puede incluirse en forma legítima</p><p>en nuestra comunidad moral o, dicho en forma más burda, dónde marcaremos la raya? Si la</p><p>comunidad moral se amplía, muchos coinciden en que debe ser sobre la base de la sensibili-</p><p>dad, o la capacidad para experimentar el dolor. Este argumento señala que todos los animales</p><p>sensibles tienen derechos que exigen nuestro interés.</p><p>Algunas teorías éticas clásicas han reconocido que el sufrimiento animal es un mal.</p><p>Jeremy Bentham, por ejemplo, sostiene que el bienestar animal debería tomarse en cuenta de</p><p>algún modo en el cálculo de costo/beneficio utilitario porque “la cuestión no es si ¿razonan?</p><p>o ¿hablan?, sino si ¿sufren?”18 Peter Singer considera que un animal es de valor sólo porque</p><p>valora su propia vida, y la sensibilidad es lo importante, no la capacidad para razonar. La</p><p>igualdad es el núcleo de la filosofía de Singer, y éste considera que todas las criaturas sensibles</p><p>tienen el mismo derecho a la vida. La sensibilidad, la capacidad para tener experiencias</p><p>No se usa la mecánica de fluidos en este libro</p><p>y por tanto el material es aplicable a los cursos de primer año en ingeniería ambiental o para</p><p>los estudiantes de ciencias.</p><p>La experiencia del doctor Vesilind en la enseñanza secuencial del material central de la</p><p>segunda parte (balances, reacciones y reactores) ha mostrado que puede cubrirse en un perio-</p><p>do de cuatro a seis semanas. Sin embargo, él recomienda que el profesor realice recorridos</p><p>alternos hacia las áreas de la ética ambiental durante este tiempo y que embellezca las clases</p><p>con “historias de guerra” personales para mantener el interés del estudiante. Añadir material</p><p>complementario a lo largo del curso es una técnica de enseñanza eficaz, que se fundamenta</p><p>en la teoría moderna del aprendizaje. El material en la tercera parte puede usarse en cualquier</p><p>secuencia que se considere mejor sin perder su valor o significado.</p><p>La tercera edición contiene una sección llamada “Enfoque”, una colección de viñetas y</p><p>estudios de caso que ilustran las perspectivas destinadas a resolver problemas técnicos, éticos</p><p>y orientados hacia la sostenibilidad; presentan oportunidades para que el profesor y los estu-</p><p>diantes indaguen sobre el material que con frecuencia no se cubre en la educación superior,</p><p>como la estética y las implicaciones sociales potenciales del diseño. Del mismo modo, los</p><p>materiales éticos que se mencionan a lo largo del texto requieren que tanto el estudiante como</p><p>el profesor hagan una pausa y discutan los problemas técnicos bajo una luz diferente, a fin de</p><p>reforzar el material aprendido. Debido a que la ética y el gusto son cuestiones personales, la</p><p>exposición de las cuestiones técnicas desde estas perspectivas tiende a internalizar el tema y</p><p>crear, en efecto, una experiencia de aprendizaje similar a lo que se lograría con un viaje de</p><p>campo o la narrativa de una experiencia del mundo real.</p><p>AGRADECIMIENTOS</p><p>Gracias a quienes se tomaron el tiempo para enviar comentarios sobre la segunda edición; los</p><p>hemos incorporado cuando era apropiado en la tercera. Un agradecimiento continuo para mi</p><p>familia, que pacientemente contribuyó conmigo durante las revisiones, y a los colegas que de</p><p>buen grado compartieron su pericia respondiendo preguntas inesperadas.</p><p>Susan M. Morgan, P.E.</p><p>2008</p><p>Prefacio xvii</p><p>Gracias a Susan y Aarne por invitarme a participar en esta revisión y agregar algunos ejemplos</p><p>y perspectiva desde el campo de la sostenibilidad; espero que sea de valor e inspiración para</p><p>los estudiantes. Ha sido un placer trabajar con ustedes.</p><p>Estoy muy agradecida con mis mentores y amigos Michael Braungart, P. Aarne Vesilind</p><p>y Paul Anastas, cuya brillantez, humor y visión me informaron e inspiraron profundamen-</p><p>te. También estoy agradecida por las contribuciones a este libro por Margaret Whittaker de</p><p>ToxServices LLC, Erin Kanoa de UrbanMarmot, Dan Bihn, Namara Brede y James Hill. Por</p><p>último, estoy agradecida con mi querido esposo Carl por su paciencia y apoyo.</p><p>Lauren G. Heine, Ph.D.</p><p>2008</p><p>SOBRE LOS AUTORES</p><p>P. Aarne Vesilind, P.E.</p><p>Vesilind nació en Estonia y emigró a Estados Unidos en 1949. Creció en Beaver, Pennsylvania,</p><p>una ciudad pequeña río abajo de Pittsburgh. Después de graduarse como ingeniero civil en</p><p>Lehigh University, recibió su Ph.D. en ingeniería ambiental de la University of North Caroli-</p><p>na. Pasó un año de posdoctorado en el Norwegian Institute for Water Research en Oslo y un</p><p>año como ingeniero investigador con Bird Machine Company. Se unió al personal docente de</p><p>Duke University en 1970. En 1999 fue nombrado R. L. Rooke Chair del Historical and Societal</p><p>Context of Engineering en la Bucknell University. Ocupó este puesto hasta su retiro en 2006.</p><p>Sus investigaciones han resultado en la autoría de más de 175 artículos profesionales.</p><p>También es autor de más de 20 libros sobre ingeniería ambiental y ética profesional, siendo</p><p>uno de los más recientes Socially Responsible Engineering (John Wiley & Sons), que consi-</p><p>dera la función de la justicia en las decisiones de ingeniería. Su frenéticamente popular libro</p><p>Estonian Jokes fue publicado en 2009 por Punkt&Koma en Tallin.</p><p>Desde junio de 2006 ha vivido en New London, New Hampshire, y recientemente ha</p><p>sido nombrado visitador escolar por el Ethics Institute en el Dartmouth College. En su retiro</p><p>ha continuado su interés de toda la vida en la música y toca el bombardino en varias bandas</p><p>locales, incluyendo The Exit 13 Tuba Quartet. En 2007 se le pidió que tomara el puesto de</p><p>conductor de la Kearsarge Community Band.</p><p>Susan M. Morgan, P.E.</p><p>Profesora y directora</p><p>Departamento de Ingeniería Civil</p><p>Southern Illinois University Edwardsville</p><p>Morgan recibió su título en ingeniería civil de la Southern Illinois University Carbondale.</p><p>Receptora de una beca National Science Foundation Fellowship, obtuvo su Ph.D. en inge-</p><p>niería ambiental en la Clemson University. Se unió al cuerpo docente en el Departamento</p><p>de Ingeniería Civil en la Southern Illinois University Edwardsville en 1996. De 1999 a 2007</p><p>fungió como directora del programa de licenciatura del departamento. En la actualidad es una</p><p>xix</p><p>Sobre los autoresxx</p><p>profesora ocupada y directora del departamento. Ella es una ingeniera profesional con licencia</p><p>en Illinois.</p><p>La doctora Morgan ha estado activa en el Comité Técnico Ambiental de la Sección de</p><p>St. Louis de la American Society of Civil Engineers y en la División de St. Clair de la Illinois</p><p>Society of Professional Engineers. Ha recibido múltiples premios, incluyendo el premio al</p><p>Joven Ingeniero del Año de la National Society of Professional Engineers en 2001. Es miem-</p><p>bro de varias sociedades honoríficas, como Chi Epsilon y Tau Beta Pi, al igual que de otras</p><p>organizaciones de ingeniería. Ha realizado investigaciones en diversas áreas. En la actualidad</p><p>su atención se centra en la gestión de las aguas pluviales, en particular con base en el uso de</p><p>los techos verdes.</p><p>Lauren G. Heine, Ph.D.</p><p>Asesora de Ciencias Senior, Clean Production Action</p><p>Directora, Lauren Heine Group LLC</p><p>Obtuvo su doctorado en ingeniería civil y ambiental en la Duke University. Es una de las</p><p>expertas destacadas de América en la aplicación de la química verde, la ingeniería verde y</p><p>el diseño de prácticas de negocio sostenibles. Como asesora de ciencias senior para Clean</p><p>Production Action y como directora del Lauren Heine Group, guía a las organizaciones que</p><p>buscan integrar la química y la ingeniería verdes en su diseño de productos, procesos y acti-</p><p>vidades de desarrollo, eliminando tóxicos y el concepto de residuos y moviéndose hacia la</p><p>sostenibilidad económica, ambiental y comunitaria. Sus áreas específicas de pericia incluyen</p><p>el desarrollo de herramientas y estrategias técnicas para encontrar sustancias químicas, mate-</p><p>riales y productos más verdes y para la facilitación de iniciativas con múltiples interesados, en</p><p>particular quienes tienen una base técnica.</p><p>De 2003 a 2007, la doctora Heine fungió como directora de ciencia aplicada en el Green</p><p>Blue Institute, una organización sin fines de lucro fundada por el arquitecto William McDo-</p><p>nough y el químico alemán Michael Braungart para enfocarse en el diseño de producto soste-</p><p>nible. Inició y dirigió el desarrollo de CleanGredientsTM, una plataforma de información única</p><p>basada en la web, desarrollada en sociedad con el Design for the Environment Program de la</p><p>USEPA que proporciona información sobre los atributos clave de salud humana y ambiental,</p><p>seguridad y sostenibilidad de materias primas químicas para ayudar con la formulación de los</p><p>productos de limpieza. También dirigió el desarrollo del Sustainability Assessment Standard</p><p>for Contract Furnishing Fabrics, un estándar del American National Standards Institute, en</p><p>colaboración con la Association for Contract Textiles y NSF International.</p><p>La doctora Heine participó en el California Green Chemistry Initiative Science Advi-</p><p>sory Panel y es codirectora del subcomité de desarrollo de herramientas</p><p>cons-</p><p>cientes, como el dolor y el placer, es “el único límite definible importante para los intereses de</p><p>los demás”.19</p><p>Sin embargo, la inclusión del sufrimiento animal en nuestro círculo de interés abre una</p><p>caja de Pandora llena de problemas. Si bien seríamos capaces de argüir con cierto vigor que</p><p>el sufrimiento es un mal y que no deseamos infligir un daño a ningún ser vivo que sufre, no</p><p>sabemos con certeza qué animales (o plantas) sienten dolor; por tanto, no estamos seguros de</p><p>qué debería incluirse. Podemos suponer con justa certeza que los animales superiores sienten</p><p>dolor porque sus reacciones se parecen a las nuestras: un perro aúlla y un gato chilla y trata</p><p>de detener la fuente del dolor. Nadie que haya puesto un gusano en un gancho podría negar</p><p>el hecho de que quizá sienta dolor. Pero ¿qué pasa con las criaturas que no nos muestran que</p><p>lo experimentan? ¿Una mariposa lo siente cuando se le clava un alfiler en el cuerpo? Un pro-</p><p>blema aún más difícil es el reino vegetal. Algunas personas insisten en que las plantas sienten</p><p>cuando se les lastima y que nosotros somos demasiado insensibles para reconocerlo.</p><p>Si nos valemos de la aproximación utilitaria, tenemos que calcular la cantidad de dolor</p><p>que sienten los animales y los seres humanos. Si, por ejemplo, un ser humano necesita el pelaje</p><p>de un animal para mantenerse caliente, ¿es aceptable causar sufrimiento al animal para impedir</p><p>el del ser humano? A todas luces es imposible incluir estas variables en el cálculo utilitario.</p><p>Si no nos enfocamos sólo en el dolor y el placer que sienten los animales, entonces es</p><p>necesario reconocer que su derecho a evitar el dolor es equivalente al de los seres humanos, o</p><p>hacer de algún modo una lista y una clasificación de los animales a fin de especificar qué dere-</p><p>chos tienen y en qué circunstancias. En el primer caso, atrapar animales y torturar prisioneros</p><p>son hechos que tendrían una importancia moral equiparable. En el segundo, sería necesario</p><p>decidir que la vida de una cría de halcón es menos importante que la de un polluelo, etc., y</p><p>hacer una cantidad infinita de comparaciones.</p><p>Por último, si esa es la extensión de nuestra ética ambiental, no seríamos capaces de</p><p>abogar por la preservación de lugares y ambientes naturales, excepto en cuanto a cómo po-</p><p>drían afectar el bienestar de las criaturas sensibles. Poner una represa en el Gran Cañón sería</p><p>aceptable si adoptáramos el criterio del animal sensible como nuestra única ética ambiental.</p><p>Por tanto, parece que no es posible establecer una línea en términos de la sensibilidad, y</p><p>el siguiente paso lógico es sólo incorporar a toda la vida dentro de los pliegues de la comuni-</p><p>dad moral. Este paso no es tan atroz como parece. Albert Schweitzer, quien comentó que esta</p><p>ética era una “reverencia hacia la vida”, desarrolló la idea. Llegó a la conclusión de que limitar</p><p>la ética a las interacciones humanas es un error y que una persona es ética “sólo cuando la vida,</p><p>como tal, es sagrada para ella, se trate de la de las plantas y los animales o de la de su compa-</p><p>ñero humano”.20 Schweitzer consideraba que una persona ética no causaría daño de manera</p><p>maliciosa a algo que crece, sino que existiría en armonía con la naturaleza. Por supuesto reco-</p><p>nocía que, para comer, los seres humanos deben sacrificar a otros organismos, pero sostenía</p><p>2.7 Decisiones basadas en análisis éticos 69</p><p>que esto debía hacerse con compasión y con un sentido de sacralidad hacia toda la vida. Para</p><p>él, los seres humanos son sólo una parte del sistema natural.</p><p>Charles Darwin quizá sea el responsable de que se haya aceptado la noción de que los</p><p>seres humanos no son diferentes del resto de la naturaleza en el aspecto cualitativo. Si en</p><p>efecto evolucionaron a partir de criaturas menos complejas, son diferentes del resto de la vida</p><p>únicamente en términos cuantitativos y no cualitativos, y constituyen otro eslabón más en la</p><p>larga cadena de la evolución. Como Janna Thompson indica: “La teoría de la evolución, si</p><p>se entiende debidamente, no nos coloca en el pináculo del desarrollo de la vida en la Tierra.</p><p>Nuestra especie es un producto de la evolución entre muchos otros.”21</p><p>De igual modo, Paul Taylor22 sostiene que todos los seres vivos tienen un bien intrínseco</p><p>en sí mismos y, por tanto, merecen que se les incluya en la comunidad moral. Señala que todos</p><p>los organismos vivos tienen un valor inherente, y tan pronto como admitamos que los seres</p><p>humanos no somos superiores, reconoceremos que toda la vida tiene derecho a la protección</p><p>moral. Lo que él denomina el punto de vista biocéntrico depende del reconocimiento de la</p><p>pertenencia común de todos los seres vivos a la comunidad de la Tierra, que cada organismo</p><p>es un centro de vida y que todos los organismos están interrelacionados. Para Taylor, los seres</p><p>humanos no son más o menos importantes que otros organismos.</p><p>Esta aproximación a la ética ambiental tiene mucho atractivo y muy pocos detractores.</p><p>Por desgracia, no logra convencer en varios aspectos. En primer lugar, no hay forma de deter-</p><p>minar dónde debería trazarse en realidad la línea entre lo vivo y lo inerte. Los virus representan</p><p>en este caso el mayor problema, y de aceptarse las ideas de Taylor, el virus de la poliomielitis</p><p>también podría incluirse en la comunidad moral. Janna Thompson23 señala, con base en la</p><p>mayoría de los argumentos de esta postura, que tampoco hay algo que nos impida excluir a los</p><p>órganos (como el hígado o los riñones) de pertenecer a la comunidad moral.</p><p>En segundo lugar, el problema de cómo ponderar el valor de la vida animal en relación</p><p>con la vida de los seres humanos no está resuelto. ¿La vida de todas las criaturas debería ser</p><p>igual y, por tanto, una humana es igual a la de cualquier otra criatura? De ser así, aplastar una</p><p>cucaracha sería de la misma trascendencia moral que el asesinato de un ser humano. Si esto re-</p><p>sulta poco factible, entonces una vez más debe haber alguna escala de valores, y cada criatura</p><p>viva debe tener un espacio en esa jerarquía de valores otorgada por los seres humanos.</p><p>Si se construyera esa jerarquía, ¿cómo se determinaría el valor de la vida de diversos</p><p>organismos? ¿El de los microorganismos es igual que el de los osos polares? ¿La lechuga tiene</p><p>el mismo orden de importancia que la gacela?</p><p>Una clasificación así también presentaría dificultades imposibles para determinar qué</p><p>merece protección moral y qué no. “Tú, amiba, entras; tú, paramecio, quedas fuera, lo siento.”</p><p>Esto sencillamente no puede calcularse. Trazar la línea de la inclusión de toda vida en la co-</p><p>munidad moral, por tanto, parece ser algo indefendible.</p><p>Una forma de eliminar la objeción de saber dónde trazar la línea es extenderla para in-</p><p>cluir, dentro del círculo del interés moral, todo lo que es importante para el sistema dentro del</p><p>cual existen los individuos. A Aldo Leopold se le reconoce la idea inicial de una ética ambien-</p><p>tal ecocéntrica. Propuso que los ecosistemas deben preservarse porque sin ellos nada sobrevi-</p><p>ve. Afirmó que “algo es correcto cuando preserva la integridad, la estabilidad y la belleza de la</p><p>comunidad biótica. Es incorrecto cuando tiende hacia un sentido diferente”.</p><p>Val y Richard Routley24 y Holmes Rolston III25 reconocen que, en la ética ambiental eco-</p><p>céntrica, algunas criaturas (como una familia) tienen prioridad sobre otras (como los extranje-</p><p>ros), y que los seres humanos tienen prioridad sobre los animales. Conciben la ética como un</p><p>sistema de anillos concéntricos, donde las entidades morales más importantes se ubican en el</p><p>centro y en los anillos que se extienden hacia fuera se incorporan otros a la comunidad moral,</p><p>pero en niveles decrecientes de protección moral. La cuestión de cómo deben clasificarse las</p><p>Capítulo 2 Decisiones en ingeniería70</p><p>diversas criaturas y lugares en la Tierra en términos de su valor moral no se resuelve y, en efec-</p><p>to, corresponde a las personas realizar la valoración. Una vez</p><p>más este proceso se centra, por</p><p>supuesto, en el ser humano, y la ética ambiental ecocéntrica es una forma de ética ambiental</p><p>antropocéntrica con límites difusos.</p><p>Tom Regan presenta un concepto similar como un principio de preservación de “no des-</p><p>trucción, no interferencia y, en general, no intromisión”.26 Una corriente de pensamiento que</p><p>adopta esta idea es el movimiento de la ecología profunda. Su partidario más notable es Arne</p><p>Naess, quien propone que en la naturaleza los seres humanos no son más importantes que otras</p><p>criaturas o el resto del mundo.27 La ecología profunda se concentra en la idea de que los seres</p><p>humanos forman parte de todo el cosmos y están formados por la misma materia que todo lo</p><p>demás; por tanto, deberían vivir de modo que respeten toda la naturaleza y reconocer el daño</p><p>que el Homo sapiens ha causado al planeta. Los ecologistas profundos exigen una reducción</p><p>gradual de la población humana lo mismo que cambios en el estilo de vida a fin de que se</p><p>utilicen muchos menos recursos. La ecología profunda, denominada así para distinguirla de</p><p>la filosofía de “los ecologistas frívolos”, quienes valoran la naturaleza en forma instrumental,</p><p>elimina el problema de dónde trazar la línea respecto a los que entran y los que quedan fuera</p><p>de nuestra comunidad moral porque se incluye a todos y nada, pero nos presenta una vez más</p><p>la necesidad de valorar toda la naturaleza por igual, por lo que regresamos a nuestro problema</p><p>original de juzgar todo por medio de normas humanas.*</p><p>2.7.4 Ética ambiental y espiritualidad</p><p>Hay una tercera aproximación a la ética ambiental: reconocer que somos, al menos en la ac-</p><p>tualidad, incapaces de explicar de manera razonable nuestras actitudes hacia el ambiente y que</p><p>estas actitudes se experimentan de modo profundo, en una forma que no es distinta a un senti-</p><p>miento de espiritualidad. ¿Por qué no admitimos sencillamente que estas actitudes se basan en</p><p>la espiritualidad? Esta sugerencia tal vez no sea tan atroz como parecería a primera vista (¡pero</p><p>sin duda lo es en un libro de texto de ingeniería!). Aunque nos basamos en la cultura occiden-</p><p>tal, existen otras culturas cuyas aproximaciones a la naturaleza pueden resultar ilustrativas.</p><p>Muchas otras religiones, incluidas las de los indígenas americanos, son animistas: reco-</p><p>nocen la existencia de espíritus dentro de la naturaleza. Estos espíritus no adquieren la forma</p><p>humana, como en las religiones griega, romana y judaica. Sólo están dentro del árbol, el arroyo</p><p>o el cielo. Es posible estar en íntima comunión con ellos: hablarles, sentirse cerca de ellos.</p><p>¿Es demasiada exageración esperar que las personas en el futuro vivan en armonía con el</p><p>mundo porque experimentarán, en palabras de Wendell Berry, una “peregrinación secular”?28</p><p>John Stewart Collis tenía una visión optimista de nuestro futuro. A este respecto escribió:29</p><p>Tanto el politeísmo como el monoteísmo hicieron su labor. Las imágenes están rotas; se ha derro-</p><p>cado a todos los ídolos. Ahora se considera que esta época es muy poco religiosa. Pero tal vez sólo</p><p>significa que la mente pasa de un estado a otro. La siguiente etapa no es una creencia en muchos</p><p>dioses. No es una creencia en un solo dios. No es una creencia en absoluto, ni una concepción en</p><p>el intelecto. Es una extensión de la conciencia para que podamos sentir a Dios.</p><p>Se ha publicado una versión de la Biblia cristiana, la Biblia ecológica. Resalta en tinta verde</p><p>los versos que refuerzan el mensaje de la importancia de cuidar la Tierra.</p><p>* Es muy desafortunado que designemos a los organismos como “superiores” o “inferiores”, con la connotación</p><p>superlativa o peyorativa que esto supone. Es claro que una lombriz hace muy bien lo que se supone que debe hacer,</p><p>lo mismo que el guepardo. Sería muy difícil que los seres humanos se movieran como aquéllas por la tierra o que</p><p>atraparan como éstos a un antílope que corre. Sí, podemos construir máquinas para hacer esas cosas, pero eso se debe</p><p>a nuestra capacidad de pensamiento. Carecemos de muchas otras habilidades y, por tanto, no podemos afirmar que</p><p>somos superiores a las otras criaturas. De igual modo, es un sinsentido hablar de un guepardo como superior y una</p><p>lombriz como inferior.</p><p>2.8 Continuidad en las decisiones de la ingeniería 71</p><p>Es muy posible que la opción espiritual sea la que menos probabilidades tenga de resistir</p><p>el escrutinio racional. Sin embargo, ¿acaso esto no explica mejor cómo nos sentimos hacia la</p><p>naturaleza? ¿Cómo entender por qué algunas personas “tal vez eviten hacer un ruido innece-</p><p>sario en el bosque por respeto al mismo y a sus habitantes no humanos”30 si eso no se explica</p><p>con base en sentimientos espirituales?</p><p>No es en absoluto obvio por qué debemos tener actitudes de protección y cuidado hacia</p><p>un organismo o ser sólo cuando estas actitudes son correspondidas. Tal vez dependemos de la</p><p>idea de la aceptación en la comunidad moral, y el obstáculo puede librarse si la concebimos</p><p>como la inclusión de todos los seres en una comunidad de interés. En esta comunidad no se ne-</p><p>cesita la reciprocidad; lo importante es amar y cuidar de los otros simplemente por su presen-</p><p>cia en la comunidad de interés. La cantidad de amor y cuidado es proporcional a la capacidad</p><p>para darlos y no exige nada a cambio.</p><p>2.7.5 Observaciones finales</p><p>Un aspecto de la ingeniería ambiental como profesión (que a menudo no se menciona, como si</p><p>nos avergonzara) es que el ingeniero ambiental está entregado a una misión que en verdad vale</p><p>la pena: él es el epítome de la solución en contraposición al problema, y deberíamos sentirnos</p><p>bien al respecto. Nuestro cliente, en el sentido más amplio, es el ambiente mismo, y nuestro</p><p>objetivo es preservar y proteger nuestro hogar global por el bien de nuestra progenie y por la</p><p>Madre Naturaleza misma.</p><p>2.8 CONTINUIDAD EN LAS DECISIONES DE LA INGENIERÍA</p><p>Los métodos para la toma de decisiones que los ingenieros tienen a su disposición van desde</p><p>los más objetivos (técnicos) hasta los más subjetivos (éticos). El método inherente a la toma de</p><p>decisiones es el mismo en todos los casos; el problema se analiza primero, se separa y aprecia</p><p>desde muchas perspectivas. Cuando todas las cifras se han incluido y se han evaluado las va-</p><p>riables, la información se sintetiza en una solución. Luego esta última se considera de manera</p><p>integral para ver si tiene sentido o, acaso lo más importante, si se percibe como algo correcto.</p><p>Este proceso es cierto especialmente en el caso de las decisiones éticas, en las que pocas veces</p><p>hay cifras de comparación.</p><p>Cuando la toma de decisiones relacionadas con la ingeniería se extiende de lo técnico a</p><p>lo ético, éstas se vuelven cada vez menos cuantitativas y se someten a los gustos, prejuicios e</p><p>intereses personales de quien las toma. ¿Es razonable señalar que en algún momento las deci-</p><p>siones dejan de relacionarse en realidad con la ingeniería? No pocos ingenieros destacados han</p><p>afirmado con elocuencia que las únicas que en verdad se asocian con la ingeniería son las de</p><p>carácter técnico, y los demás intereses deben dejarse en manos de una persona no especificada</p><p>que toma las decisiones, para quien el ingeniero trabaja y quien quizá tenga la formación y los</p><p>antecedentes para tomar decisiones de las que tal vez el ingeniero no sea capaz y, sin duda, res-</p><p>ponsable. Una visión así, por supuesto, libera a usted, el ingeniero, de todo juicio (no técnico)</p><p>y lo convierte en un verdadero autómata que trabaja a instancias de su cliente o empleador. De</p><p>acuerdo con este argumento, las consecuencias sociales de sus actos (la forma en que influyen</p><p>en la sociedad en su conjunto) son de poco interés siempre que su cliente o empleador esté</p><p>debidamente atendido.</p><p>Por fortuna, la mayoría de los ingenieros no acepta una evasión así de los problemas.</p><p>Reconocemos que la ingeniería, acaso más que otras profesiones, puede marcar la diferencia.</p><p>Los proyectos que comprenden un cambio o una manipulación</p><p>ambiental necesitarán de modo</p><p>invariable los servicios del ingeniero profesional. Por tanto, todos estamos obligados desde</p><p>Capítulo 2 Decisiones en ingeniería72</p><p>el punto de vista moral, acaso como los engranajes indispensables en la rueda del progreso, a</p><p>buscar las mejores soluciones no sólo en el aspecto técnico, sino también en forma económica</p><p>y ética.</p><p>PROBLEMAS</p><p>2.1 Chapel Hill, Carolina del Norte, ha decidido</p><p>construir un conducto de agua sin depurar de</p><p>15 millas (24.14 kilómetros) que le permita</p><p>comprar agua de Hillsborough, Carolina del</p><p>Norte, durante las épocas de sequía. El inge-</p><p>niero ha recomendado que se construya un</p><p>conducto de 16 pulgadas (40 centímetros). La</p><p>base de la decisión es la siguiente:</p><p>Diámetro</p><p>(pulg)</p><p>Costo del</p><p>conducto</p><p>en el</p><p>suelo</p><p>($/pie)</p><p>Costo de</p><p>capital</p><p>de la</p><p>estación</p><p>de</p><p>bombeo</p><p>Costo de</p><p>energía</p><p>esperado</p><p>anual</p><p>8 5 $150,000 $10,000</p><p>10 8 145,000 8,000</p><p>12 12 140,000 7,000</p><p>16 14 120,000 6,000</p><p>La tasa de interés es de 8%; la vida esperada es</p><p>de 20 años.</p><p>a) Compare las cuatro opciones sobre la ba-</p><p>se del costo anual.</p><p>b) Si se paga al ingeniero sobre la base de</p><p>6% del costo de capital del trabajo total,</p><p>¿qué opción recomendaría si basara todas</p><p>las decisiones en una ética hedonista?</p><p>c) ¿Quiénes consideraría el ingeniero que</p><p>son los “clientes” en esta situación? De-</p><p>fienda cada opción en algunos enunciados.</p><p>2.2 La planta de energía nuclear de la localidad ha</p><p>decidido que el mejor lugar para almacenar sus</p><p>residuos nucleares de alto nivel (pequeños en</p><p>volumen pero bastante radiactivos) sería en un</p><p>campo desocupado contiguo al campus de la</p><p>universidad en la que usted estudia. Proponen</p><p>construir naves de almacenamiento debidamen-</p><p>te protegidas para que el nivel de radiactividad</p><p>en los límites del sitio sea igual a la radiación de</p><p>fondo, y utilizar estas naves durante los próxi-</p><p>mos 20 años. La planta de energía da servicio</p><p>a una población de 2 millones de habitantes, y</p><p>en la actualidad cuesta a la compañía de energía</p><p>1.2 millones de dólares al año eliminar el com-</p><p>bustible gastado en el estado de Washington.</p><p>Construir el nuevo complejo costará 800,000 dó-</p><p>lares y operarlo 150,000 dólares anuales. El sec-</p><p>tor de energía paga una tasa de interés de 8% por</p><p>el dinero tomado en préstamo. La compañía de</p><p>energía está dispuesta a pagar a la universidad</p><p>200,000 dólares anuales por concepto de renta.</p><p>a) ¿La compañía de energía se ahorrará di-</p><p>nero?</p><p>b) Si usted fuera el rector de la universidad,</p><p>decida si éste es un esquema aceptable</p><p>utilizando para ello:</p><p>a) Un análisis de rentabilidad</p><p>b) Un análisis de costo/beneficio</p><p>c) Un análisis de riesgo</p><p>d) Un análisis de impacto ambiental</p><p>e) Un análisis ético</p><p>Si necesita información adicional, suponga va-</p><p>lores y condiciones razonables.</p><p>2.3 La siguiente información sobre costos se calcu-</p><p>ló en el caso de una propuesta de construcción</p><p>de una casita para aves.</p><p>Costos</p><p>Capital Operación</p><p>Madera $4.00</p><p>Clavos 0.50</p><p>Alpiste adicional</p><p>necesario 1.50/semana</p><p>Beneficios</p><p>Gozo de ver a las aves 5.00/semana</p><p>La vida esperada de la casita para aves es de</p><p>2 años. Suponga un interés de 6%. Calcule la</p><p>razón de costo/beneficio. ¿Debe construir us-</p><p>ted la casita para aves?</p><p>Problemas 73</p><p>2.4 Una definición de contaminación es la interfe-</p><p>rencia excesiva con otro uso benéfico. Sobre</p><p>la base de esta definición, defienda el uso de</p><p>un arroyo como conducto para la eliminación</p><p>de aguas residuales. Utilice cualquiera de las</p><p>herramientas para la toma de decisiones que se</p><p>presentaron en este capítulo. Luego argumente</p><p>en contra de esta definición.</p><p>2.5 Se ha asignado a usted la responsabilidad de</p><p>diseñar un gran troncal de alcantarillado. La</p><p>trayectoria del mismo pasará por un arroyo que</p><p>se utiliza como sitio recreativo. Se trata de un</p><p>lugar popular para realizar comidas campes-</p><p>tres y los voluntarios han construido senderos</p><p>ecológicos a sus orillas, además de que la co-</p><p>munidad local quiere convertirlo a la larga en</p><p>parte del sistema de parques estatal. El troncal</p><p>alterará terriblemente el arroyo, destruirá su</p><p>ecosistema y lo volverá poco atractivo para la</p><p>recreación. ¿Qué pensamientos tendría usted</p><p>sobre esta tarea? Redacte una entrada de diario</p><p>como si llevara un diario personal.</p><p>2.6 ¿Atropellaría usted con intención a una tortu-</p><p>ga terrapene que trata de cruzar una carretera?</p><p>¿Por qué sí o por qué no? Presente un argu-</p><p>mento para convencer a los demás de que su</p><p>planteamiento es correcto.</p><p>2.7 Usted ha decidido iniciar un rancho para la</p><p>cría de demonios de Tasmania. (Tal vez desee</p><p>investigar un poco sobre estas extrañas criatu-</p><p>ras.) Su rancho se ubicará en un barrio residen-</p><p>cial y usted ha descubierto que la ordenanza</p><p>no señala nada sobre la cría de demonios de</p><p>Tasmania, de modo que usted considera que su</p><p>rancho estará dentro de la legalidad.</p><p>Usted proyecta vender los demonios de Tas-</p><p>mania al operador de un vertedero local, quien</p><p>los utilizará como carroñeros. Exponga su de-</p><p>cisión desde el punto de vista:</p><p>a) Del costo/beneficio para usted</p><p>b) Del riesgo para usted y los demás</p><p>c) Del impacto ambiental</p><p>2.8 La autoridad responsable del agua en una pe-</p><p>queña comunidad sostiene que se necesitan una</p><p>presa y un lago nuevos, y presenta una estima-</p><p>ción inicial de los costos de construcción por</p><p>1.5 millones de dólares. La autoridad calcula</p><p>un beneficio (recreación, turismo, suministro</p><p>de agua) de 2 millones de dólares. La comu-</p><p>nidad acepta el proyecto y emite bonos para</p><p>pagar la construcción. Sin embargo, conforme</p><p>ésta avanza y luego de que se ha gastado ya un</p><p>millón de dólares, se hace evidente que la presa</p><p>en realidad costará 3 millones, y el costo extra</p><p>se debe a órdenes de cambios y problemas no</p><p>previstos que no son responsabilidad del con-</p><p>tratista. La mitad de la presa terminada se des-</p><p>tina al uso de la comunidad y se necesitan 1.5</p><p>millones de dólares como fondo adicional para</p><p>finalizar el proyecto. Utilice el análisis de cos-</p><p>to/beneficio para argumentar si la comunidad</p><p>debería continuar con este proyecto.</p><p>2.9 Mencione un proyecto del Departamento de la</p><p>Defensa en el que no se haya utilizado la técni-</p><p>ca descrita en el problema 2.8 para abogar por</p><p>su terminación.</p><p>2.10 Con frecuencia las decisiones de la ingeniería</p><p>afectan a las personas de la siguiente genera-</p><p>ción, e incluso de varias generaciones más.</p><p>Hay un puente importante que acaba de cele-</p><p>brar su centésimo aniversario y es posible que</p><p>pueda mantenerse en pie durante otro siglo</p><p>más. Este puente es nada en comparación con</p><p>algunas de las proezas de la ingeniería romana,</p><p>por supuesto.</p><p>Las decisiones en ingeniería, como la</p><p>eliminación de residuos nucleares, también</p><p>afectan a las futuras generaciones pero en un</p><p>sentido negativo. Heredamos este problema a</p><p>nuestros hijos, sus hijos e incontables gene-</p><p>raciones. Pero, ¿esto debería preocuparnos?</p><p>Después de todo, ¿qué han hecho las futuras</p><p>generaciones por nosotros?</p><p>Los filósofos han enfrentado el proble-</p><p>ma de la preocupación por las futuras genera-</p><p>ciones, pero sin mucho éxito. A continuación</p><p>aparece una lista de algunos argumentos que</p><p>se encuentran en la bibliografía sobre por qué</p><p>no deberíamos preocuparnos por las futuras</p><p>generaciones. Piense en ellos y elabore otros</p><p>contrarios si usted discrepa con aquéllos. Pre-</p><p>párese para discutir esto en clase.</p><p>Capítulo 2 Decisiones en ingeniería74</p><p>No tenemos por qué preocuparnos por</p><p>las futuras generaciones:</p><p>a) Estas personas ni siquiera existen, así</p><p>que no gozan de ningún derecho como la</p><p>consideración moral. No podemos per-</p><p>mitir reclamos morales de personas que</p><p>no existen y que quizá ni siquiera lleguen</p><p>a existir.</p><p>b) No tenemos idea de lo que las futuras</p><p>generaciones quieran y cuáles sean sus</p><p>problemas, así que no tiene sentido pla-</p><p>nificar por ellas. Conservar (no usar) los</p><p>recursos</p><p>no renovables por si acaso los</p><p>necesitan tampoco tiene sentido.</p><p>c) Si habrá personas en el futuro, no tene-</p><p>mos idea de cuántas sean, así que, ¿cómo</p><p>planificar por ellas?</p><p>d) Las generaciones futuras estarán mejor</p><p>que las anteriores en razón de los progre-</p><p>sos tecnológicos, así que no tenemos una</p><p>obligación moral hacia ellas.</p><p>e) Si descontamos el futuro, descubrimos</p><p>que las reservas de recursos son de poco</p><p>uso para las generaciones por venir. Por</p><p>ejemplo, si un barril de petróleo costará,</p><p>digamos 100 dólares, dentro de 50 años,</p><p>¿cuánto cuesta ese barril en la actuali-</p><p>dad? Suponga una tasa de interés de 5%.</p><p>Sin duda, a partir de su respuesta, no</p><p>tiene sentido conservar hoy un barril de</p><p>petróleo que sólo vale los centavos que</p><p>usted calculó.</p><p>2.11 Un libro particularmente rimbombante que</p><p>describe el movimiento ambientalista como</p><p>una partida de papanatas es Disaster Lobby.31</p><p>El capítulo 6 comienza con este enunciado:</p><p>“Desde 1802, el Cuerpo de Ingenieros del</p><p>Ejército de Estados Unidos ha estado muy</p><p>ocupado ayudando a dar forma a un ambiente</p><p>habitable, seguro y seco en relación con el pá-</p><p>ramo salvaje y hostil que otrora era Norteamé-</p><p>rica.” Considere el lenguaje empleado en ese</p><p>enunciado y redacte un análisis de una página</p><p>sobre los valores que tenía el autor.</p><p>2.12 Los cloruros entran en los Grandes Lagos a</p><p>partir de la actividad humana, pero la fuente</p><p>más importante es la sal que se arroja en las</p><p>calles durante el invierno a fin de lograr que</p><p>sean seguras para conducir. Las concentracio-</p><p>nes elevadas de cloruros (agua salada) son per-</p><p>judiciales para el ecosistema acuático. Si los</p><p>Grandes Lagos tuvieran niveles de cloruro de</p><p>>20 mg/L, ¿por qué esto constituiría un proble-</p><p>ma? ¿Qué usos del lago se verían amenazados</p><p>por concentraciones de cloruro tan elevadas?</p><p>¿Cómo considera usted que cambiarán los la-</p><p>gos como resultado de esas concentraciones</p><p>tan altas de cloruro?</p><p>Suponga que usted es el ingeniero am-</p><p>biental en jefe a cargo de la Comisión conjunta</p><p>entre Estados Unidos y Canadá para la Calidad</p><p>del Agua en los Grandes Lagos. Tiene que es-</p><p>tablecer límites para los cloruros en el agua, re-</p><p>conociendo que aquellos que usted establezca</p><p>serían mucho menores a los 20 mg/L y que se</p><p>necesitarían cambios en el estilo de vida huma-</p><p>na si la concentración de cloruro tiene que per-</p><p>manecer por debajo de estos estándares. ¿Qué</p><p>decisiones tomaría usted? (Tal vez haya más</p><p>de un tipo y no hay una respuesta “correcta”</p><p>única a esta pregunta.)</p><p>2.13 Una de las opciones para las plantas de ener-</p><p>gía alimentadas con combustibles fósiles es</p><p>construir presas en los ríos y utilizar la energía</p><p>del agua para generar electricidad. Suponga</p><p>que trabaja para una compañía de energía y</p><p>debe tomar la decisión de construir uno de tres</p><p>complejos nuevos: una gran presa en un río es-</p><p>cénico, una planta de energía alimentada con</p><p>carbón o una central de energía nuclear. Su-</p><p>ponga que las tres plantas producirían aproxi-</p><p>madamente la misma cantidad de electricidad,</p><p>pero la nuclear es la más costosa, seguida por</p><p>la presa y al final la alimentada por carbón.</p><p>¿Qué factores se considerarían y qué tipo</p><p>de decisiones es probable que tome la direc-</p><p>ción de la compañía de energía para definir</p><p>qué planta construir? ¿Por qué?</p><p>2.14 Una planta de tratamiento de aguas residuales</p><p>de una ciudad descarga su efluente en un arro-</p><p>yo, pero el tratamiento es inadecuado. Usted</p><p>está a cargo de las obras públicas de la ciudad</p><p>y contrata a una asesora especializada en inge-</p><p>niería para que evalúe el problema y ofrezca</p><p>soluciones. Ella estima que ampliar la capaci-</p><p>Problemas 75</p><p>dad de la planta de tratamiento para alcanzar</p><p>la calidad del efluente necesaria será una pro-</p><p>puesta costosa. Determina que la ciudad puede</p><p>cumplir con la norma de calidad del agua río</p><p>abajo si construye una gran esclusa receptora</p><p>para el efluente de la planta (descarga) y con-</p><p>tiene las aguas residuales tratadas durante la</p><p>época de secas (flujo del río bajo) y las descar-</p><p>ga sólo durante los flujos de agua abundantes</p><p>(época de lluvias). La cantidad de contamina-</p><p>ción orgánica descargada seguiría siendo la</p><p>misma, por supuesto, pero se cumplirían las</p><p>normas para el arroyo y la calidad del agua del</p><p>río sería aceptable para la vida acuática y la</p><p>ciudad resolvería la difícil situación.</p><p>Su asesora en ingeniería realizó algunos</p><p>cálculos antes de hacer su recomendación, por</p><p>supuesto. El costo de aumentar la capacidad de</p><p>la planta es de 1.5 millones de dólares y el de</p><p>la esclusa receptora es de 1.8 millones de dó-</p><p>lares. El costo de operación anual de la expan-</p><p>sión de la planta de tratamiento es de 400,000</p><p>dólares y el costo de operación del estanque re-</p><p>ceptor es de 100,000 dólares. La ciudad puede</p><p>obtener un préstamo a una tasa de interés</p><p>de 6%; la vida esperada de la expansión de la</p><p>planta de tratamiento es de 10 años y la del</p><p>estanque receptor es de 20 años. Sobre la base</p><p>de la economía únicamente, ¿la ingeniera está</p><p>en lo correcto? ¿Recomendaría usted esta so-</p><p>lución al consejo de la ciudad? ¿Qué tipo de</p><p>decisiones tomaría usted para determinar su</p><p>recomendación final?</p><p>2.15 Un agricultor que tiene un pozo para irrigar sus</p><p>campos lo contrata como asesor y le pregunta si</p><p>puede extraer más agua de la que obtiene en la</p><p>actualidad. Con honestidad usted responde que</p><p>sí, puede hacerlo, pero que las reservas subte-</p><p>rráneas se agotarán y los pozos de sus vecinos</p><p>tal vez se sequen. Él le pregunta que si sería po-</p><p>sible que alguien se percatara de que extrae por</p><p>encima de la tasa máxima y usted, de nuevo, le</p><p>dice con toda sinceridad que es poco probable</p><p>que alguien se dé cuenta. Entonces él le comen-</p><p>ta que proyecta duplicar la tasa de extracción</p><p>tanto como pueda, y que cuando el agua se ago-</p><p>te, abandonará la granja y se mudará a Florida.</p><p>Al parecer usted es la única persona que conoce</p><p>los planes del agricultor.</p><p>Al conducir de regreso a casa toma una</p><p>decisión al respecto. ¿Qué tipo de decisión to-</p><p>mará y cómo lo hará?</p><p>2.16 La ingeniera Diane trabaja para una gran com-</p><p>pañía consultora internacional contratada por</p><p>un organismo federal para que coadyuve en la</p><p>construcción de un gasoducto en Arizona des-</p><p>tinado a la conducción de gas natural. Su labor</p><p>consiste en diseñar la línea central del conduc-</p><p>to de acuerdo con los planes que se desarrolla-</p><p>ron en Washington.</p><p>Al cabo de algunas semanas en el puesto</p><p>se le acercan los líderes de una aldea navajo</p><p>local y le dicen que la línea de gas atravesará,</p><p>según parece, un antiguo cementerio navajo</p><p>sagrado. Ella revisa el mapa y explica a los lí-</p><p>deres que, en el estudio territorial inicial no se</p><p>identificó ningún cementerio.</p><p>“Sí, aunque el cementerio no se ha uti-</p><p>lizado recientemente, nuestro pueblo cree que</p><p>en tiempos antiguos éste era un camposan-</p><p>to aunque no podamos comprobarlo. Lo que</p><p>importa no es que se demuestre por medio de</p><p>excavaciones arqueológicas que éste fue en</p><p>efecto un cementerio, sino más bien que el pue-</p><p>blo cree que lo fue. Por tanto, nos gustaría que</p><p>se modificara el trazo del conducto para que se</p><p>evitara la montaña.”</p><p>“No puedo hacer eso. Necesito recibir la</p><p>aprobación de Washington. Y cualquier cosa</p><p>que se haga costaría muchísimo dinero. Les</p><p>sugiero que no continúen con esto”, responde</p><p>Diane.</p><p>“Ya hablamos con los de Washington, y</p><p>como dice usted, insisten en que sin pruebas</p><p>arqueológicas no pueden aceptar la presencia</p><p>del cementerio. Sin embargo, para nuestro pue-</p><p>blo esa tierra es sagrada. Nos gustaría que usted</p><p>trate una vez más de desviar el conducto.”</p><p>“Pero el conducto estará oculto bajo la</p><p>tierra. Una vez que se termine la construcción,</p><p>se restablecerá la vegetación y ustedes podrán</p><p>olvidar que está ahí”, sugiere Diane.</p><p>“Oh, sí. Sabremos que está ahí. Y nues-</p><p>tros ancestros también lo sabrán.”</p><p>Al día siguiente, Diane habla por teléfo-</p><p>no con Tom, su jefe en Washington, y le co-</p><p>menta sobre la visita de los navajo.</p><p>“Ignóralos”, le aconseja Tom.</p><p>Capítulo 2 Decisiones en ingeniería76</p><p>“No puedo ignorarlos. Ellos en realidad</p><p>sienten que su tierra sagrada se profana con el</p><p>gasoducto”, responde Diane.</p><p>“Si vas a ser tan sensible ante cada capri-</p><p>cho y deseo de todos los grupos de presión, tal</p><p>vez no debas estar en ese puesto”, comenta Tom.</p><p>¿Qué responsabilidad tienen los ingenie-</p><p>ros respecto a la actitud pública? ¿Deberían</p><p>tomar en cuenta los sentimientos del público</p><p>o deberían basarse sólo en datos duros e infor-</p><p>mación cuantitativa? ¿Debería Diane decirles</p><p>simplemente a los líderes navajo que llamó a</p><p>Washington y que por desgracia el trazo no</p><p>puede modificarse? Si ella considera que se</p><p>ha tratado al pueblo navajo de manera injusta,</p><p>¿qué cursos de acción se le presentan? ¿Cuánto</p><p>debería arriesgarse?</p><p>Responda estas preguntas redactando un</p><p>trabajo de dos cuartillas en el que analice la</p><p>ética de este caso.</p><p>2.17 La elección de lo que los científicos estudian es</p><p>tema de un ensayo magistral de León Tolstoi,</p><p>“Las supersticiones de la ciencia”, que se publi-</p><p>có en un inicio en 1898.32 El autor narra como</p><p>…un trabajador simple y sensible sostiene en</p><p>forma anticuada y sensible que si la gente que</p><p>estudia durante toda su vida y, a cambio de la</p><p>comida y sustento que él les da, piensa por él,</p><p>entonces esos pensadores probablemente se</p><p>ocupen de lo que es necesario para la gente,</p><p>y él espera que la ciencia dé solución a esas</p><p>preguntas de las que depende su bienestar y</p><p>el bienestar de toda la gente. Espera que la</p><p>ciencia le enseñe cómo vivir, cómo actuar con</p><p>los miembros de su familia, con sus vecinos,</p><p>con los extranjeros; cómo luchar con sus pa-</p><p>siones, en qué debería o no creer, y mucho</p><p>más. ¿Y qué le dice nuestra ciencia sobre to-</p><p>das estas interrogantes?</p><p>Ésta le informa majestuosamente a cuán-</p><p>tos kilómetros está el Sol de la Tierra, cuántos</p><p>millones de vibraciones etéreas por segundo</p><p>constituyen la luz, cuántas vibraciones en el</p><p>aire hacen el sonido; le cuenta de la cons-</p><p>titución química de la Vía Láctea, del nuevo</p><p>elemento llamado helio, de los microorganis-</p><p>mos y su tejido de desecho, de los puntos en la</p><p>mano en los que se concentra la electricidad,</p><p>de los rayos X, etc. Pero, protesta el trabaja-</p><p>dor, necesito saber ahora, en esta generación,</p><p>las respuestas relacionadas con cómo vivir.</p><p>Hombre tonto e ignorante, responde la</p><p>ciencia, él no entiende que la ciencia no atien-</p><p>de a otra utilidad más que la ciencia misma.</p><p>La ciencia estudia lo que se le presenta para</p><p>estudio y no elige los temas de estudio. La</p><p>ciencia estudia todo. Este es el carácter de</p><p>la ciencia.</p><p>Y los hombres de ciencia están conven-</p><p>cidos realmente de que esta cualidad de ocu-</p><p>parse de nimiedades y desatender lo que es</p><p>más real e importante es una cualidad no de</p><p>ellos, sino de la ciencia; pero la persona sim-</p><p>ple y sensible empieza a sospechar que esta</p><p>cualidad no pertenece a la ciencia, sino a las</p><p>personas que se inclinan a ocuparse de nimie-</p><p>dades y a atribuir a estas nimiedades una gran</p><p>importancia.</p><p>En la formulación y planificación de su carrera</p><p>como ingeniero y no como científico, ¿cómo</p><p>respondería usted a Tolstoi?</p><p>2.18 Lea el segundo capítulo del Génesis. En un</p><p>trabajo de una cuartilla, exprese sus pensa-</p><p>mientos en relación con el concepto de “admi-</p><p>nistración” de la ética ambiental.</p><p>2.19 ¿Cómo estimaría usted los datos necesarios</p><p>para el ejemplo 2.1?</p><p>2.20 En la sección 2.2 aparece el enunciado siguien-</p><p>te: “Obviamente, la opción del costo total más</p><p>bajo (en razón de todos los datos sobre los cos-</p><p>tos) sería la decisión más razonable”. ¿Qué se</p><p>entiende por “todos los datos sobre los costos”?</p><p>2.21 Usted, como ingeniero de la ciudad, revisa el</p><p>trabajo de Chris, el nuevo empleado del De-</p><p>partamento de Obras Públicas, quien realizó</p><p>los cálculos del ejemplo 2.2 para que usted los</p><p>utilice en su presentación ante el consejo de la</p><p>ciudad. ¿Está de acuerdo o en desacuerdo con</p><p>los cálculos de Chris?</p><p>2.22 ¿Marcará alguna diferencia en su análisis de</p><p>riesgo si esa persona en un millón que posi-</p><p>blemente resulte perjudicada fuera usted o al-</p><p>guien que ama?</p><p>2.23 Haga una lista de otros impactos que podrían</p><p>incluirse en el ejemplo 2.9.</p><p>Notas finales 77</p><p>NOTAS FINALES</p><p>1. Gray, R. G. (2000). Carta al editor: Education</p><p>system isn’t working. ASCE News, 25, núm. 9:8.</p><p>2. La historia se atribuye a Garrett Hardin, Tragedy</p><p>of the commons, Science, 162 (1968, diciembre).</p><p>3. MacLean, D. (1986) (ed.) Values at Risk.</p><p>Totowa, NJ: Rowman and Littlefield.</p><p>4. National Research Council (NRC) (1983). Risk</p><p>Assessment in the Federal Government: Unders-</p><p>tanding the Process, Washington DC: National</p><p>Academy Press.</p><p>5. O’Brien, Mary (2000). Making Better Environ-</p><p>mental Decisions: An Alternative to Risk As-</p><p>sessment. Cambridge, MA: MIT Press.</p><p>6. California Green Chemistry Initiative Final</p><p>Report (2008, diciembre). California Environ-</p><p>mental Protection Agency. Disponible en http://</p><p>www.dtsc.ca.gov/PollutionPrevention/Gre-</p><p>enChemistryInitiative/index.cfm, 8 de enero de</p><p>2009.</p><p>7. Disponible en http://www.epa.gov/dfe/pubs/fla-</p><p>meret/ffr-alt.htm, septiembre de 2008.</p><p>8. Disponible en http://www.cleanproduction.org/</p><p>library/Green%20Screen%20Report.pdf, sep-</p><p>tiembre de 2008.</p><p>9. Petulla, J. M. (1980). American Environmenta-</p><p>lism. College Station. TX: Texas A&M Univer-</p><p>sity Press.</p><p>10. Buena parte de este análisis se basa en Gunn, A.</p><p>S. y P. A. Vesilind (1986). Environmental Ethics</p><p>for Engineers. Chelsea, MI: Lewis Publishers.</p><p>11. Immanuel Kant. Duties toward animals and</p><p>spirits. Lecture on ethics (p. 240). Citado por</p><p>Mary Midgley, en “Duties concerning islands”,</p><p>en Elliot R. y A. Gare (eds.) (1983). Environ-</p><p>mental Philosophy. State College, PA: Pennsyl-</p><p>vania State University Press.</p><p>12. Baxter, William F. (1974). People or Penguins:</p><p>The Case for Optimal Pollution (p. 5). Nueva</p><p>York: Columbia University Press.</p><p>13. Leopold, A. (1966). A Sand County Almanac,</p><p>Nueva York: Oxford University Press.</p><p>14. Watson, Richard A. (1979). Self-consciousness</p><p>and the rights of nonhuman animals and nature,</p><p>Environmental Ethics, 1, núm. 2: 99-129.</p><p>15. McClosky, H. J. (1983). Ecological Ethics and</p><p>Politics, Totowa, NJ: Rowman and Littlefield,</p><p>p. 29.</p><p>16. Locke, John (1967). Two Treatises on Govern-</p><p>ment (2a. ed.). Editado por Peter Laslett. Cam-</p><p>bridge, Reino Unido: Cambridge University</p><p>Press.</p><p>17. Hobbes, Thomas (1885). Leviathan. Editado por</p><p>Henry Morley, Londres: Routledge.</p><p>18. Bentham, Jeremy (1948). An Introduction to the</p><p>Principles of Morals and Legislation. Editado</p><p>por Laurence J. LaFleur. Nueva York: Hafner</p><p>Press.</p><p>19. Singer, Peter (1979). Practical Ethics (p. 50).</p><p>Cambridge, Reino Unido: Cambridge Univer-</p><p>sity Press.</p><p>20. Schweitzer, Albert (1933). Out of My Life and</p><p>Thought: An Autobiography. Nueva York.</p><p>21. Thompson, Janna (1983). Preservation of wil-</p><p>derness and the good life. En Environmental</p><p>Philosophy (p. 97). Editado por R. Elliot y A.</p><p>Gare. State College, PA: Pennsylvania State</p><p>University Press.</p><p>22. Taylor, Paul W. (1986). Respect for Nature: A</p><p>Theory of Environmental Ethics. Princeton, NJ:</p><p>Princeton University Press.</p><p>23. Thompson, Janna (1990). “A refutation of en-</p><p>vironmental ethics”, Environmental Ethics, 12,</p><p>núm. 4: 147-60.</p><p>24. Routley, Val y Richard (1987). Against the</p><p>inevitability of human chauvinism. En Ethics</p><p>and the Problems of the 21st Century. Editado</p><p>por Kenneth Goodpaster y Kenneth Sayre. No-</p><p>tre Dame, IN: University of Notre Dame Press.</p><p>25. Rolston, Holmes III (1988). Environmental</p><p>Ethics. Philadelphia: Temple University Press.</p><p>26. Regan, Tom (1981). The nature and possibi-</p><p>lity of an environmental ethic. Environmental</p><p>Ethics, 3, núm. 1: 31-2.</p><p>27. Naess, Arne (1985). Basic principles of deep</p><p>ecology.</p><p>En Deep Ecology. Editado por Bill</p><p>Devall y George Sessions, Salt Lake City: Gibbs</p><p>Smith.</p><p>28. Berry, Wendell (1973). A secular pilgrimage. En</p><p>Western Man and Environmental Ethics. Edi-</p><p>tado por Ian Barbour, Reading, MA: Addison-</p><p>Wesley.</p><p>29. Collis, John Stewart (1954). The Triumph of the</p><p>Tree. Nueva York: William Sloane Associates.</p><p>Capítulo 2 Decisiones en ingeniería78</p><p>30. Routley, Richard y Val (1980). Human chau-</p><p>vinism and environmental ethics. En Environ-</p><p>mental Philosophy (p. 130). Editado por D.</p><p>Mannison, M. McRobbie y R. Routley. Canbe-</p><p>rra: Research School of Social Sciences, Austra-</p><p>lian National University.</p><p>31. Grayson, M. J. y T. R. Shepard, Jr. (1973). Di-</p><p>saster Lobby. Chicago: Follett Publishing Co.</p><p>32. Tolstoi, León (1898). The superstitions of scien-</p><p>ce. En The Arena, 20. Reimpreso en The New</p><p>Technology and Human Values. Editado por J.</p><p>G. Burke (1966). Belmont, CA: Wadsworth Pu-</p><p>blishing Co.</p><p>C A P Í T U L O 3</p><p>©</p><p>S</p><p>u</p><p>sa</p><p>n</p><p>M</p><p>o</p><p>rg</p><p>an</p><p>©</p><p>K</p><p>e</p><p>it</p><p>h</p><p>M</p><p>o</p><p>rg</p><p>an</p><p>Arco Gateway, Missouri</p><p>Serpiente, Carolina del Sur</p><p>Cálculos en la ingeniería</p><p>Los ingenieros ambientales realizan numerosos cálculos en sus análisis y diseños. Con frecuencia revisan</p><p>dos o tres veces las etapas más importantes. Pero también prestan atención a esos detalles en apariencia</p><p>menores, como las unidades, para evitar que los sorprenda un simple error.</p><p>79</p><p>Capítulo 3 Cálculos en la ingeniería80</p><p>En ingeniería, la capacidad para resolver problemas por medio de cálculos representa la esen-</p><p>cia misma de esta profesión. Si bien no todos los problemas de esta disciplina pueden resol-</p><p>verse con cálculos numéricos, éstos son absolutamente necesarios para el desarrollo de las</p><p>soluciones técnicas. Los cálculos en la ingeniería hacen posible la descripción del mundo</p><p>físico en términos de unidades y dimensiones que todos aquellos con quienes tiene lugar la</p><p>comunicación puedan comprender.</p><p>Dedicamos la primera sección de este capítulo a hacer una revisión de las unidades y</p><p>dimensiones que se emplean en la ingeniería. En la segunda parte estudiamos algunos prin-</p><p>cipios básicos para realizar cálculos generales cuando la información con la que contamos es</p><p>incompleta o inasequible, y la última sección se refiere al manejo de la misma.</p><p>3.1 DIMENSIONES Y UNIDADES EN LA INGENIERÍA</p><p>Una dimensión fundamental es una cantidad única que describe una característica básica,</p><p>como fuerza (F), masa (M), longitud (L) y tiempo (T). Las dimensiones derivadas se calculan</p><p>por medio de la manipulación aritmética de una o más dimensiones fundamentales. Por ejem-</p><p>plo, la velocidad tiene las dimensiones de la longitud por tiempo (L / T ), y el volumen es L3.</p><p>Las dimensiones son descriptivas, pero no numéricas. No explican cuánto; sólo descri-</p><p>ben qué. Las unidades y los valores de esas unidades son necesarios para describir algo en</p><p>forma cuantitativa. Por ejemplo, la dimensión de la longitud (L) puede describirse en unidades</p><p>como metros, yardas o brazas. Al agregar el valor, tenemos una descripción completa, como</p><p>sería 3 metros (m), 12.6 yardas (yd) o 600 brazas (br).</p><p>Hay tres sistemas de unidades de uso común: el sistema internacional (SI), el de inge-</p><p>niería estadounidense y el cgs. Establecido en 1960 como parte de un acuerdo internacional,</p><p>el SI (siglas de System International d’Unites; sistema internacional de unidades) se basa en el</p><p>metro para expresar la longitud, en el segundo para el tiempo, el kilogramo para la masa y el</p><p>grado Kelvin para la temperatura. La fuerza se expresa en newtons. La enorme ventaja del SI</p><p>sobre el viejo sistema inglés (y ahora estadounidense) es que funciona sobre una base decimal,</p><p>en la que los prefijos disminuyen o aumentan las unidades en potencias de 10. Aunque el SI se</p><p>utiliza en todo el mundo, la mayoría de los ingenieros estadounidenses contemporáneos sigue</p><p>empleando el viejo sistema de pies, libras (masa) y segundos, en el que la fuerza se expresa</p><p>en libras. Para garantizar la facilidad y familiaridad, en este libro se utilizan ambos sistemas.</p><p>3.1.1 Densidad</p><p>La densidad de una sustancia se define como su masa dividida entre una unidad de volumen, o</p><p>ρ= M</p><p>V</p><p>donde ρ = densidad</p><p>M = masa</p><p>V = volumen</p><p>En el SI la unidad básica para la densidad es el kg/m3, en tanto que en el sistema de ingeniería</p><p>estadounidense se expresa comúnmente como lb</p><p>M</p><p>/pie3 [donde lb</p><p>M</p><p>= libras (masa)].</p><p>3.1 Dimensiones y unidades en la ingeniería 81</p><p>E N F O Q U E</p><p>La importancia de mantener un registro para la in-</p><p>terpretación de las unidades en los cálculos que</p><p>uno realiza se ejemplifica con claridad en la falli-</p><p>da misión del Orbitador Climático de Marte (Mars</p><p>Climate Orbiter) de la Dirección Nacional de Ae-</p><p>ronáutica y Espacial de Estados Unidos (NASA;</p><p>National Aeronautics and Space Administration)</p><p>que costó 327.6 millones de dólares (figura 3.1).1, 2</p><p>Un equipo de ingenieros utilizó el SI (N-s) en el</p><p>cálculo de la potencia de los propulsores, mientras</p><p>que otro equipo recurrió al sistema estadouniden-</p><p>se (lb-s). La diferencia en las unidades fue sufi-</p><p>ciente para calcular erróneamente la trayectoria</p><p>del orbitador en 100 km (60 mi), lo que ocasionó</p><p>su destrucción por la fricción con la atmósfera de</p><p>Marte. Aunque en este caso la equivocación dio</p><p>como resultado la pérdida de una costosa pieza de</p><p>equipo, esos errores en la práctica de la ingenie-</p><p>ría pueden causar pérdidas mucho mayores, como</p><p>la de vidas. Para no cometer esos fallos que pue-</p><p>den evitarse con facilidad, en la práctica conviene</p><p>que se adquiera el hábito de establecer en forma</p><p>explícita todas las unidades en todos los cálculos</p><p>que uno realice y de darles seguimiento. De he-</p><p>cho, usted descubrirá que muchos de los que se</p><p>efectúan en la ingeniería ambiental son en esencia</p><p>conversiones de unidades y son sencillos si usted</p><p>da seguimiento a sus unidades.</p><p>Unidades</p><p>Figura 3.1 Orbitador Climático de Marte</p><p>colocado para su prueba de rotación. (© NASA</p><p>Kennedy Space Center (NASA-KSC). KSC-98pc-1723)</p><p>El agua en el SI tiene una densidad de 1 × 103 kg/m3, lo cual es igual a 1 g/cm3. En el</p><p>sistema de ingeniería estadounidense la densidad del agua es de 62.4 lb</p><p>M</p><p>/pie3.</p><p>3.1.2 Concentración</p><p>La dimensión derivada de la concentración en general se expresa gravimétricamente como</p><p>la masa de un material A en un volumen de unidad que consta del material A y de algún otro</p><p>material B. La concentración de A en una mezcla de A y B es</p><p>CA = MA</p><p>VA + VB (3.1)</p><p>donde C</p><p>A</p><p>= concentración de A</p><p>M</p><p>A</p><p>= masa de material A</p><p>V</p><p>A</p><p>= volumen de material A</p><p>V</p><p>B</p><p>= volumen de material B</p><p>En el SI, la unidad básica de concentración es kg/m3. Sin embargo, el término de concentración</p><p>de uso generalizado en la ingeniería ambiental son los miligramos por litro (mg/L).</p><p>Capítulo 3 Cálculos en la ingeniería82</p><p>EJEMPLO</p><p>3.1</p><p>EJEMPLO</p><p>3.2</p><p>Problema En un recipiente se colocan unas cuentas de plástico que tienen un volumen de</p><p>0.04 m3 y una masa de 0.48 kg, y se vierten 100 litros de agua. ¿Cuál es la concentración</p><p>de cuentas de plástico en mg/L?</p><p>Solución Con ayuda de la ecuación 3.1, donde A representa las cuentas y B el agua:</p><p>CA = MA</p><p>VA + VB</p><p>CA = 0.48 kg</p><p>0.04 m3 + (100 L× 10−3 m3/L)</p><p>CA = 3.43 kg/m3 = 3.43</p><p>106 mg/kg</p><p>103 L/m3 = 3,430 mg/L</p><p>Problema Un sedimento de aguas residuales tiene una concentración de sólidos de 10,000 ppm.</p><p>Exprese esto en sólidos porcentuales (con base en la masa), suponiendo que la densidad de los</p><p>sólidos es de 1 g/cm3.</p><p>Advierta que en el ejemplo anterior el volumen del agua se agrega al volumen de las cuentas.</p><p>Si las cuentas de plástico con un volumen de 0.04 m3 se colocan en el recipiente de 100 litros</p><p>y éste se llena de agua hasta el borde, el volumen total es:</p><p>V</p><p>A</p><p>+ V</p><p>B</p><p>= 100 L</p><p>y la concentración de cuentas, C</p><p>A</p><p>, es de 4,800 mg/L. Esta es mayor porque el volumen total</p><p>es más bajo.</p><p>Otro indicador de la concentración son las partes por millón (ppm). Esto es numérica-</p><p>mente equivalente a mg/L</p><p>si el líquido en cuestión es agua porque un milímetro (mL) de agua</p><p>pesa 1 g (es decir, la densidad es de 1.0 g/cm3). Este hecho se demuestra con la conversión</p><p>siguiente:</p><p>1 mg</p><p>L</p><p>0.001 g</p><p>1,000 mL</p><p>0.001 g</p><p>1,000 cm</p><p>0.001 g</p><p>1,000 g</p><p>1 g</p><p>1,000,000 g3= = = =</p><p>o 1 gramo en un millón de gramos, o 1 ppm.</p><p>Algunas concentraciones de materiales se expresan en forma más conveniente como por-</p><p>centajes, por lo común en términos de masa:</p><p>�A = MA</p><p>MA + MB</p><p>× 100</p><p>(3.2)</p><p>donde �A = porcentaje de material A</p><p>M</p><p>A</p><p>= masa de material A</p><p>M</p><p>B</p><p>= masa de material B</p><p>�A también puede expresarse, por supuesto, como una razón de volúmenes.</p><p>3.1 Dimensiones y unidades en la ingeniería 83</p><p>Solución</p><p>=</p><p>×</p><p>×</p><p>= =10,000 ppm</p><p>1 10 partes</p><p>1 10 partes</p><p>1</p><p>100</p><p>0.1 o 1%</p><p>4</p><p>6</p><p>Este ejemplo ilustra una relación útil:</p><p>10,000 mg/L = 10,000 ppm (si la densidad = 1) = 1% (por peso)</p><p>Se supone que muchas aguas residuales se diluyen, de modo que su densidad quizá sea 1,</p><p>aproximadamente.</p><p>En el control de la contaminación del aire, las concentraciones se expresan de manera</p><p>general en forma gravimétrica como masa de contaminante por volumen de aire a una tempera-</p><p>tura y a una presión estándar. Por ejemplo, la norma estadounidense de la calidad del aire en el</p><p>caso del plomo es 0.15 μg/m3 (un microgramo = 10−6 gramos). En ocasiones la calidad del aire</p><p>se expresa en ppm, y en este caso los cálculos se expresan en términos de volumen/volumen,</p><p>o 1 ppm = 1 volumen de contaminante por 1 × 106 volúmenes de aire. La conversión de masa/</p><p>volumen (μg/m3) a volumen/volumen (ppm) exige conocimientos del peso molecular del gas.</p><p>En condiciones normales (0 ºC y 1 atmósfera de presión), 1 mol de gas ocupa un volumen de</p><p>22.4 L (a partir de la ley de los gases ideales). Una mol es la cantidad de gas en gramos numé-</p><p>ricamente igual a su peso molecular. Por tanto, la conversión es</p><p>= ×</p><p>×</p><p>×−g/m</p><p>1 m de contaminante</p><p>10 m de aire</p><p>peso molecular (g/mol)</p><p>22.4 10 m /mol</p><p>10 g/g3</p><p>3</p><p>6 3 3 3</p><p>6μ μ</p><p>o simplificando:</p><p>μg/m3 = (ppm × peso molecular × 103)/22.4 a 0 ºC y 1 atm</p><p>Si el gas está a 25 ºC y a 1 atm, como es común en las normas de calidad del aire, la conversión</p><p>es</p><p>μg/m3 = (ppm × peso molecular × 103)/24.45 a 25 ºC y 1 atm (3.3)</p><p>3.1.3 Tasa de flujo</p><p>En los procesos de ingeniería, la tasa de flujo puede ser también tasa de flujo gravimétrico</p><p>(masa) o tasa de flujo volumétrico (volumen). La primera se representa en kg/s o lb</p><p>M</p><p>/s, en tanto</p><p>que la segunda se expresa como m3/s o pies3/s. Las tasas de flujo de masa y volumétrico no son</p><p>cantidades independientes porque la masa (M) de material que pasa por un punto en una línea</p><p>de flujo durante una unidad de tiempo se relaciona con el volumen (V) de ese material:</p><p>Masa = densidad × volumen</p><p>Por tanto, una tasa de flujo volumétrico (Q</p><p>V</p><p>) puede convertirse en una de flujo de masa (Q</p><p>M</p><p>)</p><p>multiplicándola por la densidad del material:</p><p>Q</p><p>M</p><p>= Q</p><p>V</p><p>ρ (3.4)</p><p>Capítulo 3 Cálculos en la ingeniería84</p><p>donde Q</p><p>M</p><p>= índice de flujo de masa</p><p>Q</p><p>V</p><p>= índice de flujo de volumen</p><p>ρ = densidad</p><p>El símbolo Q se utiliza casi de manera universal para denotar la tasa de flujo.</p><p>La relación entre el flujo de masa de un componente A, la concentración de A y el flujo</p><p>de volumen total (A más B) es</p><p>QMA = CA × QV(A+B) (3.5)</p><p>Observe que la ecuación 3.5 no es igual que la 3.4, que sólo se aplica a un material o compo-</p><p>nente en una corriente de flujo. La ecuación 3.5 se relaciona con dos materiales o componentes</p><p>diferentes en un flujo. Por ejemplo, la tasa de flujo de masa de unas pelotas de plástico que se</p><p>mueven y están suspendidas en una corriente se expresa en términos de los kilogramos que</p><p>pesan por segundo al pasar por un punto determinado, y que es igual a una concentración (kg</p><p>de pelotas/m3 de volumen total, pelotas más agua) por el flujo de la corriente (m3/s de pelotas</p><p>más agua).</p><p>EJEMPLO</p><p>3.3</p><p>EJEMPLO</p><p>3.4</p><p>Problema Una planta de tratamiento de aguas residuales descarga un flujo de 1.5 m3/s (agua</p><p>más sólidos) a una concentración de sólidos de 20 mg/L (20 mg de sólidos por litro de flujo,</p><p>sólidos más agua). ¿Cuántos sólidos descarga la planta diariamente?</p><p>Solución Use la ecuación 3.5.</p><p>Flujo de masa = concentración × flujo de volumen</p><p>QMA</p><p>= CA × QV(A + B)</p><p>= (20 mg/L × 1 × 10−6 kg/mg) × (1.5 m3/s × 103 L/m3 × 86,400 s/día)</p><p>= 2,592 kg/día ≈ 2,600 kg/día</p><p>Problema Una planta de tratamiento de aguas residuales descarga un flujo de 34.2 mgd</p><p>(millones de galones por día) a una concentración de 0.002% de sólidos (por peso). ¿Cuántas</p><p>libras de sólidos descarga por día?</p><p>Solución Use la ecuación 3.5.</p><p>Flujo de masa = concentración × flujo de volumen</p><p>QMA = CA × QV(A+B)</p><p>Suponga que ρ = 1 g/cm3, de modo que 0.002% = 20 mg/L, y además que la tasa de flujo de</p><p>volumen establecido comprende sólidos más agua. Entonces</p><p>QMA = (20 mg/L × 3.79 L/gal × 2.2 × 10−6 lb/mg) × (34.2 × 106 gal/día) = 5,700 lb/día</p><p>3.1 Dimensiones y unidades en la ingeniería 85</p><p>EJEMPLO</p><p>3.5</p><p>EJEMPLO</p><p>3.6</p><p>Problema Una planta de tratamiento de agua potable agrega flúor a una concentración de</p><p>1 mg/L. La demanda de agua diaria promedio es de 18 millones de galones. ¿Cuánto flúor debe</p><p>comprar la comunidad?</p><p>Solución Utilice la ecuación 3.6.</p><p>18 mgd × 1 mg/L × 8.34 (L/millones de galones) (lb/mg) = 150 lb/día</p><p>Problema Una laguna tiene un volumen de 1,500 m3, y el flujo en ella es de 3 m3/h. ¿Cuál es</p><p>el tiempo de retención en dicha laguna?</p><p>Solución Utilice la ecuación 3.7.</p><p>t</p><p>1,500 m</p><p>3 m /h</p><p>500 h</p><p>3</p><p>3= =</p><p>El ejemplo 3.4 ilustra otro factor de conversión conveniente:</p><p>3.79 L/gal × 2.2 × 10−6 lb</p><p>M</p><p>/mg × 106 gal/millón de galones = 8.34 [L/millón de gal][lb</p><p>M</p><p>/mg]</p><p>Este factor, 8.34, es muy útil en las conversiones en las que la tasa de flujo se encuentra en</p><p>mgd, la concentración en mg/L y la descarga en lb/día:</p><p>Tasa de flujo de</p><p>masa en lb/día</p><p>=</p><p>tasa de flujo de</p><p>volumen en mgd</p><p>×</p><p>concentración</p><p>en mg/L</p><p>× 8.34 (3.6)</p><p>3.1.4 Tiempo de retención</p><p>Uno de los conceptos más importantes en los procesos de tratamiento es el tiempo de reten-</p><p>ción, también denominado tiempo de detención, o tiempo de residencia. El tiempo de retención</p><p>es el lapso que una partícula promedio del líquido pasa en el recipiente por el que fluye el</p><p>líquido (que es el tiempo en que está expuesto al tratamiento o a una reacción). Una definición</p><p>alterna es el periodo que toma al recipiente llenarse.</p><p>Desde el punto de vista matemático, si el volumen de un recipiente, como un gran tanque</p><p>de almacenamiento, es V (L3) y la tasa de flujo en el tanque es Q (L3/t), entonces el tiempo de</p><p>residencia es</p><p>t = V</p><p>Q</p><p>(3.7)</p><p>El tiempo de retención promedio puede aumentarse al reducir la tasa de flujo Q o incrementar</p><p>el volumen V, y disminuirse si se hace lo contrario.</p><p>Capítulo 3 Cálculos en la ingeniería86</p><p>3.2 APROXIMACIONES EN LOS CÁLCULOS DE LA INGENIERÍA</p><p>A los ingenieros a menudo se les consulta para que proporcionen información no en forma exac-</p><p>ta, sino de manera aproximada. Por ejemplo, un cliente, digamos un administrador municipal,</p><p>quizá pregunte a una ingeniera cuánto costaría construir una nueva planta de tratamiento de aguas</p><p>residuales para la comunidad. El administrador público no solicita la cifra exacta, sino una esti-</p><p>mación. Obviamente, la ingeniera no podrá realizar en cuestión de minutos un cálculo puntuali-</p><p>zado de los costos. Reconocería la naturaleza sumamente variable de los costos de los terrenos,</p><p>de construcción, la eficiencia necesaria en el tratamiento, entre otros aspectos. Sin embargo, el</p><p>administrador público quiere una aproximación preliminar (una cifra) y ¡la quiere rápido!</p><p>Ante estos problemas, la ingeniera tiene que recurrir a cualquier información que haya</p><p>disponible. Por ejemplo, quizá sepa que la población de la comunidad a la que se dará servicio</p><p>es de unos 100,000 habitantes. Luego de estimar con base en la experiencia que el flujo de aguas</p><p>residuales doméstico podría ser de 100 galones por persona al día, exigiría</p><p>una planta con una</p><p>capacidad de aproximadamente 10 mgd. Dándose cierto margen para ampliar la cifra por razón</p><p>de efluentes industriales, entrada de agua de lluvia e infiltración de agua subterránea en las alcan-</p><p>tarillas, la ingeniera calcularía que tal vez una capacidad de 15 mgd sea adecuada.</p><p>Después evaluaría el posible tratamiento necesario. Al saber que las vías fluviales dispo-</p><p>nibles para descargar el efluente son pequeños arroyos que posiblemente se sequen durante los</p><p>periodos de calor, se requiere un grado elevado de tratamiento. Ella calcula que se necesitará</p><p>la eliminación de nutrientes. Está consciente de que la construcción de estas plantas de trata-</p><p>miento cuesta alrededor de 3 millones de dólares por cada millón de galones de flujo entrante,</p><p>y calcula que la planta costaría unos 45 millones de dólares. Dando cierto margen, respondería</p><p>diciendo que se necesitan “alrededor de 50 millones de dólares”.</p><p>Este es exactamente el tipo de información que el administrador público busca. No ne-</p><p>cesita nada más preciso porque tal vez trate de decidir si solicita una emisión de bonos de</p><p>alrededor de 100 o 200 millones de dólares. Habrá tiempo suficiente para efectuar cálculos</p><p>exactos más adelante.</p><p>3.2.1 Procedimiento para los cálculos con aproximaciones</p><p>Los problemas que no exigen soluciones exactas se resuelven</p><p>1. al definir el consumo, en relación con lo planteado por el problema</p><p>2. presentar premisas simplificadas</p><p>3. establecer alternativas de solución</p><p>4. verificar las alternativas de solución, tanto en forma sistemática como realista</p><p>Definición del problema</p><p>A la ingeniera del caso anterior se le pide una estimación, no una cifra exacta. Ella reconoce</p><p>que el uso de esta cifra se destinaría a fines de planeación preliminar y, por tanto, las aproxi-</p><p>maciones válidas son adecuadas. También reconoce que el administrador público quiere una</p><p>respuesta que represente una cifra en dinero, por tanto, que se establezcan unidades.</p><p>Simplificación</p><p>Esta quizá es la etapa más emocionante y difícil de todo el proceso, porque la intuición y el</p><p>juicio desempeñan una función importante. Por ejemplo, la ingeniera tiene que estimar prime-</p><p>ro la población a la que se dará servicio y luego considerar el flujo promedio. ¿Qué ignora?</p><p>Obviamente mucho, como los flujos pasajeros diarios, la variabilidad en los estándares de vida</p><p>y las variaciones estacionales. Una estimación concienzuda de los posibles flujos de aguas</p><p>3.2 Aproximaciones en los cálculos de la ingeniería 87</p><p>residuales exige un estudio más profundo. Tiene que simplificar su problema y optar por con-</p><p>siderar sólo una estimación de la población y una descarga per cápita promedio.</p><p>Cálculo</p><p>En el caso de este problema, los cálculos son sencillos.</p><p>Verificación</p><p>Lo más importante es el proceso de verificación. Hay dos tipos, a saber: sistemática y realista.</p><p>En la verificación sistemática primero se revisan las unidades para ver si tienen sentido. Por</p><p>ejemplo,</p><p>× =Personas</p><p>galones</p><p>personas</p><p>galones</p><p>tiene sentido, en tanto que</p><p>personas</p><p>galones/persona</p><p>personas</p><p>galones</p><p>2</p><p>=</p><p>carece de sentido. Si se verifican las unidades, las cifras pueden recalcularse para comprobar</p><p>que no haya errores. Es sensato que uno siempre escriba sus unidades al realizar los cálculos y</p><p>hacer esta revisión conforme se avanza.</p><p>Al final se necesita una verificación de la realidad. Quizá ningún ingeniero en el ejercicio</p><p>de su profesión reconozca en forma explícita que a diario realiza verificaciones de la realidad,</p><p>pero éstas son medulares para la buena ingeniería. Considere, por ejemplo, que la ingeniera del</p><p>caso anterior cometió un error y pensó (de manera equivocada) que una planta de tratamiento</p><p>de aguas residuales como la que necesita la comunidad cuesta 3,000 dólares por cada millón de</p><p>galones de flujo entrante. Sus cálculos pasarían la prueba de la verificación, pero su respuesta</p><p>habría sido 50,000 dólares en lugar de 50 millones de dólares. Una respuesta así se conside-</p><p>raría absurda de inmediato y se procedería a buscar el error. Las verificaciones de la realidad,</p><p>cuando se ejecutan de forma rutinaria, ahorran considerables dolores y vergüenzas.</p><p>3.2.2 Uso de cifras significativas</p><p>Por último, advierta que las cifras significativas en la respuesta reflejan la precisión de los da-</p><p>tos y las premisas. Considere lo desafortunado que sería decir que la planta de tratamiento cos-</p><p>taría alrededor de 5,028,467.19 dólares. Muchos problemas exigen respuestas sólo a una cifra</p><p>significativa o incluso a un orden de magnitud. Las cifras que no son significativas tienden a</p><p>acumularse en el curso de los cálculos como el lodo en una bota y, al final, deben limpiarse.3</p><p>Suponga que a usted se le pide calcular los pies lineales de los postes de una cerca nece-</p><p>sarios para un pastizal, y se le dice que habrá 87 postes con una altura promedio de 46.3 pulga-</p><p>das. Usted multiplica y obtiene 335.675 pies. Ahora es el momento de eliminar el lodo porque</p><p>la más precisa de sus cantidades tiene sólo tres cifras significativas, pero en su respuesta hay</p><p>seis cifras relevantes. De modo que usted informa 336 pies. O bien, es más probable que diga</p><p>340 pies, reconociendo que es mejor errar del lado de un margen ligeramente favorable que</p><p>quedarse sin los postes necesarios para la cerca.</p><p>Las cifras significativas son las que transmiten información basada en el valor de los</p><p>dígitos. Los ceros que aparecen simplemente no son representativos porque pueden eliminarse</p><p>sin perder información. Por ejemplo, en la cifra 0.0036, los dos ceros sólo ocupan espacio y</p><p>pueden eliminarse escribiendo 0.0036 = 3.6 × 10−3.</p><p>Los ceros al final de un número constituyen un problema. Suponga que un periódico</p><p>informa que 46,200 aficionados asistieron a un juego de fútbol. Los dos últimos dígitos (ceros)</p><p>Capítulo 3 Cálculos en la ingeniería88</p><p>son significativos si se contó a cada persona y en efecto hubo exactamente 46,200 aficionados</p><p>en el estadio. Sin embargo, si se estimara la cantidad de personas como 46,200 aficionados,</p><p>entonces los últimos dos ceros sólo ocupan espacio y no son significativos. Para evitar las</p><p>confusiones al informar sobre cantidades, conviene decir “cerca de” o “aproximadamente” si</p><p>eso es lo que se quiere expresar. Al emplear cantidades con cifras significativas desconocidas,</p><p>equivocarse por el lado de la precaución (menos cifras significativas) es mejor.</p><p>EJEMPLO</p><p>3.7 Problema Una comunidad de alrededor de 100,000 habitantes tiene un tiradero abandonado</p><p>de cerca de 5 acres que puede llenarse a una profundidad de aproximadamente 30 pies con des-</p><p>perdicios compactados de entre 600 y 800 lb</p><p>M</p><p>/yd3. ¿Cuál es la vida útil restante del tiradero?</p><p>Solución Con ayuda del procedimiento que acabamos de resumir, el primer paso es definir</p><p>el problema. Sin duda la respuesta no exige un grado elevado de precisión porque los datos no</p><p>son exactos. Además, la definición del problema requiere una respuesta en unidades de tiempo.</p><p>El segundo paso consiste en simplificar el problema. No hay necesidad de considerar los</p><p>residuos comerciales o industriales, sino sólo determinar la cantidad de los generados por los</p><p>hogares de manera individual.</p><p>El tercer paso es calcular una respuesta. Se dispone de todos los datos necesarios, excep-</p><p>to la producción per cápita de residuos. Suponga que una familia de 4 integrantes llena 3 botes</p><p>de basura a la semana. Si cada bote es de aproximadamente 8 pies3 y suponemos que la basura</p><p>no compactada equivale aproximadamente a una cuarta parte de la densidad compactada, di-</p><p>gamos en 200 lb</p><p>M</p><p>/yd3, es razonable calcular la producción per cápita como</p><p>× × × × =8</p><p>pies</p><p>bote</p><p>1 yd</p><p>27 pies</p><p>3 botes</p><p>4 personas</p><p>200</p><p>lb</p><p>yd</p><p>1 semana</p><p>7 días</p><p>6.3</p><p>lb</p><p>persona/día</p><p>3 3</p><p>3</p><p>M</p><p>3</p><p>Si hay aproximadamente 100,000 habitantes, la ciudad produce</p><p>× × =6.3</p><p>lb</p><p>persona/día</p><p>100,000 personas</p><p>1 yd</p><p>700 lb</p><p>900</p><p>yd</p><p>día</p><p>3</p><p>M</p><p>3</p><p>El volumen disponible total es</p><p>× × × =5 acres 43,560</p><p>pies</p><p>acre</p><p>30 pies</p><p>1 yd</p><p>27 pies</p><p>242,000 yd</p><p>2 3</p><p>3</p><p>3</p><p>Por tanto, la vida útil esperada es</p><p>= ≈</p><p>242,000 yd</p><p>900 yd /día</p><p>268 días 270 días</p><p>3</p><p>3</p><p>Recuerde el cuarto paso. ¿Es razonable? No, es demasiado. Es posible que en los cálculos se</p><p>haya sobrestimado la producción de residuos pues la generación per cápita nacional promedio</p><p>es más cercana a 5 lb/cápita/día, de modo que, en la actualidad, al tiradero tal vez le quede un</p><p>año de vida útil. Pero si se consideran las dificultades extremas de ubicar tiraderos adicionales,</p><p>a todas luces la ciudad está ya en una situación de crisis.</p><p>3.3 Análisis de la información 89</p><p>En el ejercicio profesional de la ingeniería es necesario que lleve consigo a todos lados</p><p>una “maleta mental” llena de números y aproximaciones. Por ejemplo, la mayoría de las perso-</p><p>na quizá sepa que un metro es algunas pulgadas más largo que una yarda. Tal vez no sepamos</p><p>exactamente cuán largo, pero podríamos hacer una conjetura bastante exacta. De igual modo,</p><p>sabemos cómo se ven 100 yd (de una línea de anotación a otra en el fútbol). De modo similar,</p><p>en la práctica un ingeniero ambiental sabe de modo instintivo cómo se ve un flujo de 10 mgd</p><p>porque ha trabajado en plantas que reciben esa magnitud de flujo. Estos conocimientos se con-</p><p>vierten en una segunda naturaleza, y a menudo son la razón por la que los ingenieros evitan los</p><p>errores tontos y vergonzosos. La posesión de un sentido unitario (o de unidades) forma parte</p><p>integral de la ingeniería y es el motivo por el que un cambio de unidades de mgd a m3/s en el</p><p>caso de los ingenieros estadounidenses resulta tan difícil. Sería extraño que alguno de ellos</p><p>supiera cómo es un flujo de 10 m3/s (sin hacer de manera mental algunas rápidas conversiones</p><p>aproximadas).</p><p>3.3 ANÁLISIS DE LA INFORMACIÓN</p><p>Los ingenieros no sólo pocas veces sabemos algo con exactitud, ¡rara vez sabemos algo con</p><p>certeza! Aunque tal vez nunca antes hubiera una inundación en agosto, tan pronto como un</p><p>proyecto de construcción de un millón de dólares depende del clima seco, es muy probable que</p><p>llueva durante 40 días y 40 noches. La ley de Murphy (“Si algo puede salir mal, saldrá mal”) y</p><p>su corolario (“en el peor momento posible”) es tan importante en la ingeniería como las leyes</p><p>del movimiento de Newton. Los ingenieros nos arriesgamos: asignamos probabilidades a los</p><p>sucesos de interés y nos decidimos por acciones prudentes. Sabemos que podría ocurrir una</p><p>inundación en agosto, pero si no ha sucedido en los últimos 100 años, es casi seguro que no</p><p>ocurrirá el año próximo. Pero, ¿qué pasa si el ingeniero sólo cuenta con los datos de 5 años?</p><p>¿Cuánto riesgo asume? ¿Cuán seguro puede estar de que no habrá una inundación el año</p><p>entrante?</p><p>El concepto que se ilustró en el ejemplo 3.7 se denomina probabilidad, y los cálculos</p><p>de probabilidades son medulares en muchas decisiones que se toman en la ingeniería. Rela-</p><p>cionado con la probabilidad está el análisis de datos incompletos por medio de la estadística.</p><p>Una partida de datos (digamos, el flujo de una corriente durante un día) es valiosa en sí, pero</p><p>cuando se combina con otros cientos de datos puntuales sobre los flujos diarios de la corrien-</p><p>te, la información se vuelve aún más útil, pero sólo si de algún modo puede manipularse y</p><p>reducirse. Por ejemplo, si se decide incautar agua de un arroyo para un suministro de agua, se</p><p>promediarían las tasas de flujo diarias individuales (estadística) y esto generaría una cifra útil</p><p>para decidir de cuánta agua se dispondría.</p><p>En esta sección se presentan en primer lugar las ideas medulares de la probabilidad y la</p><p>estadística, y luego se describen algunas herramientas útiles de las que los ingenieros disponen</p><p>para el análisis de la información. Ni la probabilidad ni la estadística se desarrollan aquí a par-</p><p>tir de sus principios básicos y, por tanto, es recomendable asistir a un curso apropiado de am-</p><p>bos temas. En esta introducción se presenta el material suficiente para permitir la solución de</p><p>problemas sencillos de ingeniería ambiental que comprenden las distribuciones de frecuencia.</p><p>Buena parte del análisis estadístico en la ingeniería se basa en la curva en forma de</p><p>campana que se aprecia en la figura 3.2. La premisa es que un conjunto de datos (como la pre-</p><p>cipitación pluvial anual) puede describirse con una curva de campana, y que la ubicación de</p><p>la misma puede definirse con una media, o promedio, y algún indicador de cuán ampliamente</p><p>están distribuidos los datos, o la dispersión de la curva. Hay una forma ideal de la función que</p><p>Capítulo 3 Cálculos en la ingeniería90</p><p>describe la curva de campana y que se denomina distribución gaussiana, o distribución nor-</p><p>mal, la cual se expresa como</p><p>Pσ(x) = 1</p><p>σ</p><p>√</p><p>2π</p><p>exp</p><p>[</p><p>−1</p><p>2</p><p>(</p><p>x − μ</p><p>σ</p><p>)]2</p><p>donde μ = media, estimada como x</p><p>x = media de la muestra observada =</p><p>�x</p><p>n</p><p>σ = desviación estándar, estimada como s</p><p>s = desviación estándar observada =</p><p>[</p><p>�x2</p><p>i</p><p>n − 1</p><p>− (�xi )</p><p>2</p><p>n(n − 1)</p><p>]1/2</p><p>n = tamaño de la muestra</p><p>La desviación estándar es un indicador de la extensión de la curva, definida como el valor de x</p><p>que abarca 68.3% de todos los valores de x centrados en la media, μ. Una desviación estándar</p><p>pequeña indica que todos los datos están agrupados de manera estrecha, de modo que hay poca</p><p>variabilidad en ellos. En contraste, una desviación estándar grande indica que los datos están</p><p>dispersos.</p><p>Hay una estadística muy útil en las labores de la ingeniería que se denomina coeficiente</p><p>de variación y se define como</p><p>Cv = σ</p><p>μ</p><p>y en la práctica se estima como</p><p>Cv = s</p><p>x</p><p>donde s = desviación estándar observada</p><p>x = estimación de la media</p><p>Los ingenieros a menudo trazan los datos que describe una curva en forma de campana como</p><p>una función acumulativa, en donde se infiere que la ordenada (eje vertical) es la fracción acu-</p><p>mulativa de las observaciones. Estas curvas por lo general se emplean en hidrología, ingeniería</p><p>de suelos y recuperación de recursos. En el ejemplo 3.8 se presenta la elaboración de una curva</p><p>acumulativa.</p><p>� �</p><p>�</p><p>x</p><p>Figura 3.2 Curva en forma de campana que indica una distribución normal.</p><p>3.3 Análisis de la información 91</p><p>EJEMPLO</p><p>3.8 Problema Se recuperaron 100 kilogramos de vidrio del basurero municipal y se procesaron</p><p>en una planta de recuperación de recursos. El vidrio se trituró y pasa por una serie de cribas,</p><p>como se aprecia en la tabla siguiente. Trace la distribución acumulativa de los tamaños de las</p><p>partículas.</p><p>Tamaño de la criba Peso del vidrio</p><p>(mm) captado (kg)</p><p>4 10</p><p>3 25</p><p>2 35</p><p>1 20</p><p>Bandeja (sin orificios) 10</p><p>Solución Estos datos pueden trazarse como se muestra en la figura 3.3, en la que también se</p><p>indica una aproximación general a una distribución normal. Luego los datos pueden tabularse</p><p>como una función acumulativa.</p><p>Fracción de vidrio Fracción de vidrio</p><p>Tamaño de la criba mantenido en más pequeña que el</p><p>(mm) las cribas tamaño de esta criba</p><p>Estos datos se trazan en la figura 3.4. Advierta que el último punto no puede trazarse porque el</p><p>tamaño de la criba es de menos de 1.0 mm, y que la fracción total tiene que sumarse a 1.00. El</p><p>resultado es una curva en forma de S clásica.</p><p>4</p><p>3</p><p>2</p><p>1</p><p>de que la variable independiente se traza como el eje x y la dependiente como</p><p>el eje y.</p><p>Con frecuencia es mucho más sencillo trabajar con los datos si la curva en forma de S</p><p>clásica que se aprecia en la figura 3.4 puede trazarse en línea recta. Esto a menudo ocurre</p><p>en un papel de probabilidad aritmética, inventado originalmente por Alan Hazen, destacado</p><p>ingeniero sanitario. En la figura 3.5 se aprecian los mismos datos trazados en un papel de pro-</p><p>babilidad. Observe que la ordenada en el papel de probabilidad no tiene 0% o 100%, así como</p><p>la curva de distribución normal no tiene cero o 1.0.</p><p>Una línea recta en un papel de probabilidad supone que los datos están distribuidos nor-</p><p>malmente y que las estadísticas como la media y la desviación estándar pueden leerse trazo por</p><p>trazo. La media está en 0.5, o 50%, en tanto que la desviación estándar está en 0.335 a cada</p><p>lado de la media.</p><p>La desviación estándar también puede aproximarse como</p><p>s ≈ 2</p><p>5</p><p>(x90 − x10)</p><p>(3.8)</p><p>donde x</p><p>90</p><p>y x</p><p>10</p><p>son los valores de la abscisa en P</p><p>90</p><p>y P</p><p>10</p><p>, respectivamente.</p><p>Un trazo así también hace que sea conveniente estimar el valor de cualquier otro interva-</p><p>lo. Por ejemplo, si es necesario estimar los valores de x de modo que 95% de los valores que-</p><p>den dentro de estos límites (el “intervalo de confianza de 95%”), es posible leer los valores en</p><p>2.5% y 97.5%. Encerrado entre estos límites debería estar 95% de los datos.</p><p>1.0</p><p>0.8</p><p>0.6</p><p>0.4</p><p>0.2</p><p>0</p><p>0 1 2 3 4 5 6</p><p>Tamaño de la partícula (mm)</p><p>Fr</p><p>ac</p><p>ci</p><p>ón</p><p>d</p><p>e</p><p>pa</p><p>rt</p><p>íc</p><p>ul</p><p>as</p><p>d</p><p>e</p><p>vi</p><p>dr</p><p>io</p><p>m</p><p>ás</p><p>pe</p><p>qu</p><p>eñ</p><p>as</p><p>q</p><p>ue</p><p>e</p><p>l t</p><p>am</p><p>añ</p><p>o</p><p>in</p><p>di</p><p>ca</p><p>do</p><p>Figura 3.4 Distribución acumulativa del tamaño de las partículas de vidrio. Véase el</p><p>ejemplo 3.8.</p><p>EJEMPLO</p><p>3.9 Problema En razón del trazo en la figura 3.5, ¿cuál es a) la media; b) la desviación estándar,</p><p>y c) el intervalo de 95%?</p><p>Solución</p><p>a) La media se lee en 0.5 (que, recuerde, es la fracción acumulativa de partículas de vidrio</p><p>más pequeñas que el tamaño indicado). Es 2.5 mm.</p><p>b) La desviación estándar es la dispersión, de modo que 67% de las observaciones queda</p><p>dentro del rango centrado en la media (o 33.5% a cada lado de la media). A partir de la</p><p>3.3 Análisis de la información 93</p><p>figura 3.5, la desviación estándar estimada se calcula como la diferencia entre la media</p><p>y el punto 0.50 + 0.335 = 0.84, que corresponde a 3.7 mm. Por tanto, s = 3.7 – 2.5 =</p><p>1.2 mm. Otra posibilidad es usar la ecuación 3.8:</p><p>s ≈ 2</p><p>5</p><p>(4.05− 1.05)= 1.2</p><p>0.0001</p><p>0.0005</p><p>0.001</p><p>0.002</p><p>0.05</p><p>0.01</p><p>0.02</p><p>0.05</p><p>0.1</p><p>0.2</p><p>0.3</p><p>0.4</p><p>0.5</p><p>0.6</p><p>0.7</p><p>0.8</p><p>0.9</p><p>0.95</p><p>0.98</p><p>0.99</p><p>0.998</p><p>0.999</p><p>0.9999</p><p>0 1 2 3 4 5 6 7 8</p><p>Tamaño de la partícula (mm)</p><p>Fr</p><p>ac</p><p>ci</p><p>ón</p><p>a</p><p>cu</p><p>m</p><p>ul</p><p>at</p><p>iv</p><p>a</p><p>de</p><p>p</p><p>ar</p><p>tí</p><p>cu</p><p>la</p><p>s</p><p>de</p><p>v</p><p>id</p><p>ri</p><p>o</p><p>m</p><p>ás</p><p>p</p><p>eq</p><p>ue</p><p>ña</p><p>s</p><p>qu</p><p>e</p><p>el</p><p>t</p><p>am</p><p>añ</p><p>o</p><p>in</p><p>di</p><p>ca</p><p>do</p><p>Figura 3.5 Distribución del tamaño de las partículas de vidrio en una gráfica de</p><p>probabilidad aritmética. Véase el ejemplo 3.9.</p><p>Capítulo 3 Cálculos en la ingeniería94</p><p>donde 4.05 es el tamaño de la criba por la que pasa 90% del vidrio, y 1.05 es el tamaño</p><p>por el que pasa 10% del mismo.</p><p>Al informar una media conviene incluir la desviación estándar, por ejemplo, 2.5 ±</p><p>1.2 mm.</p><p>c) El intervalo de 95% significa que cabe esperar que 95% de los datos estén en este rango.</p><p>Los puntos correspondientes a 0.025 y 0.975 en la gráfica tienen 2.0 mm y 4.9 mm, res-</p><p>pectivamente. Por tanto, el intervalo de 95% es de 0.2 mm a 4.9 mm.</p><p>Los datos que aparecen en el ejemplo 3.9 pueden normalizarse dividiendo cada dato pun-</p><p>tual de la variable dependiente entre una constante (el peso total del vidrio cribado). Por tanto,</p><p>cada dato puntual pasa de ser un número con dimensiones (kg) a convertirse en una facción con</p><p>dimensiones (kg/kg). Este mismo truco se realiza en ocasiones sobre la variable independiente</p><p>cuando se necesitan frecuencias de tiempo.</p><p>A menudo también es necesario calcular las probabilidades de ocurrencia de ciertos su-</p><p>cesos. Los hidrólogos expresan esto en términos del periodo de retorno, o cuán a menudo</p><p>se espera que el suceso se repita. Si la probabilidad anual de que un suceso ocurra es de 5%,</p><p>entonces cabe esperar que se repita una vez cada 20 años, o que tenga un periodo de retorno</p><p>por el mismo lapso. En forma de ecuación quedaría:</p><p>=Periodo de retorno</p><p>1</p><p>probabilidad fraccional</p><p>Cuando se analizan datos de tiempo variantes por medio de una distribución de frecuencias,</p><p>los datos primero tienen que clasificarse (del más pequeño al más grande, o del más grande al</p><p>más pequeño). Luego se calculan las probabilidades, se trazan los datos y se usa el trazo para</p><p>determinar las estadísticas deseadas.</p><p>EJEMPLO</p><p>3.10 Problema Diariamente se mide la calidad del efluente (descarga) de una planta de tratamien-</p><p>to de aguas residuales municipal en términos de su demanda bioquímica de oxígeno (DBO).</p><p>Debido a las variaciones en el flujo entrante (el que ingresa en la planta) lo mismo que la diná-</p><p>mica de la planta de tratamiento, cabe esperar que la calidad del efluente varíe. ¿Esta variación</p><p>corresponde a la distribución normal y, de ser así, puede utilizarse para calcular la media y la</p><p>desviación estándar? ¿Cuál es la peor calidad del efluente que cabe esperar una vez al mes (30</p><p>días)? A continuación se presentan los datos.</p><p>Día de la muestra DBO del efluente Día de la muestra DBO del efluente</p><p>(mg/L) (mg/L)</p><p>1 56 10 35</p><p>2 63 11 65</p><p>3 57 12 35</p><p>4 33 13 31</p><p>5 21 14 21</p><p>6 17 15 21</p><p>7 25 16 28</p><p>8 49 17 41</p><p>9 21 18 36</p><p>3.3 Análisis de la información 95</p><p>Solución El primer paso consiste en clasificar los datos. La cantidad total de datos puntuales</p><p>es n = 18. Las clasificaciones (m) son desde la DBO más baja (17 mg/L) hasta la más elevada</p><p>(65 mg/L).</p><p>DBO del efluente</p><p>Rango (m) (mg/L) m/n</p><p>1 17 0.056</p><p>2 21 0.111</p><p>3 21 0.167</p><p>4 21 0.222</p><p>5 21 0.278</p><p>6 25 0.333</p><p>7 28 0.389</p><p>8 31 0.444</p><p>9 33 0.500</p><p>10 35 0.556</p><p>11 35 0.611</p><p>12 36 0.667</p><p>13 41 0.722</p><p>14 49 0.778</p><p>15 56 0.833</p><p>16 57 0.889</p><p>17 63 0.944</p><p>18 65 1.00</p><p>La última columna puede percibirse como la fracción de tiempo que se espera que la DBO sea</p><p>menor a este valor. Esto quiere decir que 0.056, o 5.6%, de las veces la DBO debería ser igual</p><p>o menor a 17 mg/L.</p><p>Un trazo de la segunda y tercera columnas dan una línea recta razonable en una gráfica de</p><p>probabilidades, como se aprecia en la figura 3.6. La media estimada se lee trazo por trazo como</p><p>(m/n) = 0.5, y es una DBO de 35 mg/L; la desviación estándar es de 17 mg/L. La peor calidad</p><p>del efluente esperada cada mes se halla en la fracción de tiempo de 29/30 = 0.967 (es decir,</p><p>durante 29 días de cada 30, la DBO es menor). Introduzca el trazo en la fracción de tiempo =</p><p>0.967, y la lectura es DBO = 66 mg/L.4</p><p>Advierta que no es posible trazar el último dato puntual (rango 18) porque todas las lec-</p><p>turas son menores a este valor. Este problema se evita dividiendo todos los rangos (m) entre n +</p><p>1 en lugar de n. A medida que aumenta la cantidad de datos puntuales (n se hace más grande),</p><p>esto es un problema cada vez menor.</p><p>Otro método para manejar los datos, sobre todo si hay grandes cantidades, consiste en</p><p>agruparlos. En este caso la media del grupo se convierte en la variable trazada y la probabilidad</p><p>se calcula como</p><p>P = �r</p><p>n</p><p>Capítulo 3 Cálculos en la ingeniería96</p><p>0.0001</p><p>0.0005</p><p>0.001</p><p>0.002</p><p>0.005</p><p>0.01</p><p>0.02</p><p>0.05</p><p>0.1</p><p>0.2</p><p>0.3</p><p>0.4</p><p>0.5</p><p>0.6</p><p>0.7</p><p>0.8</p><p>0.9</p><p>0.95</p><p>0.98</p><p>0.99</p><p>0.998</p><p>0.999</p><p>0.9999</p><p>0 10 20 30 40 50 60 70 80</p><p>DBO del efluente (mg/L)</p><p>Fr</p><p>ac</p><p>ci</p><p>ón</p><p>d</p><p>e</p><p>ti</p><p>em</p><p>po</p><p>e</p><p>n</p><p>qu</p><p>e</p><p>la</p><p>D</p><p>B</p><p>O</p><p>e</p><p>s</p><p>m</p><p>en</p><p>or</p><p>q</p><p>ue</p><p>la</p><p>c</p><p>if</p><p>ra</p><p>in</p><p>di</p><p>ca</p><p>da</p><p>.</p><p>Figura 3.6 DBO del efluente de una planta de tratamiento de aguas residuales. Véase el</p><p>ejemplo 3.10.</p><p>donde r = suma de la cantidad de datos igual o mayor al valor indicado</p><p>n = datos puntuales totales</p><p>La probabilidad de que ocurra un suceso se lee una vez más a partir de la gráfica.</p><p>3.3 Análisis de la información 97</p><p>EJEMPLO</p><p>3.11 Problema Con los datos del</p><p>para la Sustainability</p><p>Network for Chemical Intensive Products de Wal-Mart. Publica sobre la métrica de la química</p><p>verde, alternativas de evaluación y procesos de múltiples interesados. Es cofundadora de la</p><p>Zero Waste Alliance con sede en Oregon y fue miembro de número de la American Association</p><p>for the Advancement of Science en el Green Chemistry Program de la Industrial Chemicals</p><p>Branch de la USEPA en Washington, D.C. Antes de eso, impartió la materia de laboratorio de</p><p>química orgánica en el Bowdoin College en Brunswick, Maine, donde ayudó a desarrollar el</p><p>programa Microscale Organic Lab. En la actualidad vive en Bellingham, Washington.</p><p>P R I M E R A P A R T E</p><p>INGENIERÍA AMBIENTAL</p><p>©</p><p>K</p><p>e</p><p>it</p><p>h</p><p>y</p><p>S</p><p>u</p><p>sa</p><p>n</p><p>M</p><p>o</p><p>rg</p><p>an</p><p>Faro de Cabo de Couedic, Australia</p><p>Los ingenieros ambientales no sólo advierten del peligro sino que también definen las bases para un nivel de</p><p>vida sostenible que proteja la salud humana y el medio ambiente.</p><p>C A P Í T U L O 1</p><p>©</p><p>W</p><p>e</p><p>n</p><p>d</p><p>y</p><p>N</p><p>e</p><p>ro</p><p>/</p><p>S</p><p>h</p><p>u</p><p>tt</p><p>e</p><p>rs</p><p>to</p><p>ck</p><p>©</p><p>C</p><p>h</p><p>ri</p><p>st</p><p>o</p><p>p</p><p>h</p><p>e</p><p>r W</p><p>o</p><p>o</p><p>d</p><p>/</p><p>S</p><p>h</p><p>u</p><p>tt</p><p>e</p><p>rs</p><p>to</p><p>ck</p><p>Águila calva</p><p>Osos polares</p><p>Identificación y resolución</p><p>de problemas ambientales</p><p>Los ingenieros ambientales deben ser conscientes de las lecciones del pasado (cómo sucedieron los</p><p>problemas y cómo trabajaron en conjunto científicos, ingenieros, organismos normalizadores y otros,</p><p>para resolverlos). Luego, es necesario aplicar debidamente esas lecciones para solucionar los problemas</p><p>actuales y evitar que se cometan errores similares en el futuro.</p><p>3</p><p>Capítulo 1 Identificación y resolución de problemas ambientales4</p><p>1.1 ¿QUÉ ES LA INGENIERÍA AMBIENTAL?</p><p>La ingeniería del ambiente tiene una larga historia, aunque el término “ingeniería ambiental”</p><p>es relativamente reciente. Conviene que revisemos de manera breve esa historia y considere-</p><p>mos lo que el futuro nos depara antes de ahondar en ejemplos concretos y en la esencia de los</p><p>conceptos y los cálculos.</p><p>1.1.1 Orígenes de la ingeniería ambiental</p><p>Los orígenes de la ingeniería ambiental se remontan hasta los albores de la civilización. Pro-</p><p>porcionar agua limpia y manejar los desechos fueron acciones que se volvieron vitales siempre</p><p>que las personas se congregaban en asentamientos organizados. En el caso de las ciudades de la</p><p>Antigüedad, la disponibilidad de una fuente de agua confiable a menudo significaba la diferencia</p><p>entre la supervivencia y la destrucción, y el suministro de agua se convirtió en una necesidad de-</p><p>fensiva. Los constructores de pozos sanitarios y acueductos eran los mismos individuos a quienes</p><p>se llamaba para que erigieran los muros y fosos de las ciudades, lo mismo que las catapultas y</p><p>otros instrumentos bélicos. Estos hombres se convirtieron en los ingenieros de la Antigüedad.</p><p>No fue sino hasta mediados del siglo xviii que los ingenieros que construían los servicios para la</p><p>población civil se distinguieron de los que se dedicaban principalmente a los asuntos de la guerra,</p><p>y así nació el término “ingeniería civil”. En los años de formación de Estados Unidos, los inge-</p><p>nieros eran en su mayoría autodidactas o se preparaban en la recién formada Academia Militar.</p><p>En su momento se convocó a los ingenieros civiles (constructores de caminos, puentes y vías</p><p>férreas) con el objetivo de que diseñaran y construyeran sistemas de suministro de agua para las</p><p>ciudades y sistemas adecuados para el manejo de los residuos fluviales y el agua de las tormentas.</p><p>La llegada de la industrialización trajo consigo problemas de saneamiento básico increí-</p><p>bles en las ciudades debido a la falta de agua y de un manejo apropiado de los residuos. Sin</p><p>embargo, no hubo protestas públicas sino hasta que se hizo evidente que el agua transmitía</p><p>enfermedades. A partir de entonces, los ingenieros civiles tenían que proporcionar algo más</p><p>que un suministro de agua adecuado: debían asegurarse de que el líquido no fuese portador de</p><p>enfermedades. La salud pública se convirtió en una preocupación integral para los ingenieros</p><p>civiles responsables de ofrecer suministros de agua a los centros poblacionales, y la elimina-</p><p>ción de enfermedades transmitidas a través de ella se convirtió en la meta principal a finales</p><p>del siglo xix. Los encargados del drenaje de las ciudades y el suministro de agua limpia se</p><p>convirtieron en ingenieros de salud pública (en Gran Bretaña) y en ingenieros sanitarios (en</p><p>Estados Unidos).</p><p>1.1.2 La ingeniería ambiental en la actualidad</p><p>Los ingenieros sanitarios han logrado reducciones notables en la transmisión de enfermeda-</p><p>des agudas por aire o agua alterados ambientalmente o contaminados. En Estados Unidos se</p><p>eliminaron, para efectos prácticos, los efectos agudos de la contaminación. Sin embargo, estas</p><p>preocupaciones han sido sustituidas por problemas más complejos y crónicos, como el cambio</p><p>climático; la reducción de los acuíferos; la contaminación del aire interior; el transporte global</p><p>de sustancias químicas persistentes, bioacumulativas y tóxicas; los impactos sinérgicos de las</p><p>mezclas de sustancias químicas complejas hechas por el hombre a partir de los productos ca-</p><p>seros y farmacéuticos en los afluentes de aguas residuales, los ríos y los arroyos; las sustancias</p><p>químicas que alteran el sistema endocrino; y una falta de información sobre el efecto que los</p><p>nuevos materiales que surgen con rapidez (como las nanopartículas) causan en la salud huma-</p><p>na y ambiental, así como en la seguridad. Los desafíos para los medios ambientales individua-</p><p>les como el aire y el agua ya no pueden considerarse y manejarse dentro de compartimentos</p><p>1.1 ¿Qué es la ingeniería ambiental? 5</p><p>individuales. Deben tratarse en el nivel del ecosistema para evitar que las preocupaciones por</p><p>la contaminación pasen de un medio ambiental a otro. Para enfrentar estos problemas crónicos</p><p>antes de que se vuelvan agudos, los científicos e ingenieros buscan entender el ambiente, las</p><p>ciudades y la industria como sistemas interactivos (es decir, como ecosistemas interconectados,</p><p>sistemas sociales e industriales), y pensar en forma proactiva y preventiva para evitar las conse-</p><p>cuencias indeseables en lugar de tener que afrontarlas en forma reactiva.</p><p>En la mayoría de los países desarrollados de la actualidad la opinión pública ha evolucionado</p><p>de tal modo que los efectos directos e inmediatos de la contaminación ambiental en la salud ya no</p><p>son la única preocupación. La limpieza de los arroyos, para beneficio de los arroyos mismos, se</p><p>ha convertido en una fuerza impulsora, y se han aprobado leyes que abordan nuestro deseo de un</p><p>ambiente limpio. La protección de los hábitats de la fauna y la flora, la preservación de las especies</p><p>y la salud de los ecosistemas se han convertido en objetivos válidos para el gasto de recursos. El</p><p>sentido de misión, que se conoce como ética ambiental, es una fuerza impulsora importante detrás</p><p>de la ingeniería ambiental moderna, y la sociedad lo exige como un valor público. En el siglo xx,</p><p>la ética ambiental se enfrentó a los deseos de quienes querían explotar los recursos naturales para</p><p>el beneficio humano. El pensamiento común suponía que algo tenía que sacrificarse: era preciso</p><p>elegir entre la economía o el ambiente.</p><p>1.1.3 La ingeniería ambiental en el horizonte</p><p>En el siglo xxi es evidente que los ecosistemas y el capital natural de nuestro planeta no son</p><p>inagotables. La preservación y el mantenimiento del bienestar sanitario, económico y social</p><p>de las personas depende de que se preserve y mantenga la integridad de los ecosistemas y los</p><p>servicios para el sistema ecológico que éstos mismos ofrecen. La solución no es un sacrificio,</p><p>sino el bienestar de la economía y del ambiente. A este respecto, ha surgido un objetivo común</p><p>en todo el mundo (la meta del desarrollo sostenible), que una comisión de las Naciones Unidas</p><p>definió en el Informe de Budapest, en 1987, como un “desarrollo que satisfaga las necesidades</p><p>del presente sin comprometer la capacidad de las</p><p>ejemplo 3.10 estime la DBO más alta que se espera cada</p><p>30 días. Utilice el análisis de datos agrupados.</p><p>0.001</p><p>0.005</p><p>0.01</p><p>0.02</p><p>0.05</p><p>0.1</p><p>0.2</p><p>0.5</p><p>0.1</p><p>0.2</p><p>0.3</p><p>0.4</p><p>0.5</p><p>0.6</p><p>0.7</p><p>0.8</p><p>0.9</p><p>0.95</p><p>0.98</p><p>0.99</p><p>0.998</p><p>0.999</p><p>0.9999</p><p>0 10 20 30 40 50 60 70 80</p><p>DBO del efluente (mg/L)</p><p>Fr</p><p>ac</p><p>ci</p><p>ón</p><p>a</p><p>cu</p><p>m</p><p>ul</p><p>at</p><p>iv</p><p>a</p><p>de</p><p>D</p><p>B</p><p>O</p><p>d</p><p>el</p><p>e</p><p>flu</p><p>en</p><p>te</p><p>m</p><p>en</p><p>or</p><p>q</p><p>ue</p><p>P</p><p>Figura 3.7 Análisis de datos agrupados. Véase el ejemplo 3.11.</p><p>Capítulo 3 Cálculos en la ingeniería98</p><p>Solución El primer paso consiste en definir los grupos de valores de la DBO. En este caso</p><p>se opta por 10 mg/L sencillamente porque es conveniente. La cantidad de datos puntuales que</p><p>quedan en cada grupo se indica como (r).</p><p>DBO del Cantidad de días</p><p>efluente Media del en que la DBO cae</p><p>(mg/L) grupo en el grupo (r)</p><p>0-9 5 0 0 0</p><p>10-19 15 1 1 0.06</p><p>20-29 25 6 7 0.39</p><p>30-39 35 5 12 0.67</p><p>40-49 45 2 14 0.78</p><p>50-59 55 2 16 0.89</p><p>60-69 65 2 18 1.00</p><p>Se suma progresivamente la cantidad de datos puntuales (Σr) y luego este valor se divide entre</p><p>el total de datos puntuales, n = 18. Éstos se convierten entonces en puntos únicos en una grá-</p><p>fica del grupo de DBO medio versus P, como en la figura 3.7. Cada una de las probabilidades</p><p>puede leerse en la curva como antes. Como en el ejemplo 3.10, si queremos conocer la peor</p><p>calidad del efluente en 30 días, utilizamos P</p><p>29/30</p><p>= 0.967, y la lectura es una DBO de 66 mg/L.</p><p>�r P = �r/n</p><p>PROBLEMAS</p><p>3.1 La tabla siguiente muestra la distribución de</p><p>frecuencias de la demanda bioquímica de oxí-</p><p>geno (DBO) de un flujo entrante en una planta</p><p>de tratamiento de aguas residuales.</p><p>DBO (mg/L) Núm. de muestras</p><p>110-129 18</p><p>130-149 31</p><p>150-169 23</p><p>170-189 20</p><p>190-209 7</p><p>210-229 1</p><p>230-249 2</p><p>Calcule lo siguiente:</p><p>a) P</p><p>10</p><p>(probabilidad de que 10% de las ve-</p><p>ces la DBO sea menor que este valor</p><p>b) P</p><p>50</p><p>c) P</p><p>95</p><p>3.2 Las siguientes son características de precipita-</p><p>ciones anuales de varias ciudades.</p><p>Lluvia anual</p><p>Años de x̄ s</p><p>registro (pulg/año) (pulg/año)</p><p>Cheyenne, WY 70 14.61 3.61</p><p>Pueblo, CO 52 11.51 5.29</p><p>Kansas City, MO 63 36.10 6.64</p><p>a) ¿Cuál es la ciudad que tiene los niveles</p><p>más variables de pluviosidad?</p><p>b) Si suponemos que los datos sobre la</p><p>lluvia tienen una distribución normal,</p><p>¿cuántos años en los próximos 50 cabría</p><p>esperar que la lluvia estuviera por enci-</p><p>ma de las 20 pulgadas en cada ciudad?</p><p>c) Suponiendo una distribución normal,</p><p>¿cuántos años cabría esperar en los próxi-</p><p>mos 50 que la lluvia estuviera por debajo</p><p>de las 12 pulgadas en cada ciudad?</p><p>3.3 Análisis de la información 99</p><p>d) ¿Cuál es la probabilidad de que la lluvia</p><p>anual rebase las 36.1 pulgadas en Kansas</p><p>City?</p><p>3.3 Busque los registros de los partidos ganados</p><p>y perdidos del equipo de básquetbol de su</p><p>universidad de los últimos 20 años. Calcule</p><p>el porcentaje de juegos ganados de cada año.</p><p>¿Qué tan a menudo es posible esperar que el</p><p>equipo tenga una cantidad igual de juegos ga-</p><p>nados y perdidos (por lo menos 500 juegos)?</p><p>3.4 Una distribución normal tiene una desviación</p><p>estándar de 30 y una media de 20. Encuentre la</p><p>probabilidad de que</p><p>a) x ≥ 80</p><p>b) x ≤ 80</p><p>c) x ≤ –70</p><p>d) 50 ≤ x ≤ 80</p><p>Se recomiendan promedios gráficos.</p><p>3.5 U n lago tiene las siguientes lecturas de oxíge-</p><p>no disuelto (OD):</p><p>Mes OD (mg/L)</p><p>1 12</p><p>2 11</p><p>3 10</p><p>4 9</p><p>5 10</p><p>6 8</p><p>7 9</p><p>8 6</p><p>9 10</p><p>10 11</p><p>11 10</p><p>12 11</p><p>a) ¿Cuál es el oxígeno disuelto promedio?</p><p>b) ¿Cuál es la desviación estándar?</p><p>c) ¿Qué fracción de tiempo cabe esperar</p><p>que el oxígeno disuelto esté por encima</p><p>de 10 mg/L?</p><p>d) ¿Qué fracción de tiempo será menor el</p><p>oxígeno disuelto que 8 mg/L?</p><p>3.6 A continuación se presentan los periodos de retor-</p><p>no y los niveles de inundación de Morgan Creek.</p><p>Periodo de retorno Nivel de inundación</p><p>(años) (m3/s)</p><p>1 108</p><p>5 142</p><p>10 157</p><p>20 176</p><p>40 196</p><p>60 208</p><p>100 224</p><p>Estime el nivel de inundación de un periodo de</p><p>retorno de 500 años.</p><p>3.7 La cantidad de estudiantes que tomaron un</p><p>curso en los últimos cinco años es la siguiente:</p><p>Cantidad de</p><p>Año estudiantes</p><p>1 13</p><p>2 18</p><p>3 17</p><p>4 15</p><p>5 20</p><p>¿Cuántos años en los próximos 20 tendrá la</p><p>clase 10 estudiantes o menos?</p><p>3.8 ¿Cuánta cerveza se consume en Estados Uni-</p><p>dos diariamente?</p><p>3.9 El carbón tiene alrededor de 2% de sulfuro.</p><p>¿Cuántos kilogramos de sulfuro se emitirían de</p><p>las plantas de energía alimentadas por carbón</p><p>en Estados Unidos en un año? (La generación</p><p>de electricidad en el país es aproximadamen-</p><p>te de 0.28 × 1012 vatios, y el carbón tiene un</p><p>contenido de energía de aproximadamente 30</p><p>× 106 J/kg. Observe que 1 J = 1 W-s.)</p><p>3.10 ¿Cuántos neumáticos de automóviles se ven-</p><p>den cada año en Estados Unidos? Plantee pre-</p><p>misas razonables.</p><p>3.11 La EPA expresa la tasa de emisión de conta-</p><p>minantes gaseosos de los automóviles en tér-</p><p>minos de gramos por milla (g/mi). ¿Qué opina</p><p>usted de esta unidad de medición construida?</p><p>3.12 En un vaso de 8 onzas se pone un gramo de sal</p><p>de mesa y el vaso se llena con agua del grifo.</p><p>¿Cuál es la concentración de sal en miligramos</p><p>Capítulo 3 Cálculos en la ingeniería100</p><p>por litro? ¿Por qué no estaría usted tan seguro</p><p>de su respuesta?</p><p>3.13 Las concentraciones de metales en los sedi-</p><p>mentos de aguas residuales a menudo se ex-</p><p>presan en términos de gramos de metal por</p><p>kilogramo de sólidos secos totales. Un sedi-</p><p>mento húmedo tiene una concentración de só-</p><p>lidos de 200,000 mg/L, y 8,000 mg/L de estos</p><p>sólidos son zinc.</p><p>a) ¿Cuál es la concentración de zinc como g</p><p>Zn/g de sólidos secos?</p><p>b) Si este sedimento se aplicara a las tierras</p><p>de labranza y se esparciera sobre los pastos</p><p>que las vacas consumen, explique cómo</p><p>vigilaría usted el proyecto respecto a los</p><p>posibles efectos ambientales o en la salud</p><p>que podría ocasionar la presencia de zinc.</p><p>3.14 En un vaso de precipitados de 100 mL se co-</p><p>loca un gramo de pimienta y luego el vaso de</p><p>precipitados se llena de agua hasta la marca de</p><p>100 mL. ¿Cuál es la concentración de pimienta</p><p>en mg/L? (¿Qué debería suponer usted en este</p><p>problema? ¿Cuál es la densidad de la pimien-</p><p>ta? ¿Cuál es el volumen de 1 g de pimienta?)</p><p>3.15 Una planta de tratamiento de aguas residuales</p><p>recibe un flujo de 10 mgd. Estas aguas tienen</p><p>una concentración de sólidos de 192 mg/L.</p><p>¿Cuántas libras de sólidos ingresan en la planta</p><p>cada día?</p><p>3.16 Se añadieron 10 gramos de cuentas de plástico</p><p>que tienen una densidad de 1.2 g/cm3 a 500 mL de</p><p>un solvente orgánico que posee una densidad</p><p>de 0.8 g/cm3. ¿Cuál es la concentración de las</p><p>cuentas de plástico en mg/L? (¡Ésta es difícil!)</p><p>3.17 Una corriente que fluye a 60 gal/min transporta</p><p>una carga de sedimento de 2,000 mg/L. ¿Cuál</p><p>es la carga de sedimento en kilogramos por día?</p><p>3.18 Una planta de tratamiento produce agua que tie-</p><p>ne una concentración de arsénico de 0.05 mg/L.</p><p>a) Si el consumo promedio de agua es de 2 ga-</p><p>lones diarios, ¿cuánto arsénico bebe cada</p><p>persona?</p><p>b) Si usted fuera el operador de la planta de</p><p>tratamiento de agua y el presidente del</p><p>consejo de la ciudad le preguntara duran-</p><p>te una audiencia pública si hay arsénico</p><p>en el agua potable de la ciudad, ¿cómo</p><p>respondería?</p><p>c) Analice su respuesta del inciso b), desde</p><p>un punto de vista moral. ¿Hizo lo correc-</p><p>to al responder como lo hizo? ¿Por qué?</p><p>3.19 Una planta de energía emite por la chimenea</p><p>120 lb de cenizas volátiles cada hora. La tasa de</p><p>flujo de los gases calientes en la chimenea es de</p><p>25 pies3/s. ¿Cuál es la concentración de cenizas</p><p>volátiles en microgramos por metro cúbico?</p><p>3.20 Si la electricidad cuesta $0.05/kW · h, ¿cuánto</p><p>paga su universidad cada año en su recibo de</p><p>luz por el uso de las lámparas de escritorio?</p><p>(Aquí necesita establecer varias premisas es-</p><p>pecíficas de su universidad.)</p><p>3.21 Si la matrícula tuviera que pagarse con boletos</p><p>para clases, ¿cuánto le costaría el boleto para</p><p>una clase a su universidad?</p><p>3.22 Una universidad</p><p>cuenta con aproximadamente</p><p>12,600 estudiantes de licenciatura y cada año</p><p>se gradúan 2,250 alumnos. Suponga que todos</p><p>se gradúan. ¿Cuál es el tiempo de retención</p><p>aproximado en la universidad?</p><p>3.23 Una planta de tratamiento de agua tiene seis tan-</p><p>ques de sedimentación que operan en paralelo</p><p>(el flujo se vierte en seis corrientes con flujos</p><p>iguales) y cada tanque cuenta con un volumen</p><p>de 600 m3. Si el flujo que va hacia la planta es de</p><p>10 mgd, ¿cuál es el tiempo de retención en cada</p><p>uno de los tanques de sedimentación? Si, por el</p><p>contrario, los tanques operaran en serie (es decir,</p><p>si el flujo completo pasa primero a un tanque,</p><p>luego al segundo, y así sucesivamente), ¿cuál se-</p><p>ría el tiempo de retención en cada tanque?</p><p>3.24 En los deportes se dan algunas de las estadísti-</p><p>cas más confusas. Defina lo siguiente:</p><p>a) ERA</p><p>b) RBI</p><p>c) Promedio de bateo</p><p>d) Tiempo promedio en mano</p><p>e) Sobre porcentaje de base</p><p>f) Puntos promedio por juego (jockey sobre</p><p>hielo)</p><p>g) ¿Otros?</p><p>3.3 Análisis de la información 101</p><p>3.25 Usted trabaja como reclutador de una empresa</p><p>de asesoría en ingeniería y un aspirante a un</p><p>puesto le pregunta lo siguiente:</p><p>Si trabajo con su compañía y descubro, so-</p><p>bre bases éticas, que no estoy de acuerdo con</p><p>un proyecto, ¿puedo negarme a trabajar en</p><p>ese proyecto sin perjudicar mi carrera futura</p><p>en la empresa?</p><p>Dé tres respuestas que según su criterio podría</p><p>ofrecer a esta pregunta, y luego responda las</p><p>afirmaciones de acuerdo con lo que usted crea</p><p>que el estudiante entrevistado pensaría. ¿Éste</p><p>le cree a usted? Reflexione, ¿por qué sí o por</p><p>qué no?</p><p>3.26 ¿Cómo debería Chris informar la estimación</p><p>del costo de construcción? ¿Por qué?</p><p>a) $56,078.34</p><p>b) $56,078</p><p>c) $56,080</p><p>d) $56,000</p><p>3.27 ¿Por qué es importante la cantidad de cifras</p><p>significativas en su respuesta final? En otras</p><p>palabras, ¿qué refleja la cantidad de cifras sig-</p><p>nificativas en su respuesta final?</p><p>3.28 En el ejemplo 3.7 se menciona el término pre-</p><p>cisión. ¿Cuál es la diferencia entre precisión y</p><p>exactitud?</p><p>3.29 ¿Redondearía usted durante un cálculo o al fi-</p><p>nal (es decir, la respuesta final) o ambas cosas?</p><p>¿Por qué?</p><p>NOTAS FINALES</p><p>1. “Mars Climate Orbiter” (2008). Microsoft®</p><p>Encarta® Online Encyclopedia. Disponible</p><p>en http://encarta.msn.com el 8 diciembre de</p><p>2008.</p><p>2. Artículos sobre el Orbitador Climático de</p><p>Marte. U.S. National Aeronautics and Space</p><p>Administration. Disponible en http://mars.jpl.</p><p>nasa.gov/msp98/orbiter/ el 8 de diciembre de</p><p>2008.</p><p>3. Como observó John Hart en un libro maravi-</p><p>lloso sobre cálculos ambientales: Consider a</p><p>Spherical Cow (1985). Los Altos, CA: William</p><p>Kaufmann, Inc.</p><p>4. Este ejemplo se adaptó de Middlebrooks, E.</p><p>Joe (1976). Statistical Calculations. Ann Ar-</p><p>bor, MI: Ann Arbor Science Pub.</p><p>C A P Í T U L O 4</p><p>©</p><p>K</p><p>e</p><p>it</p><p>h</p><p>y</p><p>S</p><p>u</p><p>sa</p><p>n</p><p>M</p><p>o</p><p>rg</p><p>an</p><p>©</p><p>K</p><p>e</p><p>it</p><p>h</p><p>y</p><p>S</p><p>u</p><p>sa</p><p>n</p><p>M</p><p>o</p><p>rg</p><p>an</p><p>Dog Fence, Australia</p><p>Parque de Conservación Red Banks, Australia</p><p>Balances y separaciones de materia</p><p>Los ingenieros ambientales necesitan saber qué tan grande deben dibujar la “caja”, por ejemplo, dónde</p><p>trazar la línea y qué incluir y excluir. Si la “caja” es demasiado pequeña, puede haber consecuencias no</p><p>planeadas; si es demasiado grande, se desperdiciarán tiempo y recursos.</p><p>102</p><p>4.1 Balances de materia con un solo material 103</p><p>Los alquimistas, quizá los profesionales originales de la ciencia por beneficios, intentaron</p><p>desarrollar procesos para fabricar oro a partir de metales menos valiosos. Visto desde la po-</p><p>sición privilegiada de la química moderna, la razón por la que fracasaron es clara. Excepto</p><p>por los procesos que implican reacciones nucleares (que no nos interesan en este texto), un</p><p>kilogramo de cualquier materia, como plomo, al principio de cualquier proceso producirá</p><p>un kilogramo de esa materia al final, aunque quizá en una forma muy diferente. Este concepto</p><p>sencillo de la conservación de la masa conduce a una herramienta de ingeniería poderosa, el</p><p>balance de materia. En este capítulo se presenta por primera vez el balance de materia alre-</p><p>dedor de una operación unitaria de caja negra. Luego se identifican estas cajas negras como</p><p>operaciones unitarias reales que llevan a cabo funciones útiles. Inicialmente las cajas negras</p><p>no tienen nada adentro que afecte el flujo de material; entonces se supone que se producen o</p><p>consumen cantidades de material dentro de ellas. En todos los casos se asume que el flujo se</p><p>encuentra en un estado estable, es decir, no cambia con el tiempo. Esta restricción se suprime</p><p>en los capítulos subsiguientes.</p><p>4.1 BALANCES DE MATERIA CON UN SOLO MATERIAL</p><p>Los flujos de materiales pueden entenderse y analizarse con más facilidad usando el concepto</p><p>de una caja negra. Estas cajas son representaciones esquemáticas de procesos reales o con-</p><p>fluencias de flujos, y no es necesario especificar cuál es este proceso para desarrollar principios</p><p>generales sobre el análisis de flujos.</p><p>La figura 4.1 muestra una caja negra dentro de la cual fluye algún material. Todos los</p><p>flujos que entran a la caja se llaman entradas (o de entrada) y se representan con la letra X. Si</p><p>el flujo se describe como masa por unidad de tiempo, X</p><p>0</p><p>es una masa por unidad de tiempo del</p><p>material X que fluye dentro de la caja. Del mismo modo, X</p><p>1</p><p>es el flujo de salida, o efluente. Si</p><p>no ocurren procesos dentro de la caja que produzcan más material o destruyan algo de él, y</p><p>si se supone que el flujo no varía con el tiempo (es decir, se encuentra en un estado estable),</p><p>entonces es posible escribir un balance de materia alrededor de la caja como</p><p>⎡</p><p>⎣</p><p>⎢</p><p>⎢</p><p>⎢</p><p>⎤</p><p>⎦</p><p>⎥</p><p>⎥</p><p>⎥</p><p>=</p><p>⎡</p><p>⎣</p><p>⎢</p><p>⎢</p><p>⎢</p><p>⎤</p><p>⎦</p><p>⎥</p><p>⎥</p><p>⎥</p><p>Masa por unidad</p><p>de tiempo de</p><p>ENTRADA</p><p>Masa por unidad</p><p>de tiempo de</p><p>SALIDA</p><p>X X</p><p>o</p><p>[X</p><p>0</p><p>] [X</p><p>1</p><p>]</p><p>La caja negra puede usarse para establecer un balance de volumen y un balance de masa</p><p>si la densidad no cambia en el proceso. Debido a que la definición de densidad es masa por</p><p>unidad de volumen, la conversión de un balance de masa a un balance de volumen se logra</p><p>dividiendo cada término entre la densidad (una constante). Por lo general es conveniente usar</p><p>el balance de volumen para los líquidos y el balance de masa para los sólidos.</p><p>0</p><p>X0 X1</p><p>1</p><p>Figura 4.1 Caja negra con un flujo de entrada y uno de salida.</p><p>Capítulo 4 Balances y separaciones de materia104</p><p>Figura 4.2 Separador con un flujo de entrada y dos de salida.</p><p>0</p><p>X0</p><p>X1</p><p>1</p><p>X2</p><p>2</p><p>4.1.1 Separación de las corrientes de flujo de un solo</p><p>material</p><p>Una caja negra que se muestra en la figura 4.2 recibe un flujo desde una fuente de alimentación</p><p>y lo separa en dos o más corrientes. El flujo que entra en la caja se etiqueta como X</p><p>0</p><p>, y los dos</p><p>que salen de ella son X</p><p>1</p><p>y X</p><p>2</p><p>. Si de nuevo se supone que existen condiciones estables y que no se</p><p>destruye ni produce material, entonces el balance de es</p><p>⎡</p><p>⎣</p><p>⎢</p><p>⎢</p><p>⎢</p><p>⎤</p><p>⎦</p><p>⎥</p><p>⎥</p><p>⎥</p><p>=</p><p>⎡</p><p>⎣</p><p>⎢</p><p>⎢</p><p>⎢</p><p>⎤</p><p>⎦</p><p>⎥</p><p>⎥</p><p>⎥</p><p>Masa por unidad</p><p>de tiempo de</p><p>ENTRADA</p><p>Masa por unidad</p><p>de tiempo de</p><p>SALIDA</p><p>X X</p><p>o</p><p>[X</p><p>0</p><p>] [X</p><p>1</p><p>] + [X</p><p>2</p><p>]</p><p>El material X puede separarse, por supuesto, en más de dos fracciones, de modo que el</p><p>balance de materia puede ser</p><p>[X0] =</p><p>n∑</p><p>i=1</p><p>[Xi ]</p><p>donde hay n corrientes de salida, o efluentes.</p><p>EJEMPLO</p><p>4.1 Problema Una ciudad genera 102 toneladas/día de desechos que se llevan a una estación de</p><p>transferencia. En dicha instalación los desechos se dividen en cuatro corrientes de flujo que se</p><p>dirigen hacia tres incineradores y un tiradero. Si la capacidad de los incineradores es de 20, 50</p><p>y 22 toneladas/día, ¿cuánto desecho debe ir al tiradero?</p><p>Solución Considere la situación en forma esquemática como se muestra en la figura 4.3. Las</p><p>cuatro corrientes de salida son las capacidades conocidas de los tres incineradores más un tirade-</p><p>ro. La corriente de entrada son los residuos sólidos que se entregan a la estación de transferencia.</p><p>Usando el diagrama, establezca el balance de masa en términos de toneladas por día:</p><p>[Masa por unidad de desecho ENTRADA] = [Masa por unidad de desecho SALIDA]</p><p>102 = 20 + 50 + 22 + M</p><p>donde M = masa de desecho al tiradero. Resolviendo la incógnita, M = 10 toneladas/día.</p><p>4.1 Balances de materia con un solo material 105</p><p>2</p><p>4</p><p>3</p><p>1</p><p>1</p><p>2</p><p>3</p><p>4</p><p>EJEMPLO</p><p>4.2 Problema Una alcantarilla colectora, que se muestra en la figura 4.5, tiene una capacidad de</p><p>flujo de 4.0 m3/s. Si el flujo hacia ella se excede no podrá transportar todas las aguas residua-</p><p>les por la tubería y ocurrirán retrocesos. En la actualidad, tres vecindarios descargan su agua</p><p>residual en la alcantarilla y sus flujos máximos son 1.0, 0.5 y 2.7 m3/s. Un constructor desea</p><p>edificar un desarrollo que contribuirá con un flujo máximo de 0.7 m3/s a dicha alcantarilla.</p><p>¿Esto causaría que se excediera su capacidad?</p><p>20 toneladas/día</p><p>50 toneladas/día</p><p>22 toneladas/día</p><p>M</p><p>Figura 4.3 Balance de materia para la eliminación de desechos.</p><p>Incineradores</p><p>Ciudad</p><p>Tiradero</p><p>102 toneladas/día</p><p>1</p><p>2 0</p><p>m</p><p>X1</p><p>X2 Xe</p><p>Xm�</p><p>Figura 4.4 Mezcladora con varios flujos de entrada y uno de salida.</p><p>4.1.2 Combinación de corrientes de flujo de un solo</p><p>material</p><p>Una caja negra también puede recibir numerosas entradas y descargar una salida, como se</p><p>muestra en la figura 4.4. Si las entradas se etiquetan X</p><p>1</p><p>, X</p><p>2</p><p>,..., X</p><p>m</p><p>, el balance de materia pro-</p><p>duciría</p><p>m∑</p><p>i=1</p><p>[Xi ] = [Xe]</p><p>Capítulo 4 Balances y separaciones de materia106</p><p>Xe</p><p>0.5 m3/s</p><p>0.7 m3/s</p><p>2.7 m3/s</p><p>1.0 m3/s</p><p>1.0 0.5 2.7 0.7 m3/s</p><p>Capacidad = 4 m3/s</p><p>Figura 4.5 Capacidad de una alcantarilla colectora.</p><p>Solución Establezca el balance de materia en términos de m3/s.</p><p>⎡</p><p>⎣</p><p>⎢</p><p>⎤</p><p>⎦</p><p>⎥ =</p><p>⎡</p><p>⎣</p><p>⎢</p><p>⎤</p><p>⎦</p><p>⎥</p><p>Volumen/unidad de tiempo de aguas</p><p>residuales ENTRADA</p><p>Volumen/unidad de tiempo de aguas</p><p>residuales SALIDA</p><p>[1.0 + 0.5 + 2.7 + 0.7] = Xe</p><p>donde X</p><p>e</p><p>es el flujo en la alcantarilla colectora. Resolverlo produce X</p><p>e</p><p>= 4.9 m3/s, lo que</p><p>es mayor que la capacidad de la alcantarilla colectora, de modo que ésta se sobrecargará</p><p>si se permite al nuevo desarrollo conectarse a ella. Aun ahora el sistema está sobrecarga-</p><p>do (a 4.2 m3/s) y la única razón por la que no ha ocurrido un desastre es que no todos los</p><p>vecindarios producen el flujo máximo a la misma hora del día.</p><p>4.1.3 Procesos complejos con un solo material</p><p>Los sencillos ejemplos anteriores ilustran el principio básico de los balances de materia. Las</p><p>dos suposiciones que se han usado para enfocar el análisis previo se basan en que los flujos se</p><p>encuentran estables (no cambian con el tiempo) y en que ningún material se destruye (consu-</p><p>me) o crea (produce). Si estas posibilidades se incluyen en el balance de materia completo, la</p><p>ecuación queda</p><p>⎡</p><p>⎣</p><p>⎢</p><p>⎢</p><p>⎢</p><p>⎢</p><p>⎤</p><p>⎦</p><p>⎥</p><p>⎥</p><p>⎥</p><p>⎥</p><p>=</p><p>⎡</p><p>⎣</p><p>⎢</p><p>⎢</p><p>⎢</p><p>⎢</p><p>⎤</p><p>⎦</p><p>⎥</p><p>⎥</p><p>⎥</p><p>⎥</p><p>−</p><p>⎡</p><p>⎣</p><p>⎢</p><p>⎢</p><p>⎢</p><p>⎢</p><p>⎤</p><p>⎦</p><p>⎥</p><p>⎥</p><p>⎥</p><p>⎥</p><p>+</p><p>⎡</p><p>⎣</p><p>⎢</p><p>⎢</p><p>⎢</p><p>⎢</p><p>⎤</p><p>⎦</p><p>⎥</p><p>⎥</p><p>⎥</p><p>⎥</p><p>−</p><p>⎡</p><p>⎣</p><p>⎢</p><p>⎢</p><p>⎢</p><p>⎢</p><p>⎤</p><p>⎦</p><p>⎥</p><p>⎥</p><p>⎥</p><p>⎥</p><p>Material</p><p>por unidad</p><p>de tiempo</p><p>ACUMULADO</p><p>Material</p><p>por unidad</p><p>de tiempo</p><p>ENTRADA</p><p>Material</p><p>por unidad</p><p>de tiempo</p><p>SALIDA</p><p>Material</p><p>por unidad</p><p>de tiempo</p><p>PRODUCIDO</p><p>Material</p><p>por unidad</p><p>de tiempo</p><p>CONSUMIDO</p><p>4.1 Balances de materia con un solo material 107</p><p>Si el material en cuestión se etiqueta como A, la ecuación de equilibrio de masa es</p><p>⎡</p><p>⎣</p><p>⎢</p><p>⎢</p><p>⎢</p><p>⎢</p><p>⎤</p><p>⎦</p><p>⎥</p><p>⎥</p><p>⎥</p><p>⎥</p><p>=</p><p>⎡</p><p>⎣</p><p>⎢</p><p>⎢</p><p>⎢</p><p>⎢</p><p>⎤</p><p>⎦</p><p>⎥</p><p>⎥</p><p>⎥</p><p>⎥</p><p>−</p><p>⎡</p><p>⎣</p><p>⎢</p><p>⎢</p><p>⎢</p><p>⎢</p><p>⎤</p><p>⎦</p><p>⎥</p><p>⎥</p><p>⎥</p><p>⎥</p><p>+</p><p>⎡</p><p>⎣</p><p>⎢</p><p>⎢</p><p>⎢</p><p>⎢</p><p>⎤</p><p>⎦</p><p>⎥</p><p>⎥</p><p>⎥</p><p>⎥</p><p>−</p><p>⎡</p><p>⎣</p><p>⎢</p><p>⎢</p><p>⎢</p><p>⎢</p><p>⎤</p><p>⎦</p><p>⎥</p><p>⎥</p><p>⎥</p><p>⎥</p><p>Masa de</p><p>por unidad</p><p>de tiempo</p><p>ACUMULADA</p><p>Masa de</p><p>por unidad</p><p>de tiempo</p><p>ENTRADA</p><p>Masa de</p><p>por unidad</p><p>de tiempo</p><p>SALIDA</p><p>Masa de</p><p>por unidad</p><p>de tiempo</p><p>PRODUCIDA</p><p>Masa de</p><p>por unidad</p><p>de tiempo</p><p>CONSUMIDA</p><p>A A A</p><p>A A</p><p>o, siempre que la densidad no cambie, en términos de volumen como</p><p>⎡</p><p>⎣</p><p>⎢</p><p>⎢</p><p>⎢</p><p>⎢</p><p>⎤</p><p>⎦</p><p>⎥</p><p>⎥</p><p>⎥</p><p>⎥</p><p>=</p><p>⎡</p><p>⎣</p><p>⎢</p><p>⎢</p><p>⎢</p><p>⎢</p><p>⎤</p><p>⎦</p><p>⎥</p><p>⎥</p><p>⎥</p><p>⎥</p><p>−</p><p>⎡</p><p>⎣</p><p>⎢</p><p>⎢</p><p>⎢</p><p>⎢</p><p>⎤</p><p>⎦</p><p>⎥</p><p>⎥</p><p>⎥</p><p>⎥</p><p>+</p><p>⎡</p><p>⎣</p><p>⎢</p><p>⎢</p><p>⎢</p><p>⎢</p><p>⎤</p><p>⎦</p><p>⎥</p><p>⎥</p><p>⎥</p><p>⎥</p><p>−</p><p>⎡</p><p>⎣</p><p>⎢</p><p>⎢</p><p>⎢</p><p>⎢</p><p>⎤</p><p>⎦</p><p>⎥</p><p>⎥</p><p>⎥</p><p>⎥</p><p>Volumen de</p><p>por unidad</p><p>de tiempo</p><p>ACUMULADO</p><p>Volumen de</p><p>por unidad</p><p>de tiempo</p><p>ENTRADA</p><p>Volumen de</p><p>por unidad</p><p>de tiempo</p><p>SALIDA</p><p>Volumen de</p><p>por unidad</p><p>de tiempo</p><p>PRODUCIDO</p><p>Volumen de</p><p>por unidad</p><p>de tiempo</p><p>CONSUMIDO</p><p>A A A</p><p>A A</p><p>La masa o el volumen por unidad de tiempo pueden simplificarse como gasto, donde</p><p>gasto simplemente significa el flujo de masa o volumen. Por tanto, la ecuación de balance de</p><p>materia ya sea para masa o volumen es</p><p>⎡</p><p>⎣</p><p>⎢</p><p>⎤</p><p>⎦</p><p>⎥ =</p><p>⎡</p><p>⎣</p><p>⎢</p><p>⎤</p><p>⎦</p><p>⎥ −</p><p>⎡</p><p>⎣</p><p>⎢</p><p>⎤</p><p>⎦</p><p>⎥</p><p>+</p><p>⎡</p><p>⎣</p><p>⎢</p><p>⎤</p><p>⎦</p><p>⎥ −</p><p>⎡</p><p>⎣</p><p>⎢</p><p>⎤</p><p>⎦</p><p>⎥</p><p>Gasto de</p><p>ACUMULADO</p><p>Gasto de</p><p>ENTRADA</p><p>Gasto de</p><p>SALIDA</p><p>Gasto de</p><p>PRODUCIDO</p><p>Gasto de</p><p>CONSUMIDO</p><p>A A A</p><p>A A</p><p>(4.1)</p><p>Como se observa, muchos sistemas no cambian con el tiempo; los flujos en un momento</p><p>son exactamente iguales a los flujos posteriores. Esto significa que no es posible acumular nada</p><p>en la caja negra, ya sea en forma positiva (restos de material) o negativa (material descargado).</p><p>La ecuación de balance de materia, cuando se cumple la suposición de estado estable, es</p><p>=</p><p>⎡</p><p>⎣</p><p>⎢</p><p>⎤</p><p>⎦</p><p>⎥ −</p><p>⎡</p><p>⎣</p><p>⎢</p><p>⎤</p><p>⎦</p><p>⎥ +</p><p>⎡</p><p>⎣</p><p>⎢</p><p>⎤</p><p>⎦</p><p>⎥ −</p><p>⎡</p><p>⎣</p><p>⎢</p><p>⎤</p><p>⎦</p><p>⎥0</p><p>Gasto de</p><p>ENTRADA</p><p>Gasto de</p><p>SALIDA</p><p>Gasto de</p><p>PRODUCIDO</p><p>Gasto de</p><p>CONSUMIDO</p><p>A A A A</p><p>En muchos sistemas simples el material en cuestión no se consume ni se produce. Si</p><p>esta suposición de conservación se aplica a la ecuación de balance de materia, se simplifica a</p><p>=</p><p>⎡</p><p>⎣</p><p>⎢</p><p>⎢</p><p>⎤</p><p>⎦</p><p>⎥</p><p>⎥</p><p>−</p><p>⎡</p><p>⎣</p><p>⎢</p><p>⎢</p><p>⎤</p><p>⎦</p><p>⎥</p><p>⎥</p><p>+ −0</p><p>Gasto de</p><p>masa o volumen</p><p>ENTRADA</p><p>Gasto de</p><p>masa o volumen</p><p>SALIDA</p><p>0 0</p><p>Capítulo 4 Balances y separaciones de materia108</p><p>o</p><p>⎡</p><p>⎣</p><p>⎢</p><p>⎢</p><p>⎤</p><p>⎦</p><p>⎥</p><p>⎥</p><p>=</p><p>⎡</p><p>⎣</p><p>⎢</p><p>⎢</p><p>⎤</p><p>⎦</p><p>⎥</p><p>⎥</p><p>Gasto de</p><p>masa o volumen</p><p>ENTRADA</p><p>Gasto de</p><p>masa o volumen</p><p>SALIDA</p><p>la misma ecuación que se usa en los ejemplos anteriores.</p><p>EJEMPLO</p><p>4.3 Problema Una alcantarilla que transporta aguas pluviales al Registro 1 (figura 4.6) tiene</p><p>un flujo constante de 2,000 L/min (Q</p><p>A</p><p>). En el Registro 1 recibe un flujo lateral constante de</p><p>100 L/min (Q</p><p>B</p><p>). ¿Cuál es el flujo hacia el Registro 2 (Q</p><p>C</p><p>)?</p><p>Solución Piense en el Registro 1 como una caja negra, como se muestra en la figura 4.6.</p><p>Escriba la ecuación de balance de materia para el agua (ecuación 4.1):</p><p>⎡</p><p>⎣</p><p>⎢</p><p>⎤</p><p>⎦</p><p>⎥ =</p><p>⎡</p><p>⎣</p><p>⎢</p><p>⎤</p><p>⎦</p><p>⎥ −</p><p>⎡</p><p>⎣</p><p>⎢</p><p>⎤</p><p>⎦</p><p>⎥</p><p>+</p><p>⎡</p><p>⎣</p><p>⎢</p><p>⎤</p><p>⎦</p><p>⎥ −</p><p>⎡</p><p>⎣</p><p>⎢</p><p>⎤</p><p>⎦</p><p>⎥</p><p>Gasto de agua</p><p>ACUMULADA</p><p>Gasto de agua</p><p>ENTRADA</p><p>Gasto de agua</p><p>SALIDA</p><p>Gasto de agua</p><p>PRODUCIDA</p><p>Gasto de agua</p><p>CONSUMIDA</p><p>Figura 4.6 Alcantarillado con dos flujos que entran al Registro 1, combinándose y</p><p>moviéndose hacia el Registro 2.</p><p>1</p><p>1</p><p>2</p><p>2</p><p>QA</p><p>QB</p><p>QB</p><p>QB = 100 L/min</p><p>QA = 2,000 L/min</p><p>QC = ? L/min</p><p>QC</p><p>QA QC</p><p>QC</p><p>Caja</p><p>negra</p><p>Plano</p><p>Elevación</p><p>4.1 Balances de materia con un solo material 109</p><p>Debido a que no se acumula agua en la caja negra, se establece que el sistema se encuentra</p><p>en estado estable. Entonces el primer término de esta ecuación de balance es cero. Del mismo</p><p>modo, no se produce ni se consume agua, así que los dos últimos términos son cero. Entonces</p><p>la ecuación queda</p><p>0 = (Q</p><p>A</p><p>+ Q</p><p>B</p><p>) Q</p><p>C</p><p>+ 0 0</p><p>Ahora sustituya los flujos dados en litros por minuto:</p><p>0 = (2,000 + 100) Q</p><p>C</p><p>y resuelva:</p><p>Q</p><p>C</p><p>= 2,100 L/min</p><p>En el lugar en que el flujo se contiene en tuberías o canales es conveniente colocar una caja</p><p>negra en cualquier empalme con tres o más flujos. Por ejemplo, el registro en el ejemplo 4.3 es</p><p>un empalme que recibe dos flujos y descarga uno, para un total de tres.</p><p>Algunas veces los flujos quizá no estén contenidos en tubos o ríos. En tales casos es útil</p><p>visualizar primero el sistema como una red de flujo en una tubería. El agua de lluvia que cae</p><p>a la tierra, por ejemplo, puede filtrarse en el suelo o correr en un curso de agua. Es posible</p><p>describir este sistema como se muestra en la figura 4.7 y efectuar un balance de materia en la</p><p>caja negra imaginaria.</p><p>Un sistema puede contener cualquier cantidad de procesos o empalmes de flujos que</p><p>podrían tratarse como cajas negras. Por ejemplo, la figura 4.8A muestra un esquema del ciclo</p><p>hidrológico. La precipitación cae a la tierra; algo de agua corre y un poco se filtra en el suelo,</p><p>donde se une a una reserva de manto freático. Si el agua se usa para irrigación, se extrae de la</p><p>Figura 4.7 La precipitación, el escurrimiento y la</p><p>filtración pueden visualizarse como una</p><p>caja negra.</p><p>Precipitación</p><p>Escurrimiento</p><p>Filtración</p><p>Filtración</p><p>Precipitación</p><p>Escurrimiento</p><p>Caja</p><p>negra</p><p>Capítulo 4 Balances y separaciones de materia110</p><p>A</p><p>B</p><p>1</p><p>2</p><p>3</p><p>reserva del manto freático por medio de pozos. El agua de irrigación se filtra de nuevo en el</p><p>suelo o se va a la atmósfera gracias a la evaporación o transpiración (agua liberada a la atmós-</p><p>fera por las plantas), por lo común combinada en un proceso: evapotranspiración.</p><p>Figura 4.8 Ciclo hidrológico simplificado.</p><p>Precipitación</p><p>Escurrimiento</p><p>Evapotranspiración</p><p>Agua de</p><p>pozo para</p><p>irrigación</p><p>Pozo</p><p>Filtración Refiltración</p><p>Nivel del manto freático</p><p>Manto freático</p><p>Lecho rocoso</p><p>Precipitación</p><p>QP = 2.90 × 108 pies3/año</p><p>Evapotranspiración (80%), QE = ?</p><p>Refiltración</p><p>QC = ?</p><p>Escurrimiento</p><p>QR = ?</p><p>Pozo</p><p>QW = ?Filtración (50%)</p><p>QN = ?</p><p>Reserva del manto</p><p>freático</p><p>EJEMPLO</p><p>4.4 Problema Suponga que la precipitación pluvial es de 40 pulg/año, de las cuales 50% se filtra</p><p>en el suelo. El campesino irriga los cultivos con agua de pozo. Del agua de pozo extraída, 80%</p><p>se pierde por evapotranspiración; el resto se filtra de nuevo en el suelo. ¿Cuánta agua sub-</p><p>terránea podría extraer el campesino en una granja de 2,000 acres del suelo por año sin agotar</p><p>el volumen de la reserva del manto freático?</p><p>Solución Reconociendo este como un problema de balance de materia, primero convierta la</p><p>precipitación pluvial en un gasto; 40 pulg/año sobre 2,000 acres es</p><p>⎛</p><p>⎝⎜</p><p>⎞</p><p>⎠⎟</p><p>×</p><p>⎛</p><p>⎝⎜</p><p>⎞</p><p>⎠⎟</p><p>= ×40 pulg</p><p>año</p><p>1 pie</p><p>12 pulg</p><p>2,000 acres 43,560 pies</p><p>acre</p><p>2.90 10 pies</p><p>año</p><p>2</p><p>8</p><p>3</p><p>4.1 Balances de materia con un solo material 111</p><p>C</p><p>QP = 2.90 � 108 pies3/año</p><p>QR = 1.45 � 108 pies3/año</p><p>QE = 1.45 � 108 pies3/año</p><p>D</p><p>QP = 2.90 � 108 pies3/año</p><p>QR = 1.45 � 108 pies3/año</p><p>QE = 1.45 � 108 pies3/año</p><p>Figura 4.8 (Continuación.)</p><p>El sistema en cuestión se traza como la figura 4.8B y la información proporcionada se agrega</p><p>al bosquejo. Las cantidades desconocidas se representan con variables.</p><p>Es conveniente iniciar los cálculos construyendo un balance en la primera caja negra (1),</p><p>un empalme sencillo con precipitación que entra y escurrimiento y filtración que salen. El</p><p>balance del gasto de volumen es</p><p>⎡</p><p>⎣</p><p>⎢</p><p>⎢</p><p>⎢</p><p>⎢</p><p>⎤</p><p>⎦</p><p>⎥</p><p>⎥</p><p>⎥</p><p>⎥</p><p>=</p><p>⎡</p><p>⎣</p><p>⎢</p><p>⎢</p><p>⎢</p><p>⎢</p><p>⎤</p><p>⎦</p><p>⎥</p><p>⎥</p><p>⎥</p><p>⎥</p><p>−</p><p>⎡</p><p>⎣</p><p>⎢</p><p>⎢</p><p>⎢</p><p>⎢</p><p>⎤</p><p>⎦</p><p>⎥</p><p>⎥</p><p>⎥</p><p>⎥</p><p>+</p><p>⎡</p><p>⎣</p><p>⎢</p><p>⎢</p><p>⎢</p><p>⎢</p><p>⎤</p><p>⎦</p><p>⎥</p><p>⎥</p><p>⎥</p><p>⎥</p><p>−</p><p>⎡</p><p>⎣</p><p>⎢</p><p>⎢</p><p>⎢</p><p>⎢</p><p>⎤</p><p>⎦</p><p>⎥</p><p>⎥</p><p>⎥</p><p>⎥</p><p>Gasto de</p><p>volumen</p><p>de agua</p><p>ACUMULADA</p><p>Gasto de</p><p>volumen</p><p>de agua</p><p>ENTRADA</p><p>Gasto de</p><p>volumen</p><p>de agua</p><p>SALIDA</p><p>Gasto de</p><p>volumen</p><p>de agua</p><p>PRODUCIDA</p><p>Gasto de</p><p>volumen</p><p>de agua</p><p>CONSUMIDA</p><p>Puesto que se supone que el sistema se encuentra en estado estable, el primer término</p><p>es cero. Del mismo modo, los últimos dos términos son cero, ya que el agua, de nuevo, no se</p><p>produce ni se consume (por ejemplo, en reacciones):</p><p>0 = 2.90 × 108 pies3</p><p>año</p><p>− [ Q R + QN ] + 0 − 0</p><p>Como se planteó en el problema, la mitad del agua se filtra en el suelo; por consiguiente, la</p><p>otra mitad escurre:</p><p>Q R = 0.5Q P = QN</p><p>Capítulo 4 Balances y separaciones de materia112</p><p>así que sustituir esta información en el balance de material produce</p><p>0 = 2.90 × 108 − 2Q R</p><p>Resolviendo para Q</p><p>R</p><p>y Q</p><p>N</p><p>:</p><p>Q R = 1.45 × 108 pies3</p><p>año</p><p>= QN</p><p>Un balance en la segunda caja negra (2) produce</p><p>0 = [ QW ] − [ QE + QC ] + 0 − 0</p><p>Como se estableció en el problema, 80% del agua de irrigación se pierde por evapotranspira-</p><p>ción; por consiguiente, 20% se filtra de regreso al suelo:</p><p>0 = QW − 0.8QW − QC</p><p>QC = 0.2(QW )</p><p>Por último, es posible escribir un balance de materia en la reserva del manto freático (3) si se</p><p>supone que la cantidad de agua subterránea en la reserva no cambia:</p><p>0 = [ QN + QC ] − [ QW ] + 0 − 0</p><p>Del primer balance de materia, QN = 1.45 × 108 pies3/año y del segundo, QC = 0.2Q</p><p>W</p><p>. Sus-</p><p>tituya esta información en el tercer balance de materia y resuelva:</p><p>0 = 1.45 × 108 + 0.2QW − QW</p><p>QW = 1.81 × 108 pies3/año</p><p>Ésta es la producción máxima segura de agua de pozo para el campesino.</p><p>Como comprobación, considere el sistema entero como una caja negra. Esto se ilustra en</p><p>la figura 4.8C. Sólo hay una forma en que el agua pueda entrar en esta caja (precipitación) y</p><p>dos formas de salir (escurrimiento y evapotranspiración). Al representar esta caja negra como</p><p>la figura 4.8D, es posible escribir el balance de materia en pies cúbicos de agua por año:</p><p>0 = (2.90 × 108) − (1.45 × 108) − (1.45 × 108)</p><p>El balance del sistema general comprueba los cálculos.</p><p>La última comprobación ilustra una herramienta útil y poderosa en los cálculos del ba-</p><p>lance de materia. Cuando los flujos en un sistema de cajas negras están equilibrados es posible</p><p>trazar límites (líneas punteadas) alrededor de cualquier caja negra o cualquier combinación de</p><p>éstas, y esta combinación es en sí una caja negra. Regresando al ejemplo anterior, si se traza</p><p>una línea punteada alrededor del sistema entero (figura 4.8C) es útil representarla como una</p><p>sola caja negra (figura 4.8D). Si los cálculos son correctos, los flujos para esta caja deberán</p><p>balancearse también (y lo hacen).</p><p>4.1 Balances de materia con un solo material 113</p><p>De manera incidental, ¿qué sucedería si el campesino decidiera tomar más de esa cantidad</p><p>de agua del suelo? Ocurriría una situación inestable, y con el tiempo la reserva del manto freá-</p><p>tico se secaría. Esto es exactamente lo que ocurre en la actualidad en las Grandes Llanuras. El</p><p>acuífero Ogallala, una gran reserva que ha proporcionado agua para los campesinos desde 1930,</p><p>está secándose. La sobrecarga anual es casi igual al fl ujo del río Colorado. Un estudio de inge-ándose. La sobrecarga anual es casi igual al fl ujo del río Colorado. Un estudio de inge-ndose. La sobrecarga anual es casi igual al flujo del río Colorado. Un estudio de inge-</p><p>niería importante advirtió que 5.1 millones de acres de granjas irrigadas lo secarán para el año</p><p>2020 si esta tendencia continúa.</p><p>El uso excesivo de fertilizantes representa otro problema ambiental grave. Podemos</p><p>alimentar a la población del mundo sólo si continuamos extrayendo cantidades enormes de</p><p>fósforo y otros nutrientes del suelo. Sabemos que al final estas reservas se agotarán y que la</p><p>producción de nuestras granjas se reducirá en gran medida. Si estos eventos ocurrieran, la ham-</p><p>bruna será general en gran parte del mundo. Sin suficiente comida para todos y demasiadas</p><p>personas desesperadas por ello, ¿cómo se distribuirá? ¿Qué tal si sencillamente ignoramos a</p><p>quienes mueren de hambre y esperamos que la hambruna reduzca la población global de modo</p><p>que el alimento que producimos esté en equilibrio con los sobrevivientes? Podríamos argu-</p><p>mentar que, de cualquier manera, la cantidad de alimento disponible no alcanzaría para todos</p><p>y que privarnos de nuestra comida puede causar hambruna aquí también, de modo que al final</p><p>todas las personas morirían de inanición. Es mejor, continúa el argumento, sólo permitir que</p><p>la naturaleza siga su curso. Cualquier alimento que demos ahora a los países necesitados sólo</p><p>los alienta a procrear más personas y esto al final conducirá a la tragedia. Este pensamiento</p><p>se conoce como “ética del bote salvavidas”, nombre que proviene de la idea de que un bote</p><p>salvavidas sólo puede contener a cierto número de personas; si más de las permitidas por la</p><p>capacidad tratan de subir, el bote se inundará y todas se ahogarán.</p><p>Por consiguiente, ¿tenemos la obligación de salvar nuestra propia vida y no preocupar-</p><p>nos por nuestros vecinos? Esto parece algo razonable hasta que consideramos la posibilidad de</p><p>que quizá nosotros seamos quienes no tenemos alimento y nuestros vecinos decidan dejarnos</p><p>a nosotros morir de hambre. ¿Qué deberíamos/podríamos/haríamos, en todo caso?</p><p>Esto parece un escenario de ciencia ficción, pero por desgracia puede ser cierto. La pri-</p><p>vación de recursos es predecible y segura si nuestro sistema global continúa en un estado ines-</p><p>table. Quizá usted es la última generación afortunada. Sus hijos tal vez no lo sean.</p><p>Pero volvamos a las cajas negras.</p><p>Hasta ahora, éstas han tenido que procesar sólo un</p><p>material; por ejemplo, el agua es el único material balanceado en los dos ejemplos anteriores.</p><p>Los balances de materia se vuelven bastante más complejos (y útiles) cuando varios materiales</p><p>fluyen a través del sistema.</p><p>Sin embargo, antes de presentar ejemplos de sistemas con múltiples materiales es apro-</p><p>piado establecer algunas reglas generales que son útiles al abordar todos los problemas de</p><p>balance de materia. Las reglas son:</p><p>1. Dibuje el sistema como un diagrama, incluyendo todos los flujos (entradas y salidas)</p><p>como flechas.</p><p>2. Agregue la información disponible, como los gastos de flujo y concentraciones. Asigne</p><p>símbolos a las variables desconocidas.</p><p>3. Trace una línea punteada continua alrededor del componente o componentes que se van</p><p>a balancear. Esta podría ser una operación unitaria, un empalme, o una combinación de</p><p>éstos. Todo lo que esté dentro de esta línea punteada se convierte en la caja negra.</p><p>Capítulo 4 Balances y separaciones de materia114</p><p>4. Decida qué material va a balancearse. Éste podría ser un gasto volumétrico o de flujo de</p><p>masa.</p><p>5. Escriba la ecuación de balance de materia empezando con la ecuación básica:</p><p>⎡</p><p>⎣</p><p>⎢</p><p>⎢</p><p>⎢</p><p>⎢</p><p>⎤</p><p>⎦</p><p>⎥</p><p>⎥</p><p>⎥</p><p>⎥</p><p>=</p><p>⎡</p><p>⎣</p><p>⎢</p><p>⎢</p><p>⎢</p><p>⎢</p><p>⎤</p><p>⎦</p><p>⎥</p><p>⎥</p><p>⎥</p><p>⎥</p><p>−</p><p>⎡</p><p>⎣</p><p>⎢</p><p>⎢</p><p>⎢</p><p>⎢</p><p>⎤</p><p>⎦</p><p>⎥</p><p>⎥</p><p>⎥</p><p>⎥</p><p>+</p><p>⎡</p><p>⎣</p><p>⎢</p><p>⎢</p><p>⎢</p><p>⎢</p><p>⎤</p><p>⎦</p><p>⎥</p><p>⎥</p><p>⎥</p><p>⎥</p><p>−</p><p>⎡</p><p>⎣</p><p>⎢</p><p>⎢</p><p>⎢</p><p>⎢</p><p>⎤</p><p>⎦</p><p>⎥</p><p>⎥</p><p>⎥</p><p>⎥</p><p>Gasto</p><p>de masa</p><p>o volumen</p><p>ACUMULADO</p><p>Gasto</p><p>de masa</p><p>o volumen</p><p>ENTRADA</p><p>Gasto</p><p>de masa</p><p>o volumen</p><p>SALIDA</p><p>Gasto</p><p>de masa</p><p>o volumen</p><p>PRODUCIDO</p><p>Gasto</p><p>de masa</p><p>o volumen</p><p>CONSUMIDO</p><p>6. Si sólo se desconoce una variable, resuelva esa variable.</p><p>7. Si se desconoce más de una variable, repita el procedimiento usando una caja negra</p><p>diferente o un material distinto para la misma caja negra.</p><p>Armados de este modo con un conjunto de lineamientos, ahora pasemos a los problemas en los</p><p>que se trata con más de un material.</p><p>4.2 BALANCES DE MATERIA CON MÚLTIPLES MATERIALES</p><p>Pueden efectuarse balances de masa y volumen con múltiples materiales que fluyen en un</p><p>solo sistema. En algunos casos el proceso es una mezcla, donde varias corrientes de entrada</p><p>se combinan para producir una corriente de salida única, mientras que en otros casos una</p><p>corriente de entrada individual se divide en varias corrientes de salida de acuerdo con algunas</p><p>características del material.</p><p>4.2.1 Mezclar corrientes de flujo de múltiples materiales</p><p>Debido a que las ecuaciones de balance de masa y de balance de volumen en realidad son la mis-</p><p>ma, no es posible desarrollar más que una ecuación de balance de materia para una caja negra, a</p><p>menos que haya más de un material involucrado en el flujo. Considere el ejemplo 4.5, donde se</p><p>analiza el flujo de sedimento en ríos (expresado como masa de sólidos por unidad de tiempo).</p><p>EJEMPLO</p><p>4.5 Problema Los ríos Allegheny y Monongahela se unen en Pittsburgh para formar el poderoso</p><p>Ohio. El Allegheny, que fluye al sur a través de bosques y poblados pequeños, corre con un flujo</p><p>promedio de 340 pies cúbicos por segundo (cfs) y tiene una carga baja de sedimento, 250 mg/L.</p><p>El Monongahela, por otra parte, va hacia el norte con un flujo de 460 cfs a través de antiguas</p><p>ciudades acereras y tierras de cultivo pobres, acarreando una carga de sedimento de 1,500 mg/L.</p><p>a) ¿Cuál es el flujo promedio en el río Ohio?</p><p>b) ¿Cuál es la concentración de sedimento en el Ohio?</p><p>Solución Siga las reglas generales.</p><p>Paso 1. Dibuje el sistema. La figura 4.9 muestra la confluencia de los ríos con los flujos iden-</p><p>tificados.</p><p>4.2 Balances de materia con múltiples materiales 115</p><p>QO = ?</p><p>CO = ?</p><p>QO = ?</p><p>CO = ?</p><p>QA = 340 cfs</p><p>CA = 250 mg/L</p><p>QA = 340 cfs</p><p>CA = 250 mg/L</p><p>QM = 460 cfs</p><p>CM = 1,500 mg/L</p><p>QM = 460 cfs</p><p>CM = 1,500 mg/L</p><p>Monongahela</p><p>Figura 4.9 Confluencia de los ríos Allegheny y Monongahela para formar el río Ohio.</p><p>Río Allegheny</p><p>Río Ohio PITTSBURGH</p><p>Río</p><p>Monongahela</p><p>Allegheny</p><p>Ohio</p><p>Paso 2. Se agrega al boceto toda la información disponible, incluyendo las variables conoci-</p><p>das y desconocidas.</p><p>Paso 3. La confluencia de los ríos es la caja negra, como muestra la línea punteada.</p><p>Paso 4. El flujo de agua debe balancearse primero.</p><p>Paso 5. Escriba la ecuación de balance:</p><p>⎡</p><p>⎣</p><p>⎢</p><p>⎢</p><p>⎢</p><p>⎤</p><p>⎦</p><p>⎥</p><p>⎥</p><p>⎥</p><p>=</p><p>⎡</p><p>⎣</p><p>⎢</p><p>⎢</p><p>⎢</p><p>⎤</p><p>⎦</p><p>⎥</p><p>⎥</p><p>⎥</p><p>−</p><p>⎡</p><p>⎣</p><p>⎢</p><p>⎢</p><p>⎢</p><p>⎤</p><p>⎦</p><p>⎥</p><p>⎥</p><p>⎥</p><p>+</p><p>⎡</p><p>⎣</p><p>⎢</p><p>⎢</p><p>⎢</p><p>⎤</p><p>⎦</p><p>⎥</p><p>⎥</p><p>⎥</p><p>−</p><p>⎡</p><p>⎣</p><p>⎢</p><p>⎢</p><p>⎢</p><p>⎤</p><p>⎦</p><p>⎥</p><p>⎥</p><p>⎥</p><p>Gasto</p><p>de agua</p><p>ACUMULADA</p><p>Gasto</p><p>de agua</p><p>ENTRADA</p><p>Gasto</p><p>de agua</p><p>SALIDA</p><p>Gasto</p><p>de agua</p><p>PRODUCIDA</p><p>Gasto</p><p>de agua</p><p>CONSUMIDA</p><p>Debido a que se supone que este sistema se encuentra en estado estable, el primer térmi-</p><p>no es cero. Además, puesto que el agua no se produce ni se consume, los últimos dos términos</p><p>son cero. Por tanto, el balance de materia se vuelve</p><p>0 = [Agua ENTRADA] [Agua SALIDA] + 0 0</p><p>Dos ríos fluyen para entrar y uno sale, de modo que la ecuación en cfs es</p><p>0 = [ 340 + 460] − [ QO] + 0 − 0</p><p>donde QO = flujo en el Ohio.</p><p>Capítulo 4 Balances y separaciones de materia116</p><p>Paso 6. Resuelva la incógnita.</p><p>QO = 800 cfs</p><p>El proceso de solución debe repetirse ahora para el sedimento. Recuerde que el flujo de</p><p>masa se calcula como la concentración por el volumen, o</p><p>Qmasa = C × Qvolumen =</p><p>mg</p><p>L</p><p>×</p><p>L</p><p>s</p><p>=</p><p>mg</p><p>s</p><p>Empezando con el Paso 5, el balance de masa es</p><p>⎡</p><p>⎣</p><p>⎢</p><p>⎤</p><p>⎦</p><p>⎥ =</p><p>⎡</p><p>⎣</p><p>⎢</p><p>⎤</p><p>⎦</p><p>⎥ −</p><p>⎡</p><p>⎣</p><p>⎢</p><p>⎤</p><p>⎦</p><p>⎥ +</p><p>⎡</p><p>⎣</p><p>⎢</p><p>⎤</p><p>⎦</p><p>⎥ −</p><p>⎡</p><p>⎣</p><p>⎢</p><p>⎤</p><p>⎦</p><p>⎥</p><p>Sedimento</p><p>ACUMULADO</p><p>Sedimento</p><p>ENTRADA</p><p>Sedimento</p><p>SALIDA</p><p>Sedimento</p><p>PRODUCIDO</p><p>Sedimento</p><p>CONSUMIDO</p><p>De nuevo se supone que el primer término y los últimos dos son cero, de modo que la ecuación</p><p>queda</p><p>0 = [ Sedimento ENTRADA ] − [ Sedimento SALIDA ] + 0 − 0</p><p>0 = [ (CA QA) + (CM QM) ] − [ CO QO] + 0 − 0</p><p>donde C = concentración de sedimento</p><p>Â, M̂, Ô = los tres ríos</p><p>Sustituyendo la información conocida se produce</p><p>0 = [ (250 mg/L × 340 cfs) + (1,500 mg/L × 460 cfs) ] − [ CO × 800 cfs]</p><p>Observe que el flujo del Ohio es 800 cfs, según se calculó en el balance de volumen (razón por</p><p>la que se hizo primero el balance del agua).</p><p>Vea también que no hay necesidad de convertir el gasto de flujo de pies3/s a L/s debido a</p><p>que el factor de conversión sería una constante que aparecería en cada término de la ecuación</p><p>y simplemente se cancelaría.</p><p>Resuelva la ecuación:</p><p>CO = 969 mg/L ≈ 970 mg/L</p><p>En el ejemplo 4.5 todas las incógnitas, excepto una, están definidas, lo que resulta en un</p><p>cálculo sencillo para el término desconocido restante. Sin embargo, en la mayoría de las aplica-ía de las aplica- de las aplica-</p><p>ciones es necesario trabajar un poco más para obtener la respuesta, como ilustra el ejemplo 4.6.</p><p>EJEMPLO</p><p>4.6 Problema Suponga que las alcantarillas que se muestran en la figura 4.10 tienen QB = 0, y</p><p>QA y QC se desconocen. Al muestrear el flujo en el primer registro, se encuentra que la con-</p><p>centración de sólidos disueltos en el flujo que llegan al Registro 1 es de 50 mg/L. Un flujo</p><p>adicional, QB = 100 L/min, se agrega al Registro 1 y contiene 20% de sólidos disueltos.</p><p>4.2 Balances de materia con múltiples materiales 117</p><p>QB</p><p>CB = 200,000 mg/L</p><p>QB = 100 L/min</p><p>QA = ?</p><p>CA = 50 mg/L</p><p>QC = ?</p><p>CC = 1,000 mg/L</p><p>QA</p><p>QC QC</p><p>1 2</p><p>Figura 4.10 Registro como una caja negra con flujos de sólido y líquido.</p><p>(Recuerde que 1% = 10,000 mg/L.) El flujo a través del Registro 2 se muestrea y se</p><p>encuentra que contiene 1,000 mg/L de sólidos disueltos. ¿Cuál es el gasto de flujo de aguas</p><p>residuales en la alcantarilla (QA)?</p><p>Solución De nuevo, siga las reglas generales.</p><p>Paso 1. Dibuje el diagrama que se presenta en la figura 4.10.</p><p>Paso 2. Agregue toda la información, incluyendo las concentraciones.</p><p>Paso 3. El Registro 1 es la caja negra.</p><p>Paso 4. ¿Qué va a balancearse? Si los flujos están balanceados, hay dos incógnitas. ¿Puede</p><p>balancearse algo más? Suponga que se corre un balance en términos de los sólidos.</p><p>Paso 5. Escriba el balance de materia para los sólidos.</p><p>⎡</p><p>⎣</p><p>⎢</p><p>⎤</p><p>⎦</p><p>⎥ =</p><p>⎡</p><p>⎣</p><p>⎢</p><p>⎤</p><p>⎦</p><p>⎥ −</p><p>⎡</p><p>⎣</p><p>⎢</p><p>⎤</p><p>⎦</p><p>⎥</p><p>+</p><p>⎡</p><p>⎣</p><p>⎢</p><p>⎤</p><p>⎦</p><p>⎥ −</p><p>⎡</p><p>⎣</p><p>⎢</p><p>⎤</p><p>⎦</p><p>⎥</p><p>Sólidos</p><p>ACUMULADOS</p><p>Sólidos</p><p>ENTRADA</p><p>Sólidos</p><p>SALIDA</p><p>Sólidos</p><p>PRODUCIDOS</p><p>Sólidos</p><p>CONSUMIDOS</p><p>Una suposición de</p><p>estado estable permite que el primer término sea cero, y debido a que no</p><p>se producen ni consumen sólidos en el sistema, los últimos dos términos son cero, así que la</p><p>ecuación se reduce a</p><p>0 = [ flujo de sólidos de entrada ] − [ flujo de sólidos de salida ] + 0 − 0</p><p>0 = [ Q ACA + Q BCB ] − [ QC CC ] + 0 − 0</p><p>0 = Q A 50</p><p>mg</p><p>L</p><p>+ 100</p><p>L</p><p>min</p><p>200,000</p><p>mg</p><p>L</p><p>− QC 1,000</p><p>mg</p><p>L</p><p>Observe que (L/min) (mg/L) = (mg de sólidos/min). Esto da como resultado una ecuación</p><p>con dos incógnitas, así que es necesario omitir el paso 6 y proceder con el paso 7.</p><p>Capítulo 4 Balances y separaciones de materia118</p><p>Paso 7. Si resulta más de una variable desconocida del cálculo, establezca otro balance. Un</p><p>balance en términos del gasto de flujo de volumen es</p><p>⎡</p><p>⎣</p><p>⎢</p><p>⎤</p><p>⎦</p><p>⎥ =</p><p>⎡</p><p>⎣</p><p>⎢</p><p>⎤</p><p>⎦</p><p>⎥ −</p><p>⎡</p><p>⎣</p><p>⎢</p><p>⎤</p><p>⎦</p><p>⎥</p><p>+</p><p>⎡</p><p>⎣</p><p>⎢</p><p>⎤</p><p>⎦</p><p>⎥ −</p><p>⎡</p><p>⎣</p><p>⎢</p><p>⎤</p><p>⎦</p><p>⎥</p><p>Volumen</p><p>ACUMULADO</p><p>Volumen</p><p>ENTRADA</p><p>Volumen</p><p>SALIDA</p><p>Volumen</p><p>PRODUCIDO</p><p>Volumen</p><p>CONSUMIDO</p><p>Una vez más, se supone que el primer término y los últimos dos son cero, así</p><p>0 = [ Q A + Q B ] − [ QC ]</p><p>y</p><p>0 = Q A + 100 − QC</p><p>Ahora hay dos ecuaciones con dos incógnitas. Sustituya Q A = (QC − 100) en la primera</p><p>ecuación:</p><p>50(QC − 100) + 200,000(100) = 1,000QC</p><p>y resuelva</p><p>QC = 21,047 L/min ≈ 21,000 L/min y Q A = 20,947 L/min ≈ 20,900 L/min</p><p>A veces, en los cálculos de balance de materia la caja negra literalmente es una caja. Por</p><p>ejemplo, un medio difícil pero útil para estimar la relación entre la emisión de contaminantes</p><p>del aire y la calidad del mismo sobre una ciudad es el modelo de caja. En este análisis se supone</p><p>que una caja se encuentra sobre la ciudad y es tan alta como la profundidad de la mezcla de</p><p>contaminantes, y tan ancha y larga como los límites de la ciudad. El viento sopla a través de esta</p><p>caja y se mezcla con los contaminantes emitidos, lo que produce un término de concentración.</p><p>El modelo de caja puede analizarse usando los mismos principios que se acaban de exponer.</p><p>EJEMPLO</p><p>4.7 Problema Estime la concentración de dióxido de azufre (SO</p><p>2</p><p>) en el aire urbano sobre la</p><p>ciudad de San Luis si la altura de la mezcla sobre la ciudad es de 1,210 m, el ancho de la caja</p><p>perpendicular al viento es de 105 m, la velocidad promedio anual del viento es de 15,400 m/h</p><p>y la cantidad de dióxido de azufre descargada es de 1,375 106 lb/año.</p><p>Solución Primero, construya la caja sobre San Luis como se muestra en la figura 4.11.</p><p>El volumen de aire que se mueve en la caja se calcula como la velocidad por el área a</p><p>través de la cual ocurre el flujo, o Q = Av, donde v = velocidad del viento y A = área del lado</p><p>de la caja (profundidad de la mezcla por ancho).</p><p>Q</p><p>aire</p><p>= (1,210 m × 105 m)(15,400 m/h) = 1.86 × 1012 m3/h</p><p>4.2 Balances de materia con múltiples materiales 119</p><p>Figura 4.11 Modelo de caja de calidad del aire. Véase el ejemplo 4.7.</p><p>Aire + SO2</p><p>que sale</p><p>Profundidad</p><p>de la mezcla</p><p>Aire que</p><p>entra</p><p>Ancho Emisiones de SO2</p><p>San Luis</p><p>Aire</p><p>Qaire = ?</p><p>SO2 y aire</p><p>QSO2</p><p>= ?</p><p>Qaire = ?</p><p>SO2</p><p>QSO2</p><p>= 1,375 106 lb/año</p><p>En la figura también se muestra una caja simplificada. Es claro que una aplicación sencilla</p><p>de la ecuación de equilibrio de volumen mostraría [Aire ENTRADA] = [Aire SALIDA], de</p><p>modo que Q</p><p>aire</p><p>de salida es 1.86 1012 m3/h. Recordando que el flujo de masa puede expresarse</p><p>como [concentración] [flujo de volumen], un equilibrio de masa en términos de SO</p><p>2</p><p>puede</p><p>escribirse:</p><p>⎡</p><p>⎣</p><p>⎢</p><p>⎤</p><p>⎦</p><p>⎥ =</p><p>⎡</p><p>⎣</p><p>⎢</p><p>⎤</p><p>⎦</p><p>⎥ −</p><p>⎡</p><p>⎣</p><p>⎢</p><p>⎤</p><p>⎦</p><p>⎥</p><p>+</p><p>⎡</p><p>⎣</p><p>⎢</p><p>⎤</p><p>⎦</p><p>⎥ −</p><p>⎡</p><p>⎣</p><p>⎢</p><p>⎤</p><p>⎦</p><p>⎥</p><p>Gasto de SO</p><p>ACUMULADO</p><p>Gasto de SO</p><p>ENTRADA</p><p>Gasto de SO</p><p>SALIDA</p><p>Gasto de SO</p><p>PRODUCIDO</p><p>Gasto de SO</p><p>CONSUMIDO</p><p>2 2 2</p><p>2 2</p><p>Suponiendo un estado estable y sin reacciones, el balance se vuelve</p><p>0 = [7.126 × 1013 μg/h] – [(C)(1.86 × 1012 m3/h)]</p><p>donde</p><p>(1,375× 106)</p><p>lb</p><p>año</p><p>× 454</p><p>g</p><p>lb</p><p>× 106 μg</p><p>g</p><p>×</p><p>1</p><p>8,760</p><p>año</p><p>h</p><p>= 7.126 × 1013 μg</p><p>h</p><p>Resolviendo se obtiene C = 38 μg/m3.1</p><p>El dióxido de azufre tiene una historia larga como un contaminante problemático del</p><p>aire. Recuerde el episodio ocurrido en 1948 en Donora, Pennsylvania, que se mencionó en el</p><p>capítulo 1. Después de la aprobación de la legislación nacional sobre contaminación del aire,</p><p>muchas empresas de Estados Unidos se movieron al extranjero hacia islas donde el control de</p><p>Capítulo 4 Balances y separaciones de materia120</p><p>la contaminación es menos restrictivo. Siempre y cuando la contaminación se considere un</p><p>problema local, la reubicación de las plantas tiene sentido, excepto por los empleos perdidos,</p><p>por supuesto. Ahora, sin embargo, cuando reconocemos que la contaminación es una preocu-</p><p>pación global, la simple mudanza de una planta a una diferencia de algunos kilómetros quizá</p><p>no haga ninguna diferencia en su efecto sobre la atmósfera global. La Tierra se ha convertido</p><p>en nuestra caja negra.</p><p>4.2.2 Separación de corrientes de flujo de múltiples</p><p>materiales</p><p>Hasta ahora hemos analizado cajas negras que no modifican las características de los flujos</p><p>de material. En esta sección las cajas negras reciben flujos formados por mezclas de dos o más mate-</p><p>riales, y el propósito de dichas cajas es cambiar la concentración de estas entradas.</p><p>El objetivo de un separador de material es dividir un material de alimentación mezclado</p><p>en sus componentes individuales al explotar alguna diferencia en las propiedades de los mate-</p><p>riales. Por ejemplo, suponga que es necesario diseñar un dispositivo para una planta procesa-</p><p>dora de residuos sólidos que separará el vidrio triturado en dos categorías: transparente, o claro</p><p>(pedernal), y opaco (ámbar o café). Primero decida qué propiedad del material va a explotar.</p><p>Esto se vuelve el código, o señal, que se usará para decir a la máquina cómo dividir las partículas</p><p>individuales en la corriente de alimentación. En el caso del vidrio el código podría ser obviamente</p><p>la transparencia, y esta propiedad se usa en el diseño del sistema separador, como el dispositivo</p><p>que se muestra en la figura 4.12; las piezas de vidrio caen en una cinta transportadora y pasan por</p><p>un rayo de luz. Una fotocelda lee la cantidad de luz transmitida a través de la caja; si el rayo de</p><p>luz es interrumpido por una pieza de vidrio opaca, la fotocelda recibe menos luz y se activa un</p><p>electroimán que tira de una puerta a la izquierda. Una pieza de vidrio transparente no interrumpirá</p><p>el rayo de luz y la puerta no se moverá. Esta última, activada por la señal de la fotocelda, es el</p><p>interruptor que separa el material de acuerdo con el código.</p><p>Este dispositivo sencillo ilustra la naturaleza de la codificación y la conmutación: leer</p><p>una diferencia de propiedad y luego usar esa señal para efectuar la separación. La separación</p><p>Figura 4.12 Dispositivo para separar el vidrio de color del transparente; un separador</p><p>binario.</p><p>Posición de la puerta cuando el imán está apagado</p><p>Posición de la puerta cuando el imán está encendido</p><p>Resorte</p><p>Bisagra</p><p>Amplificador</p><p>y demora</p><p>Electroimán</p><p>4.2 Balances de materia con múltiples materiales 121</p><p>de material por medio del principio de codificación y conmutación es una parte integral y cen-</p><p>tral de la ingeniería ambiental.</p><p>Los dispositivos de separación de materiales no son infalibles; cometen errores. No es</p><p>posible suponer que la luz siempre identificará en forma correcta el vidrio transparente. In-</p><p>cluso con los dispositivos más complejos y que se han diseñado con mucho cuidado ocurrirán</p><p>errores, y una pieza opaca de vidrio puede terminar en una caja llena de piezas transparentes</p><p>o viceversa. La medición de cuán adecuado es el funcionamiento de la separación se basa dos</p><p>parámetros: recuperación y pureza.</p><p>Considere el separador de caja negra que se muestra en la figura 4.13. Los dos com-</p><p>ponentes x y y deben separarse de modo que x vaya a la corriente de producto 1 y y a la co-</p><p>rriente de producto 2. Por desgracia, algo de y termina por error en la corriente de producto 1</p><p>y algo de x termina en la corriente 2. La recuperación del componente x en la corriente de</p><p>producto 1 se define como</p><p>Rx1 =</p><p>x1</p><p>x0</p><p>× 100</p><p>(4.2)</p><p>donde x1</p><p>= flujo de material en la corriente de salida 1</p><p>x0 = flujo de material en la corriente de entrada</p><p>Del mismo modo, la recuperación del material y en la corriente de producto 2 puede expresarse</p><p>como</p><p>Ry2 =</p><p>y2</p><p>y0</p><p>× 100</p><p>donde y2 = flujo de material en la corriente de salida 2</p><p>y0 = flujo de material en la corriente de entrada</p><p>Si la recuperación de x y y es 100%, el separador es un dispositivo perfecto.</p><p>Suponga que ahora es necesario maximizar la recuperación de x en la corriente de pro-</p><p>ducto 1; tendría sentido reducir x</p><p>2</p><p>a la menor cantidad posible. Esto se logra de manera efectiva</p><p>cerrando la corriente de producto 2, desviando el flujo entero a la corriente de producto 1, con</p><p>lo que resulta Rx = ¡100%! Obviamente, tenemos un problema. Obtenemos una recuperación</p><p>de 100%, pero no logramos nada útil. La recuperación no puede ser el único criterio para juz-único criterio para juz-criterio para juz-</p><p>gar el desempeño de un separador. Por consiguiente, un segundo parámetro para describir la</p><p>separación es la pureza. La pureza de x al salir de la corriente 1 se define como</p><p>Px1 =</p><p>x1</p><p>x1 + y1</p><p>× 100</p><p>Una combinación de recuperación y pureza producirá los criterios de desempeño que necesi-</p><p>tamos.</p><p>0</p><p>x0 y0</p><p>x1 y1</p><p>x2 y2</p><p>1</p><p>2</p><p>Figura 4.13 Separador binario.</p><p>Capítulo 4 Balances y separaciones de materia122</p><p>EJEMPLO</p><p>4.8 Problema Suponga que un separador de latas de aluminio en una planta recicladora local</p><p>procesa 400 latas/min. Las dos corrientes de producto consisten en lo siguiente:</p><p>Total en Producto Producto</p><p>alimentación corriente 1 corriente 2</p><p>Latas de aluminio/min 300 270 30</p><p>Latas de acero/min 100 0 100</p><p>Calcule la recuperación de latas de aluminio y la pureza del producto.</p><p>Solución Observe primero que un balance de material para las latas de aluminio por minuto</p><p>produce</p><p>0 = [ ENTRADA ] − [ SALIDA ] = 300 − (270 + 30)</p><p>0 = 0 comprobación</p><p>RAl latas1 =</p><p>270</p><p>300</p><p>× 100 = 90%</p><p>PAl latas1 =</p><p>270</p><p>270 + 0</p><p>× 100 = 100%</p><p>Este separador tiene una recuperación alta y una pureza muy alta. De hecho, de acuerdo con</p><p>estos datos no hay contaminación (es decir, latas de acero) en la corriente final de las latas de</p><p>aluminio (corriente de producto 1).</p><p>Los mismos principios pueden aplicarse a un proceso ambiental más complejo, como la</p><p>sedimentación gravitacional.</p><p>EJEMPLO</p><p>4.9 Problema La figura 4-14A muestra un sedimentador gravitacional que se usa en numerosas</p><p>plantas de tratamiento de agua y de aguas residuales. Este dispositivo separa del líquido (por</p><p>lo general agua) los sólidos suspendidos, aprovechando que éstos tienen una densidad mayor</p><p>que el agua. El código para este separador es la densidad y el sedimentador es el interruptor,</p><p>lo que permite que los sólidos más densos se depositen en el fondo de un tanque del cual son</p><p>eliminados. El flujo que entra en el sedimentador se llama afluente, o alimentación; los sólidos</p><p>bajos que salen de la corriente son el desbordamiento, y los sólidos pesados, o concentrados,</p><p>que salen de la misma son el subdesbordamiento. Suponga que un sedimentador en una planta</p><p>de enchapado de metal recibe una alimentación de 40 m3/h de desecho de metal enchapado</p><p>precipitado con una concentración de sólidos suspendidos de 5,000 mg/L. Si el sedimentador</p><p>opera en un modo de estado estable, de manera que 30 m3/h de flujo salgan como desborda-</p><p>miento y éste tiene una concentración de sólidos de 25 mg/L, ¿cuáles son la concentración y la</p><p>recuperación de sólidos en el subdesbordamiento?</p><p>Solución Una vez más considere el sedimentador como una caja negra (figura 4.14B) y</p><p>proceda paso por paso para balancear primero el flujo de volumen y luego el flujo de sólidos.</p><p>Suponiendo un estado estable, el balance de volumen en metros cúbicos por hora es</p><p>4.2 Balances de materia con múltiples materiales 123</p><p>A</p><p>B</p><p>Qo = 30 m3/h</p><p>Co = 25 mg/LQi = 40 m3/h</p><p>Ci = 5,000 mg/L</p><p>Qu = ?</p><p>Cu = ?</p><p>Ci = 5,000 mg/L</p><p>Qi = 40 m3/h</p><p>Co = 25 mg/L</p><p>Qo = 30 m3/h</p><p>Cu = ?</p><p>Qu = ?</p><p>Figura 4.14 Un sedimentador por gravedad para espesamiento de sedimentos. Véase el</p><p>ejemplo 4.9.</p><p>⎡</p><p>⎣</p><p>⎢</p><p>⎤</p><p>⎦</p><p>⎥ =</p><p>⎡</p><p>⎣</p><p>⎢</p><p>⎤</p><p>⎦</p><p>⎥ −</p><p>⎡</p><p>⎣</p><p>⎢</p><p>⎤</p><p>⎦</p><p>⎥</p><p>+</p><p>⎡</p><p>⎣</p><p>⎢</p><p>⎤</p><p>⎦</p><p>⎥ −</p><p>⎡</p><p>⎣</p><p>⎢</p><p>⎤</p><p>⎦</p><p>⎥</p><p>Volumen</p><p>ACUMULADO</p><p>Volumen</p><p>ENTRADA</p><p>Volumen</p><p>SALIDA</p><p>Volumen</p><p>PRODUCIDO</p><p>Volumen</p><p>CONSUMIDO</p><p>0 = 40 − (30 + Qu) + 0 − 0</p><p>Qu = 10 m3/h</p><p>Para los sólidos el balance de masa es</p><p>0 = (Ci Qi) − [ (Cu Qu) + (Co Qo) ] + 0 − 0</p><p>0 = (5,000 mg/L)( 40 m3/h) − [ Cu(10 m3/h) + (25 mg/L)( 30 m3/h) ]</p><p>Cu = 19,900 mg/L</p><p>La recuperación de sólidos es</p><p>Ru =</p><p>Cu Qu</p><p>Ci Qi</p><p>× 100</p><p>Ru = [ (19,900 mg/L)( 10 m3/h ) × 100]/[(5,000 mg/L)( 40 m3/h ) ] = 99.5%</p><p>Capítulo 4 Balances y separaciones de materia124</p><p>En muchos estudios de ingeniería es inconveniente tener dos parámetros, como recu-</p><p>peración y pureza, que describan el desempeño de una operación unitaria. Por ejemplo, el</p><p>desempeño de dos clasificadores de aire competidores que se usan para producir combustible</p><p>derivado de desechos puede anunciarse como sigue:</p><p>R (%) P (%)</p><p>Clasificador de aire 1 90 92</p><p>Clasificador de aire 2 93 87</p><p>Es difícil establecer cuál es el mejor dispositivo. Por tanto, se han sugerido varios parámetros</p><p>de un solo valor. Para un separador binario, dos sugerencias son</p><p>EWS =</p><p>[</p><p>x1</p><p>x0</p><p>× y2</p><p>y0</p><p>]1/2</p><p>× 100</p><p>donde EWS = eficiencia de Worrell-Stessel, y</p><p>ER =</p><p>∣∣∣∣ x1</p><p>x0</p><p>− y1</p><p>y0</p><p>∣∣∣∣× 100</p><p>donde ER = eficiencia de Rietema.</p><p>Estos dos parámetros permiten efectuar comparaciones usando un solo valor, y ambos</p><p>cuentan con el beneficio de tener un rango de 0 a 100%. El uso de estas definiciones para la</p><p>eficiencia puede ilustrarse con los datos anteriores para los dos clasificadores de aire.</p><p>EJEMPLO</p><p>4.10 Problema Calcule las eficiencias para los siguientes datos usando las fórmulas de Worrell-</p><p>Stessel y Rietema.</p><p>Alimentación</p><p>(ton/día)</p><p>orgánicos/</p><p>inorgánicos</p><p>Corriente de</p><p>producto 1</p><p>(ton/día) orgánicos/</p><p>inorgánicos</p><p>Corriente de</p><p>producto 2</p><p>(ton/día) orgánicos/</p><p>inorgánicos</p><p>Clasificador de aire 1 80/20 72/6 8/14</p><p>Clasificador de aire 2 80/20 76/8 4/12</p><p>Solución Para el primer clasificador de aire:</p><p>EWS =</p><p>[</p><p>72</p><p>80</p><p>× 14</p><p>20</p><p>]1/2</p><p>× 100= 79%</p><p>ER =</p><p>∣∣∣∣72</p><p>80</p><p>− 6</p><p>20</p><p>∣∣∣∣× 100= 60%</p><p>Para el segundo clasificador de aire, EWS = 75% y ER = 55%. Es evidente que el primero es</p><p>superior.</p><p>Estos procesos ilustran la separación de un solo material en dos corrientes de producto.</p><p>Estos separadores binarios se usan para dividir una alimentación en dos partes de acuerdo con</p><p>4.2 Balances de materia con múltiples materiales 125</p><p>x10, x20,�, xn0 2</p><p>0</p><p>n</p><p>3</p><p>1</p><p>x12, x22,�, xn2</p><p>x1n, x2n,�, xnn</p><p>x13, x23,�, xn3</p><p>x11, x21,�, xn1</p><p>�</p><p>Figura 4.15 Separador polinario.</p><p>una propiedad del material, o código. Es posible imaginar también un separador polinario,</p><p>que divide un material mezclado en tres o más componentes. El desempeño de un separador</p><p>polinario también puede describirse por recuperación, pureza y eficiencia. Con referencia a la</p><p>figura 4.15, la recuperación del componente x</p><p>1</p><p>en la corriente de salida 1 es</p><p>Rx11 =</p><p>x11</p><p>x10</p><p>× 100</p><p>donde x11 = componente x</p><p>1</p><p>en la corriente de salida 1</p><p>x10 = componente x</p><p>1</p><p>en la entrada</p><p>La pureza de la corriente de producto 1 respecto al componente x</p><p>1</p><p>es</p><p>Px11 =</p><p>x11</p><p>x11 + x21 + · · · + xn1</p><p>× 100</p><p>Las eficiencias de Worrell-Stessel y Rietema son, respectivamente:</p><p>EWS =</p><p>[</p><p>x11</p><p>x10</p><p>· x22</p><p>x20</p><p>· x33</p><p>x30</p><p>· · · xnn</p><p>xn0</p><p>]1/n</p><p>× 100</p><p>ER1 =</p><p>∣∣∣∣ x11</p><p>x10</p><p>− x12</p><p>x20</p><p>− x13</p><p>x30</p><p>· · · x1n</p><p>xn0</p><p>∣∣∣∣× 100</p><p>En este separador polinario se supone que la alimentación tiene n componentes y que</p><p>el proceso de separación tiene n corrientes de producto. Una condición más general sería si</p><p>hubiera m corrientes de producto para una alimentación con n componentes, como se muestra</p><p>en la figura 4.16. Las ecuaciones para recuperación, pureza y eficiencia pueden construirse a</p><p>partir de las definiciones, como antes.</p><p>Figura 4.16 Separador polinario para n componentes y m corrientes de producto.</p><p>x10, x20,�, xn0 2</p><p>0</p><p>m</p><p>3</p><p>1</p><p>x12, x22,�, xn2</p><p>x1m, x2m,�, xnm</p><p>x13, x23,�, xn3</p><p>x11, x21,�, xn1</p><p>�</p><p>Capítulo 4 Balances y</p><p>separaciones de materia126</p><p>E N F O Q U E</p><p>Los balances de materia, también llamados balan-</p><p>ces de masa, pueden aplicarse a cualquier escala,</p><p>parte de la razón de que el concepto sea tan útil.</p><p>En Gran Bretaña, Biffaward, una organización</p><p>creada para usar los impuestos por tiraderos para</p><p>financiar subvenciones ambientales, apoyó una</p><p>iniciativa llamada The Mass Balance Movement.2</p><p>Ésta generó varios proyectos de investigación y</p><p>publicaciones que arrojaron luz sobre el valor de</p><p>los análisis de balance de materia.</p><p>Los proyectos de balance de materia exami-</p><p>naron los flujos de recursos en el Reino Unido en</p><p>diferentes formas. Los recursos se consideraron</p><p>desde el punto en el que fueron extraídos o im-</p><p>portados, manufacturados en productos, usados</p><p>y desechados, o reciclados. Algunos estudios se</p><p>enfocaron en la producción de materiales especí-</p><p>ficos, otros en sectores económicos determinados</p><p>y otros más en regiones geográficas particulares.</p><p>El concepto de balance de materia se basa</p><p>en el principio fundamental de que la materia no</p><p>puede crearse ni destruirse. Por consiguiente, la</p><p>masa de los insumos, ya sea para un proceso, una</p><p>industria o una región, debe balancear la masa de</p><p>las salidas como productos, emisiones y residuos,</p><p>y debe dar cuenta de todos los cambios en la masa</p><p>acumulada (a la que se hace referencia como exis-</p><p>tencias, digamos, la infraestructura de edificios).</p><p>Cuando se aplica de una manera sistemática,</p><p>este concepto simple y sencillo puede ayudar a la</p><p>industria, al gobierno y a otros interesados a tomar</p><p>decisiones más informadas y priorizar tanto los</p><p>problemas como las oportunidades.</p><p>Para los responsables políticos:</p><p>responsables políticos a determinar si es factible</p><p>la prohibición de un tiradero o si se necesitan</p><p>medios alternativos de manejo de materiales y</p><p>dónde.</p><p>-</p><p>den ahorrar £17.85 por alumno cada año usan-</p><p>do medidas de eficiencia de energía ayudan a</p><p>sostener las prioridades del programa de go-</p><p>bierno.</p><p>-</p><p>drio en el Reino Unido se recicla (en compara-</p><p>ción con 92% en Suiza) pueden conducir a un</p><p>estudio para contrastar los instrumentos de po-</p><p>lítica en el Reino Unido y en Suiza para saber</p><p>cómo es posible incrementar en gran medida la</p><p>tasa de reciclaje.</p><p>-</p><p>pel y el cartón usan 7.2 toneladas metricas (mt)</p><p>de pulpa cada año, de los cuales 4.9 mt se de-</p><p>rivan de residuos de papel (una tasa de recicla-</p><p>miento de 69%, incrementada de 59% en 1996),</p><p>y que también redujo su uso de agua en 70%</p><p>durante los últimos 20 años pueden resultar en</p><p>oportunidades para el reconocimiento público y</p><p>el establecimiento de objetivos futuros.</p><p>Para los negocios:</p><p>ayudar a los negocios a detectar dónde se pier-ónde se pier-nde se pier-</p><p>den recursos reciclables valiosos (como el co-</p><p>bre) en el sistema económico, ya sea que se</p><p>exporten como productos o se pierdan como</p><p>residuos. La competitividad quizá lleve a los</p><p>negocios a considerar estimaciones de existen-</p><p>cias y flujos globales y recapturar todo lo que</p><p>puedan con el objetivo de asegurar que tendrán</p><p>recursos adecuados para el futuro.</p><p>-</p><p>llones de revistas no se venden cada año podrían</p><p>conducir a formas innovadoras de publicar (por</p><p>ejemplo, por demanda) para no tener que ma-</p><p>nejar las revistas no vendidas.</p><p>Para los ingenieros:</p><p>-</p><p>col de los animales liberan alrededor de 40%</p><p>del metano del Reino Unido podría conducir</p><p>a la construcción de digestores de estiércol</p><p>Aplicaciones a gran escala de los balances de materia</p><p>4.2 Balances de materia con múltiples materiales 127</p><p>que permitan la recuperación de la energía del</p><p>metano para lograr los objetivos de emisión de</p><p>dióxido de carbono (CO</p><p>2</p><p>).</p><p>-</p><p>caron los flujos de recursos agrícolas como</p><p>22% del total de los residuos del Reino Unido</p><p>desencadenarán una mayor evaluación de los</p><p>mismos para buscar opciones de recuperación</p><p>del valor.</p><p>desecharon en el Reino Unido en 2001 podría</p><p>conducir a la consideración de las opciones de</p><p>recuperación de valor e incluso a modificacio-</p><p>nes en el diseño del producto para optimizar la</p><p>recuperación del valor sin crear contaminación</p><p>colateral.</p><p>El Consejo Nacional de Investigación (National</p><p>Research Council) en Estados Unidos estableció</p><p>un caso para el análisis del flujo de materiales simi-</p><p>lar al Mass Balance Movement. Ambos afirmaron</p><p>que se necesitan con urgencia mejores herramien-</p><p>tas y datos para analizar los flujos de materiales a</p><p>escala local, nacional y global.3 La Unión Europea</p><p>encabeza el desarrollo de métodos estandarizados</p><p>para medir los flujos de materiales.4, 5</p><p>4.2.3 Procesos complejos con múltiples materiales</p><p>Los principios precedentes de mezcla y separación usando cajas negras pueden aplicarse a un</p><p>sistema complejo con múltiples materiales al analizar el sistema como una combinación de</p><p>varias cajas negras; el procedimiento paso a paso puede aplicarse también a este sistema. En el</p><p>ejemplo 4.11 se emplean dos cajas negras además de la operación unitaria de deshidratación,</p><p>que es un paso de separación.</p><p>EJEMPLO</p><p>4.11 Problema Considere el sistema descrito en la figura 4.17. Una concentración de sólidos</p><p>C0 = 4% debe sedimentarse a otra Ce = 10% usando una centrífuga. Por desgracia, la cen-</p><p>trífuga produce un sedimento de 20% de sólidos de la alimentación de 4% de sedimento. En</p><p>otras palabras, funciona demasiado bien. Se ha decidido derivar algo del flujo de sedimento</p><p>alimentado y mezclarlo más tarde con el deshidratado (20%) a fin de producir uno que tenga</p><p>una concentración de sólidos exactamente de 10%. La cuestión es, entonces, cuánto sedimento</p><p>derivar. El gasto de flujo entrante (Q0) es de 1 galón por minuto (gpm), a una concentración de</p><p>sólidos (C0) de 4%. Aquí, y en los siguientes problemas, se supone que la gravedad específica</p><p>de los sólidos del sedimento es de 1.0 g/cm3. Es decir, los sólidos tienen una densidad igual a</p><p>la del agua, que por lo general es una buena suposición. La centrífuga produce un concentrado</p><p>(corriente de salida de baja concentración de sólidos) con una concentración de sólidos (Cc) de</p><p>0.1% y un pastel (la corriente de salida de sólidos altos concentrados) con una concentración</p><p>de sólidos (Ck) de 20%. Encuentre los gastos de flujo requeridos.</p><p>Solución</p><p>1. Considere primero la centrífuga como un separador de caja negra (figura 4.17B). Un</p><p>balance de volumen produce</p><p>Capítulo 4 Balances y separaciones de materia128</p><p>CB = CO = 4% QB = ?</p><p>QE = ?QO = 1 gal/min</p><p>CO = 4%</p><p>QA = ?</p><p>CA = 4% QK = ? CK = 20%</p><p>CE = 10%</p><p>QE = ?</p><p>QB = ?</p><p>CB = 4%</p><p>QK = ?</p><p>CK = 20%</p><p>CE = 10%</p><p>QO = 1 gal/min</p><p>QB = ?</p><p>CB = 4%</p><p>QA = ?</p><p>CA = 4%</p><p>CO = 4%</p><p>A</p><p>B DC</p><p>QA = ?</p><p>CA = 4%</p><p>QK = ?</p><p>CK = 20%</p><p>QC = ?</p><p>CC = 0.1%</p><p>QC = ?</p><p>CC = 0.1%</p><p>Figura 4.17 Centrífuga deshidratadora de sedimento. Véase el ejemplo 4.11.</p><p>Derivación</p><p>Pastel</p><p>Centrífuga</p><p>Concentrado</p><p>⎡</p><p>⎣</p><p>⎢</p><p>⎢</p><p>⎢</p><p>⎤</p><p>⎦</p><p>⎥</p><p>⎥</p><p>⎥</p><p>=</p><p>⎡</p><p>⎣</p><p>⎢</p><p>⎢</p><p>⎢</p><p>⎤</p><p>⎦</p><p>⎥</p><p>⎥</p><p>⎥</p><p>−</p><p>⎡</p><p>⎣</p><p>⎢</p><p>⎢</p><p>⎢</p><p>⎤</p><p>⎦</p><p>⎥</p><p>⎥</p><p>⎥</p><p>+</p><p>⎡</p><p>⎣</p><p>⎢</p><p>⎢</p><p>⎢</p><p>⎤</p><p>⎦</p><p>⎥</p><p>⎥</p><p>⎥</p><p>−</p><p>⎡</p><p>⎣</p><p>⎢</p><p>⎢</p><p>⎢</p><p>⎤</p><p>⎦</p><p>⎥</p><p>⎥</p><p>⎥</p><p>Volumen</p><p>de sedimento</p><p>ACUMULADO</p><p>Volumen</p><p>de sedimento</p><p>ENTRADA</p><p>Volumen</p><p>de sedimento</p><p>SALIDA</p><p>Volumen</p><p>de sedimento</p><p>PRODUCIDO</p><p>Volumen</p><p>de sedimento</p><p>CONSUMIDO</p><p>Suponiendo un estado estable,</p><p>0= QA − [QC + QK] + 0− 0</p><p>Observe que el volumen incluye el de los sólidos del sedimento y el del líquido circun-</p><p>dante. Suponiendo un estado estable, un equilibrio de sólidos en la centrífuga da</p><p>0= [QACA] − [QKCK + QCCC] + 0− 0</p><p>0= QA (4%)− QK (20%)− QC (0.1%)</p><p>Obviamente, sólo hay dos ecuaciones y tres incógnitas. Para su uso futuro, resuelva</p><p>ambas en términos de Qa, como Qc = 0.804Qa y Qk = 0.196Qa.</p><p>2. A continuación considere el segundo empalme, en el cual dos corrientes se mezclan</p><p>(figura 4.17C). Un equilibrio de volumen suponiendo un estado estable produce</p><p>0= [QB + QK] − [QE] + 0− 0</p><p>4.2 Balances de materia con múltiples materiales 129</p><p>y un balance de masa de sólidos es</p><p>0= [QBCB + QKCK] − [QECE] + 0− 0</p><p>0= QB (4%)+ QK (20%)− QE (10%)</p><p>Al sustituir y resolver para Qk produce</p><p>QK = 0.6QB</p><p>Antes se encontró</p><p>que Qk = 0.196Qa. Por tanto,</p><p>0.6QB = 0.196QA or QB = 0.327QA</p><p>3. Ahora considere la primera caja separadora (figura 4.17D). Un balance de volumen</p><p>suponiendo un estado estable produce</p><p>0= [QO] − [QB + QA] + 0− 0</p><p>De lo anterior, Qb = 0.327Qa. Al sustituir:</p><p>0= 1 gpm− 0.327QA − QA</p><p>o</p><p>QA = 0.753 gpm</p><p>y</p><p>QB = 0.327 (0.753 gpm)= 0.246 gpm</p><p>que es la respuesta al problema. Además, del balance de la centrífuga:</p><p>QC = 0.804 (0.753 gpm)= 0.605 gpm</p><p>QK = 0.196 (0.753 gpm)= 0.147 gpm</p><p>y de la caja del mezclador el balance es</p><p>0= QK + QB − QE</p><p>o</p><p>QE = QB + QK = 0.393 gpm</p><p>También está disponible una comprobación. Usando el sistema entero y suponiendo un</p><p>estado estable, un balance de volumen en gpm da</p><p>0= QO − QC − QE</p><p>0= 1.0− 0.605− 0.393= 0.002</p><p>comprobación</p><p>Capítulo 4 Balances y separaciones de materia130</p><p>La mayoría de los procesos de ingeniería ambiental implican una serie de operaciones</p><p>unitarias, cada una de las cuales pretende separar un material específico. Con frecuencia el</p><p>orden en que se emplean estas operaciones unitarias puede influir en el costo o en la eficiencia</p><p>del proceso, o en ambos. Esto se muestra en el ejemplo 4.12.</p><p>EJEMPLO</p><p>4.12 Problema Suponga que 7 toneladas de residuos plásticos triturados se clasifican en tipos</p><p>individuales de plástico. Los cuatro plásticos distintos en la mezcla tienen las siguientes can-</p><p>tidades y densidades:</p><p>Cantidad Densidad</p><p>Plástico Símbolo (toneladas) (g/cm3)</p><p>Cloruro de polivinilo PVC 4 1.313</p><p>Poliestireno PS 1 1.055</p><p>Polietileno PE 1 0.916</p><p>Polipropileno PP 1 0.901</p><p>Determine el mejor método de separación.</p><p>Solución Aunque las diferencias son pequeñas, todavía sería posible usar la densidad como</p><p>código y un aparato de flotación/inmersión como interruptor. Al elegir de manera juiciosa una</p><p>densidad de fluido apropiada, es posible hacer que una pieza de plástico se hunda o flote.</p><p>En este caso la separación más fácil es la extracción de los dos plásticos pesados (PVC</p><p>y PS) de los dos más ligeros (PE y PP). Esto se hace usando un fluido con una densidad de</p><p>1.0 g/mL, con mayor probabilidad agua común. Después de este paso, cada una de las co-</p><p>rrientes debe separarse más. La separación más difícil, la división de PE y PP, debe efectuarse</p><p>con gran cuidado, y se hace un poco más fácil después de separar el PVC y el PS. El tren del</p><p>proceso entero se muestra en la figura 4.18.</p><p>Pero, ¿este es el mejor orden de separación? Suponga que en lugar del tren de proceso</p><p>en la figura 4.18, el PVC se separa primero, lo que resulta en el proceso que se muestra en</p><p>la figura 4.19. En el caso del primer tren de proceso, el primer separador recibe todo el flujo,</p><p>7 toneladas. Las siguientes dos unidades reciben 5 y 2 toneladas cada una, para un total de</p><p>14 toneladas que se manejan. En el sistema de procesamiento alterno, el primer dispositivo</p><p>de separación debe manejar 7 toneladas, el siguiente 3 toneladas (4 se separaron) y el último</p><p>PVC</p><p>PS</p><p>PE</p><p>PP</p><p>1.313</p><p>1.055</p><p>0.916</p><p>0.901</p><p>PE y PP</p><p>0.916 y 0.901</p><p>PP 0.901</p><p>PE 0.916</p><p>Flotar</p><p>Flotar</p><p>Hundir</p><p>PVC y PS</p><p>1.313 y 1.055</p><p>PS 1.055</p><p>PVC 1.313</p><p>Flotar</p><p>Hundir</p><p>Hundir</p><p>ρ = 0.908</p><p>ρ = 1.0</p><p>ρ = 1.2</p><p>Figura 4.18 Tren de proceso para la separación de cuatro tipos de plásticos por</p><p>flotación/inmersión. Véase el ejemplo 4.12.</p><p>4.3 Balances de materia con reactores 131</p><p>2 toneladas, para un total de 12 toneladas. Por tanto, el segundo tren de proceso se preferirá en</p><p>términos de la menor cantidad total de material manejado.6</p><p>PVC, PS</p><p>PS, PE, PP</p><p>PE, PP</p><p>PE, PP</p><p>PVC</p><p>ρ = 1.2</p><p>A</p><p>PS</p><p>ρ = 1.0</p><p>B</p><p>PP</p><p>PE</p><p>ρ = 0.908</p><p>C</p><p>Figura 4.19 Un tren de proceso alternativo para la separación de plásticos por</p><p>flotación/inmersión.</p><p>En el ejemplo 4.12 deben usarse varios fluidos para hacer posible la separación de só-</p><p>lidos. Si se usa un fluido de una densidad deseada, la economía dictaría que se separe de las</p><p>partículas de plástico después de que éstas se han separado entre sí. Esto requiere un paso adi-</p><p>cional (quizá filtración) e invariablemente produce la pérdida de un poco del fluido, que debe</p><p>restituirse, lo que incrementa el costo de la separación.</p><p>A continuación se presenta un conjunto de reglas generales que se sugieren para la colo-</p><p>cación de operaciones unitarias en un tren de procesos.</p><p>1. Decida cuáles propiedades del material se explotarán (por ejemplo, magnéticas versus</p><p>no magnéticas, o grandes versus pequeñas). Éste se convierte en el código.</p><p>2. Decida cómo el código activará el interruptor.</p><p>3. Si va a separar más de un material, trate de separar primero el fácil.</p><p>4. Si va a separar más de un material, trate de separar primero el que tenga cantidades</p><p>mayores. (Esta regla puede contradecir la regla 3, y tendrá que ejercerse el juicio de</p><p>ingeniería.)</p><p>5. Si es posible, no agregue ningún material para facilitar la separación, debido a que esto</p><p>implica con frecuencia el uso de otro paso de separación para recuperar el material.</p><p>4.3 BALANCES DE MATERIA CON REACTORES</p><p>Hasta este punto hemos supuesto no sólo que el sistema se encuentra en estado estable, sino que</p><p>no hay producción ni destrucción del material de interés. Así que a continuación consideramos</p><p>un sistema en el que el material se destruye o produce en un reactor pero en el que se mantiene</p><p>la suposición de estado estable. Es decir, el sistema no cambia con el tiempo de modo que, si</p><p>los flujos se muestrean en cualquier momento dado, los resultados siempre serán los mismos.</p><p>EJEMPLO</p><p>4.13 Problema En el tratamiento de aguas residuales con frecuencia se usan microorganismos</p><p>para convertir compuestos orgánicos disueltos en más microorganismos, que después se eli-</p><p>minan de la corriente de flujo por medio de procesos como la sedimentación (o lodo). (Véase</p><p>el ejemplo 4.11.) Una de estas operaciones se conoce como el sistema de lodos activados</p><p>(sedimentación activada) que se muestra en la figura 4.20A.</p><p>Capítulo 4 Balances y separaciones de materia132</p><p>I</p><p>QE = ?</p><p>CE = 20 mg/L</p><p>E</p><p>W</p><p>QW = 0.2 mgd</p><p>CW = 1.2%</p><p>Q I = 10 mgd</p><p>C I = 50 mg/L</p><p>B</p><p>A</p><p>Figura 4.20 Sistema de lodos activados. Véase el ejemplo 4.13.</p><p>Entrada</p><p>Entrada</p><p>Aireación Sedimentación</p><p>Salida</p><p>Salida</p><p>Retorno de lodos activados</p><p>Desecho</p><p>de lodos</p><p>activados</p><p>Desecho de lodos activados</p><p>Debido a que el sistema de lodos activados convierte orgánicos disueltos en sólidos sus-</p><p>pendidos, incrementa la concentración de sólidos. Estos sólidos son los microorganismos. Por</p><p>desgracia, el proceso es tan eficiente que algunos de estos microorganismos (sólidos) deben</p><p>desecharse. El lodo de estos sólidos eliminado del sistema de lodos activados se llama desecho</p><p>de lodos activados.</p><p>Suponga que un sistema de lodos activados tiene una entrada (alimentación) de 10 mgd</p><p>en una concentración de sólidos suspendidos de 50 mg/L. El gasto de flujo de desecho de lodos</p><p>activados es de 0.2 mgd a una concentración de sólidos de 1.2%. La salida (descarga) tiene una</p><p>concentración de sólidos de 20 mg/L. ¿Cuál es la producción de desecho de lodos activados</p><p>en libras por día o, en otras palabras, cuál es la tasa de producción de sólidos en el sistema?</p><p>Suponga un estado estable.</p><p>Solución Con referencia a la figura 4.20B, el sistema entero se trata como la caja negra y se</p><p>agregan las variables.</p><p>El primer balance se encuentra en términos del volumen en mgd, lo que produce</p><p>0 = [ 10] − [ 0.2 + QE] + 0 − 0</p><p>QE = 9.8 mgd</p><p>El segundo balance se expresa en términos de los sólidos suspendidos:</p><p>⎡</p><p>⎣</p><p>⎢</p><p>⎤</p><p>⎦</p><p>⎥ =</p><p>⎡</p><p>⎣</p><p>⎢</p><p>⎤</p><p>⎦</p><p>⎥ −</p><p>⎡</p><p>⎣</p><p>⎢</p><p>⎤</p><p>⎦</p><p>⎥</p><p>+</p><p>⎡</p><p>⎣</p><p>⎢</p><p>⎤</p><p>⎦</p><p>⎥ −</p><p>⎡</p><p>⎣</p><p>⎢</p><p>⎤</p><p>⎦</p><p>⎥</p><p>Sólidos</p><p>ACUMULADOS</p><p>Sólidos</p><p>ENTRADA</p><p>Sólidos</p><p>SALIDA</p><p>Sólidos</p><p>PRODUCIDOS</p><p>Sólidos</p><p>CONSUMIDOS</p><p>4.3 Balances de materia con reactores 133</p><p>0 = [ QICI] − [ QECE + QWCW] + [ X ] − 0</p><p>donde X es la tasa a la que los sólidos se producen en el cuenco de aireación. Debido a que</p><p>todos los términos conocidos están en unidades de mgd mg/L, todos deben convertirse en</p><p>lb/día, la unidad de X. Recuerde que mgd mg/L × 8.34 = lb/día.</p><p>0 = [ QICI] − [ QECE + QWCW] + [ X ]</p><p>0 = [ (10)( 50)(</p><p>8.34) ] − [ (9.8)( 20)( 8.34) + (0.2)( 12,000)( 8.34) ] + [ X ]</p><p>X = 17,438 lb/día ≈ 17,000 lb/día</p><p>Mientras el sistema de lodos activados produce sólidos suspendidos, otros procesos en</p><p>el tratamiento de aguas residuales, como la digestión anaerobia, están diseñados para destruir</p><p>los sólidos suspendidos. El sistema de digestión anaerobia también puede analizarse con los</p><p>balances de masa.</p><p>EJEMPLO</p><p>4.14 Problema En el tratamiento de aguas residuales la digestión del sedimento produce un gas útil</p><p>(dióxido de carbono y metano), y en el curso de la digestión el sedimento se vuelve menos odo-</p><p>rífero. Los sedimentos sin tratar pueden contener microorganismos patógenos, y la digestión en</p><p>alguna medida desinfecta el sedimento y puede facilitar la deshidratación. Por lo común, la di-</p><p>gestión se lleva a cabo en el sistema de dos etapas que se muestra en la figura 4.21A. El primer</p><p>digestor, llamado digestor primario, es el reactor principal donde los microorganismos anaerobios</p><p>(sin oxígeno) convierten los sólidos orgánicos de alta energía (llamados sólidos volátiles) en gas</p><p>metano, dióxido de carbono y sólidos de baja energía que forman el sedimento digerido. El segun-</p><p>do tanque, el digestor secundario, se usa como un tanque de almacenamiento de gas un separador</p><p>de sólidos, donde los sólidos más pesados se asientan en el fondo, se drena un sobrenadante del</p><p>sedimento y se reintroduce en el proceso de tratamiento.</p><p>Suponiendo que hay condiciones de estado estable, sean los sólidos alimentados 4%, de los</p><p>cuales 70% son sólidos volátiles, y el gasto de flujo de alimentación sea 0.1 m3/s. El gas, metano</p><p>y dióxido de carbono, no contiene sólidos. Los sólidos sobrenadantes son 2%, siendo volátil</p><p>50%, y el sedimento digerido está en una concentración de sólidos de 6%, con 50% volátil. En-</p><p>cuentre el gasto de flujo del sedimento sobrenadante y digerido.</p><p>Solución Primero, dibuje de nuevo el sistema como se muestra en la figura 4.21B. Hay varios</p><p>balances posibles. Los siguientes tres son convenientes:</p><p>1. El balance de masa en términos de sólidos volátiles queda</p><p>⎡</p><p>⎣</p><p>⎢</p><p>⎤</p><p>⎦</p><p>⎥ =</p><p>⎡</p><p>⎣</p><p>⎢</p><p>⎤</p><p>⎦</p><p>⎥ −</p><p>⎡</p><p>⎣</p><p>⎢</p><p>⎤</p><p>⎦</p><p>⎥</p><p>+</p><p>⎡</p><p>⎣</p><p>⎢</p><p>⎤</p><p>⎦</p><p>⎥ −</p><p>⎡</p><p>⎣</p><p>⎢</p><p>⎤</p><p>⎦</p><p>⎥</p><p>Sólidos volátiles</p><p>ACUMULADOS</p><p>Sólidos volátiles</p><p>ENTRADA</p><p>Sólidos volátiles</p><p>SALIDA</p><p>Sólidos volátiles</p><p>PRODUCIDOS</p><p>Sólidos volátiles</p><p>CONSUMIDOS</p><p>Capítulo 4 Balances y separaciones de materia134</p><p>C0 = 4% (70% vol.)</p><p>CG = 0</p><p>CS = 2%, QS = ?</p><p>(50% volátil)</p><p>CD = 6%, QD = ?</p><p>(50% volátil)</p><p>Q0 = 0.1 m3/s</p><p>A</p><p>B</p><p>Figura 4.21 Sistema de digestión de sedimento simplificado como una caja negra. Véase</p><p>el ejemplo 4.14.</p><p>Alimentación</p><p>de sedimento</p><p>Agitado</p><p>Gas</p><p>Almacenamiento</p><p>de gas</p><p>Sobrenadante</p><p>Calor</p><p>Sedimento digerido</p><p>Digestor</p><p>primario Digestor</p><p>secundario</p><p>Gas</p><p>Alimentación de</p><p>sedimento Producción o</p><p>consumo</p><p>Sobrenadante</p><p>Sedimento</p><p>digerido</p><p>Los sólidos volátiles entran como alimentación y pueden salir como sólidos volátiles en el gas,</p><p>el sobrenadante y el sedimento digerido. Además, algunos sólidos volátiles son consumidos</p><p>por el proceso.</p><p>Recuerde que en un balance de masa la masa de los sólidos puede expresarse como el</p><p>producto del flujo y las concentraciones. Debido a que no se producen sólidos volátiles y se</p><p>supone un estado estable:</p><p>0= [Q0C0] − [QGCG + QSCS + QDCD] + 0− [X ]</p><p>donde</p><p>X = consumo de sólidos volátiles</p><p>0̂, Ĝ, Ŝ, D̂ = alimentación, gas, sobrenadante y sedimento digerido, respectivamente</p><p>El gas, por supuesto, no tiene sólidos volátiles, así que QgCg = 0. La ecuación se vuelve</p><p>0= [(0.1 m3/s)(40,000 mg/L)(0.7)] − [0+ QS(20,000 mg/L)(0.5)</p><p>+ QD(60,000 mg/L)(0.5)] + 0− [X ]</p><p>(Observe que los factores de conversión requeridos para obtener gramos por segundo se can-</p><p>celan, de modo que no se incluyen.)</p><p>Simplificando:</p><p>0= 2,800− 10,000QS − 30,000QD − X</p><p>Problemas 135</p><p>2. El balance en términos de sólidos totales es</p><p>0= [(0.1 m3/s)(40,000 mg/L)] − [0+ QS(20,000 mg/L)</p><p>+ QD(60,000 mg/L)] + [0] − [X ]</p><p>3. El balance del volumen de líquido puede aproximarse como</p><p>0= Q0 − QS − QD</p><p>debido a que el volumen de líquido en el gas es muy pequeño en comparación con las</p><p>otras corrientes de salida. No hay producción ni consumo del líquido, así que los últi-</p><p>mos términos son cero y</p><p>0= (0.1 m3/s)− QS − QD</p><p>Ahora tenemos tres ecuaciones y tres incógnitas.</p><p>1. 0= 2,800− 10,000QS − 30,000QD − X</p><p>2. 0= 4,000− 20,000QS − 60,000QD − X</p><p>3. 0= 0.1− QS − QD</p><p>Resolviendo éstas: Q</p><p>D</p><p>= 0.01 m3/s, Q</p><p>S</p><p>= 0.09 m3/s y X = 1,600 gramos de sólidos volá-</p><p>tiles eliminados por segundo.</p><p>La siguiente suposición que debe considerarse es el problema del estado estable. Este</p><p>paso requiere preparación en cuanto a los conceptos de reacciones, reactores y otras dinámicas</p><p>de proceso, que se exponen en el capítulo 5.</p><p>PROBLEMAS</p><p>4.1 Una planta de empacado de encurtidos pro-</p><p>duce y descarga una solución de salmuera de</p><p>desecho con una salinidad de 13,000 mg/L</p><p>NaCl, a un gasto de 100 gal/min, descargado</p><p>en una corriente con un gasto sobre la descarga</p><p>de 1.2 millones de gal/día y una salinidad de</p><p>20 mg/L. Debajo del punto de descarga hay un</p><p>sitio de pesca deportiva de primera y los peces</p><p>son intolerantes a las concentraciones de sal</p><p>por encima de 200 mg/L.</p><p>a) ¿Cuál debe ser el nivel de sal en la sali-¿Cuál debe ser el nivel de sal en la sali-la sali-</p><p>da para reducir el nivel en la corriente a</p><p>200 mg/L?</p><p>b) Si la planta empacadora de encurtidos</p><p>tiene que gastar 8 millones de dólares</p><p>para reducir su concentración de sal a</p><p>este nivel, no puede mantenerse en el</p><p>negocio. Más de 200 personas perderán</p><p>sus empleos. ¿Todo esto por algunas</p><p>personas a las que les gusta pescar en</p><p>la corriente? Escriba una carta al editor</p><p>expresando sus opiniones, las ventajas</p><p>y desventajas, concernientes a la acción</p><p>del estado al requerir a la planta de en-</p><p>curtidos que limpie sus descargas. Use su</p><p>imaginación.</p><p>c) Suponga ahora que la planta de encurti-</p><p>dos está 2 millas corriente arriba de un es-</p><p>tuario salobre y pide permiso para llevar</p><p>sus aguas residuales saladas al estuario</p><p>donde la salinidad es tal que el desecho</p><p>en realidad diluiría el estuario (el de-</p><p>secho tiene una concentración de sal</p><p>menor que el agua del estuario). Como</p><p>gerente de planta, escriba una carta diri-</p><p>gida al director de la División de Gestión</p><p>Ambiental del estado para solicitar una</p><p>Capítulo 4 Balances y separaciones de materia136</p><p>relajación del estándar de salinidad de la</p><p>alimentación para la planta de encurtidos.</p><p>Piense cómo formulará sus argumentos.</p><p>4.2 Sedimento primario sin tratar con una concen-</p><p>tración de sólidos de 4% está mezclado con</p><p>desecho de lodos activados en una concentra-</p><p>ción de sólidos de 0.5%. Los flujos son 20 y 24</p><p>gal/min, respectivamente. ¿Cuál es la concen-</p><p>tración de sólidos resultante? Esta mezcla se</p><p>espesa a continuación a una concentración de</p><p>sólidos de 8%. ¿Cuáles son las cantidades (en</p><p>galones por minuto) del sedimento espesado y</p><p>del desbordamiento del espesante (agua) produ-</p><p>cidas? Suponga que el espesante captura sólidos</p><p>perfectos.</p><p>4.3 Las concentraciones de entrada y salida de una</p><p>planta de tratamiento de aguas residuales de</p><p>10 mgd de varios metales son:</p><p>Concentración del metal</p><p>Metal</p><p>Entrada</p><p>(mg/L)</p><p>Salida</p><p>(mg/L)</p><p>Cd 0.012 0.003</p><p>Cr 0.32 0.27</p><p>Hg 0.070 0.065</p><p>Pb 2.42 1.26</p><p>La planta produce un pastel de sedimento</p><p>deshidratado a una concentración de sólidos</p><p>de 22% (por peso). Los registros de la planta</p><p>muestran que se dispone de 45,000 kg de sedi-</p><p>mento (húmedo) en una pradera por día. El es-</p><p>tado ha restringido la disposición de sedimento</p><p>en tierra sólo a sedimentos que tengan concen-</p><p>traciones de metal menores que las siguientes:</p><p>Metal</p><p>Concentración de metal máxima</p><p>permisible (mg metal/kg de</p><p>sólidos de sedimento secos)</p><p>Cd 15</p><p>Cr 1,000</p><p>Hg 10</p><p>Pb 1,000</p><p>¿El sedimento cumple con estos estándares?</p><p>a) Suponga que el gasto (mgd de sedimen-</p><p>to) es despreciable comparado con el</p><p>gasto de la entrada. Es decir, suponga</p><p>que Q</p><p>afluente</p><p>futuras generaciones para satisfacer sus pro-</p><p>pias necesidades”. El desarrollo sostenible (conocido también como “sostenibilidad”) significa</p><p>cosas distintas para las personas y comunidades diferentes, dependiendo de la índole de sus</p><p>actividades y los contextos cultural, geográfico, económico y ambiental en que operan.</p><p>En el pasado la ingeniería ambiental era una profesión reactiva, es decir, que reaccionaba</p><p>ante los problemas generados por el crecimiento poblacional del mundo y el aumento en nuestro</p><p>nivel de vida. Sin embargo, es posible extrapolar las dificultades que enfrentarán los ingenieros</p><p>ambientales en el futuro. Por ejemplo, sabemos que los problemas de contaminación que apenas</p><p>hace algunas décadas eran de índole local, ocurren ahora a escala mundial. También sabemos</p><p>que el uso y la descarga continuos de sustancias químicas nuevas y viejas en el ambiente tendrán</p><p>efectos impredecibles y a veces sinérgicos, y que el enfoque exclusivo en la eficiencia energética</p><p>y otras mejoras en la eficiencia no permitirán enfrentar de manera adecuada las limitaciones de</p><p>recursos que surgen a medida que crecen las poblaciones y mejora la calidad de vida en los paí-</p><p>ses en desarrollo. Los ingenieros ambientales, ahora y en el futuro, desempeñarán una función</p><p>medular en la consecución del desarrollo sostenible.</p><p>Huelga decir que la formación en la ingeniería sanitaria clásica basada en la hidráulica</p><p>aplicada, la salud pública y los procesos de ingeniería química es inadecuada para enfrentar</p><p>estos problemas complejos. La nueva generación de ingenieros ambientales responsables de la</p><p>protección de la salud humana y el ambiente abarcarán las ciencias naturales y abordarán, en un</p><p>nivel de vanguardia, consideraciones relacionadas con la aplicación de las ciencias biológicas</p><p>y químicas, como la nanotecnología, biotecnología y tecnología de la información, así como la</p><p>muerte y toxicidad química y el impacto de todo esto en el ciclo de vida. Los ingenieros ambien-</p><p>Capítulo 1 Identificación y resolución de problemas ambientales6</p><p>tales también aprenderán mucho de los procesos industriales, incluido el diseño y desarrollo</p><p>de productos. Y, por último, dado que estas cuestiones son del dominio público, aprenderán a</p><p>aplicar las ciencias sociales como la política pública, las comunicaciones y la economía, y a</p><p>trabajar con diversos grupos de interés para resolver los problemas. Dado que es poco probable</p><p>que todos estos temas se incluyan por completo en los planes de estudios de la ingeniería civil</p><p>o ambiental, los estudiantes necesitarán cursar dichas materias en programas académicos rela-</p><p>cionados, como administración de empresas, gestión y ciencias ambientales y política pública.</p><p>Los ingenieros ambientales utilizarán su formación en diseño para ser proactivos y pre-</p><p>ventivos en la elaboración de soluciones. A medida que se alejen de un modelo de tratamiento</p><p>terminal de los problemas e incluso más allá de la prevención de la contaminación por medio</p><p>de controles de ingeniería, se moverán hacia el uso del diseño para evitarlos desde el prin-</p><p>cipio. Los campos de la ingeniería como la química ecológica, la ingeniería ecológica y el</p><p>diseño del ambiente, que se estudian en varias secciones de este libro de texto, ayudarán a los</p><p>ingenieros ambientales y de otras disciplinas a desarrollar productos (y fomentar el manejo</p><p>de materiales) sostenibles.</p><p>A medida que aumenta la complejidad de los problemas que enfrentan los ingenieros</p><p>ambientales, crece también la necesidad de principios y marcos de referencia que orienten la</p><p>generación de soluciones. En el año 2003, aproximadamente 65 ingenieros y científicos acorda-</p><p>ron en Sandestin, Florida, crear un conjunto de principios para la ingeniería ecológica (también</p><p>conocida como ingeniería “verde”). La Agencia de Protección Ambiental de Estados Unidos</p><p>(USEPA; U.S. Environmental Protection Agency) define la ingeniería ecológica como “el di-</p><p>seño, la comercialización y el uso de procesos y productos [que] son factibles y económicos y,</p><p>al mismo tiempo, que reducen al mínimo: 1) la generación de contaminación desde su origen,</p><p>y 2) el riesgo para la salud humana y el ambiente”. El grupo concibió una serie de principios</p><p>que, al abordar los aspectos sociales, llegaron más allá de lo que se consideraba el alcance de</p><p>la ingeniería ecológica. Como tales, se les conoce como los Principios de Sandestin para la</p><p>Ingeniería Sostenible (o, simplemente, Principios de Sandestin).1, 2 También se han creado otros</p><p>conjuntos de principios para respaldar el diseño y desarrollo de productos y procesos que tienen</p><p>beneficios para la salud humana y el ambiente. Entre éstos se encuentran los 12 Principios de</p><p>Química Ecológica y los 12 Principios de Ingeniería Ecológica.3 La USEPA ha adoptado los</p><p>nueve Principios de Sandestin como los Principios de Ingeniería Ecológica. En conjunto, éstos</p><p>constituyen una guía y un marco de referencia amplio para todos los ingenieros que buscan</p><p>coadyuvar a resolver los problemas del siglo xxi y caracterizan muy bien la función cada vez</p><p>más amplia que desempeña el ingeniero ambiental (tabla 1.1).</p><p>La ingeniería sostenible transforma las disciplinas y prácticas de la ingeniería existentes</p><p>en otras que fomentan la sostenibilidad; incorpora el desarrollo y la implementación de pro-</p><p>ductos, procesos y sistemas viables desde los puntos de vista tecnológico y económico que</p><p>promueven el bienestar humano y, al mismo tiempo, protegen la salud y fomentan la protec-</p><p>ción de la biosfera como un criterio en las soluciones de ingeniería.</p><p>Estos principios sirven como guía para los ingenieros ambientales en todo tipo de em-</p><p>pleos (ya sea en el gobierno, los servicios de asesoría, el ámbito académico o el sector pri-</p><p>vado). El público reconoce y aprecia la labor del ingeniero ambiental y está preparado para</p><p>utilizar los recursos sociales a fin de lograr la sostenibilidad. La comunidad de ingenieros am-</p><p>bientales profesionales debe prepararse ahora para enfrentar este reto, así como para garantizar</p><p>que siguen logrando la profundidad de conocimientos y el dominio técnico que cabe esperar de</p><p>ellos, que se complemente con la capacidad para entender los problemas en el nivel del sistema</p><p>y colaborar en forma productiva con expertos y legos de otras disciplinas y sectores.</p><p>1.2 Estudios de caso 7</p><p>Tabla 1.1 Principios de Sandestin para la Ingeniería Sostenible</p><p>1. Emplear sistemas de análisis y herramientas de evaluación del impacto ambiental en forma</p><p>integral en la ingeniería de procesos y productos.</p><p>2. Conservar y mejorar los ecosistemas naturales protegiendo al mismo tiempo la salud y el</p><p>bienestar humanos.</p><p>3. Aplicar un razonamiento que contemple el ciclo de vida en todas las actividades de la</p><p>ingeniería.</p><p>4. Asegurarse de que todos los insumos y productos materiales y energéticos sean</p><p>inherentemente seguros y benignos en la medida de lo posible.</p><p>5. Reducir al mínimo el agotamiento de los recursos naturales.</p><p>6. Esforzarse en prevenir la generación de residuos.</p><p>7. Desarrollar y aplicar soluciones por medio de la ingeniería mientras se tiene conciencia de</p><p>la geografía local, las aspiraciones y las culturas en la que se encuentra el problema.</p><p>8. Crear soluciones por medio de la ingeniería más allá de las tecnologías actuales o</p><p>predominantes; innovar, mejorar e inventar (tecnologías) para alcanzar la sostenibilidad.</p><p>9. Hacer que las comunidades y los grupos de interés participen de manera activa en el</p><p>desarrollo de las soluciones que la ingeniería puede ofrecer.</p><p>1.2 ESTUDIOS DE CASO</p><p>A continuación aparecen ejemplos de problemas ambientales que se han identificado y resuelto.</p><p>Se ilustran algunos principios y controversias inherentes al campo de la ingeniería ambiental.</p><p>1.2.1 El brote de hepatitis en Holy Cross College</p><p>Después del juego de Dartmouth en 1969, todos los integrantes del equipo de fútbol americano</p><p>del Holy Cross College enfermaron.4 Sufrieron fiebre elevada,</p><p>= Q</p><p>efluente</p><p>, donde Q = gasto de</p><p>flujo en mgd. Compruebe para ver si es</p><p>una suposición válida.</p><p>b) No haga la suposición anterior, pero</p><p>piense que la densidad de los sólidos en</p><p>el sedimento es más o menos la del agua,</p><p>de modo que 1 kg de sedimento repre-</p><p>senta un volumen de 1 L.</p><p>4.4 Dos matraces contienen 40% y 70% por volu-</p><p>men de formaldehído, respectivamente. Si 200 g</p><p>del primer matraz y 150 g del segundo se</p><p>mezclan, ¿cuál es la concentración (expresada</p><p>como porcentaje de formaldehído por volu-</p><p>men) del formaldehído en la mezcla final?</p><p>4.5 Una planta textil descarga un residuo que con-</p><p>tiene 20% de tinte de los tanques. La intensidad</p><p>del color es demasiado alta y el estado ha pedi-</p><p>do al gerente de la planta que reduzca el color</p><p>en la descarga. El químico de la planta dice al</p><p>gerente que el color no sería problema si hubie-</p><p>ra no más de 8% de tinte en el agua residual.</p><p>El gerente de la planta decide que la forma más</p><p>barata de hacer esto es diluir 20% de la corriente</p><p>de desecho con agua potable de modo que se</p><p>produzca un residuo de tinte de 8%. El flujo del</p><p>agua residual con tinte de 20% es 900 gal/min.</p><p>a) ¿Cuánta agua potable se necesita para la</p><p>dilución?</p><p>b) ¿Qué piensa de este método de control de</p><p>la contaminación?</p><p>c) Suponga que el gerente de la planta di-</p><p>luye su residuo y el personal regulador</p><p>del estado supone que la planta en rea-</p><p>lidad elimina el tinte antes de descargar.</p><p>El gerente de la planta, debido a que lle-</p><p>va a cabo una operación rentable, es pro-</p><p>movido a la matriz corporativa. Un día</p><p>se le pide que prepare una presentación</p><p>para el consejo corporativo (los direc-</p><p>tores) sobre cómo fue capaz de ahorrar</p><p>tanto dinero en el tratamiento de aguas</p><p>residuales. Elabore una representación</p><p>breve para esta reunión, empezando con</p><p>la presentación del ex gerente de la plan-</p><p>ta. Por supuesto, él intentará convencer</p><p>al consejo de que hizo lo correcto. ¿Cuál</p><p>Problemas 137</p><p>I II</p><p>A0 = 10 tonelada/hora</p><p>A1 = 1 tonelada/hora</p><p>B1 = 25 toneladas/hora</p><p>A3 = ?</p><p>B3 = ?</p><p>A2 = ?</p><p>B2 = ?</p><p>A4 = 1 tonelada/hora</p><p>B4 = 3 toneladas/hora</p><p>B0 = 30 toneladas/hora</p><p>sería la reacción del consejo? Incluya en</p><p>su guión al presidente de la compañía, al</p><p>tesorero, al asesor legal y a cualquier otro</p><p>personaje que desee inventar.</p><p>4.6 Un sistema de secado de sedimento capi-</p><p>lar opera a una velocidad de alimentación de</p><p>200 kg/h y acepta un sedimento con un con-</p><p>tenido de sólidos de 45% (55% de agua). El</p><p>sedimento seco es 95% sólidos (5% agua) y</p><p>la corriente de líquido contiene 8% de sólidos.</p><p>¿Cuál es la cantidad de sedimento seco y cuál</p><p>es el flujo de líquidos y sólidos en la corriente</p><p>de líquido?</p><p>4.7 Una planta procesadora de residuos sólidos</p><p>tiene dos clasificadores que producen un com-</p><p>bustible derivado del desecho (CDD) de una</p><p>mezcla de orgánico (A) e inorgánico (B). Un</p><p>esquema de una porción de la planta y las ve-</p><p>locidades de flujo conocidas se muestran en la</p><p>figura 4.22.</p><p>a) ¿Cuál es el flujo de A y B del Clasificador I</p><p>al Clasificador II [Q</p><p>A2</p><p>y Q</p><p>B2</p><p>]?</p><p>b) ¿Cuál es la composición de la corriente</p><p>de salida del Clasificador II (Q</p><p>A3</p><p>y Q</p><p>B3</p><p>)?</p><p>c) ¿Cuál es la pureza del CDD y la recupe-¿Cuál es la pureza del CDD y la recupe-D y la recupe-</p><p>ración del componente A?</p><p>4.8 Un separador acepta aceite de desecho a 70%</p><p>de aceite y 30% de agua por peso. La corriente de</p><p>producto principal es aceite puro, mientras que</p><p>el subdesbordamiento de fondo contiene 10%</p><p>de aceite. Si un flujo de 20 gal/min se alimenta</p><p>al tanque, ¿cuánto aceite se recupera?</p><p>4.9 La fábrica de mermelada Mamá Gansa hace</p><p>mermelada combinando grosella negra y azú-</p><p>car a una razón de peso de 45:55. Esta mezcla</p><p>se calienta para evaporar el agua hasta que la</p><p>mermelada final contiene un tercio de agua. Si</p><p>las grosellas negras originalmente contienen</p><p>80% de agua, ¿cuántos kilogramos de grosellas</p><p>se necesitan para hacer 1 kg de mermelada?</p><p>4.10 El diagrama de flujo de la figura 4.23 en la si-</p><p>guiente página muestra el flujo de material en</p><p>un incinerador de recuperación de calor.</p><p>a) ¿Cuánta ceniza volante se emitirá de la</p><p>chimenea (combustión) por tonelada de</p><p>residuo quemado?</p><p>b) ¿Cuál es la concentración de los parti-</p><p>culados (ceniza volante) en la chimenea,</p><p>expresada como μg/m3 (μg de ceniza</p><p>volante por m3 de gases emitidos por el</p><p>tiro de la chimenea)? Suponga una den-</p><p>sidad de 1 tonelada/500 m3.</p><p>4.11 Un precipitador electrostático para una plan-</p><p>ta de energía a base de combustión de carbón</p><p>tiene una recuperación general de particulados</p><p>de 95%. (Elimina 95% de todos los particula-</p><p>dos de la combustión del gas que entran.) El</p><p>ingeniero de la compañía decide que esto es</p><p>demasiado bueno, que no es necesario ser tan</p><p>eficiente, y propuso que parte del gas de la</p><p>combustión sea distribuido alrededor del pre-</p><p>cipitador electrostático de modo que la recupe-</p><p>ración de ceniza volante (particulados) del gas</p><p>de la combustión sería sólo de 85%.</p><p>a) ¿Qué fracción de la corriente del gas de</p><p>la combustión sería necesario distribuir?</p><p>b) ¿Qué piensa que quiere decir el ingenie-</p><p>ro con “demasiado bueno”? Explique sus</p><p>procesos de pensamiento. ¿Algún dis-</p><p>Figura 4.22 Clasificadores de aire que producen un combustible derivado del desecho.</p><p>Véase problema 4.7.</p><p>Combustible derivado del desecho</p><p>Alimentación</p><p>Residuo Residuo</p><p>Capítulo 4 Balances y separaciones de materia138</p><p>positivo de control de la contaminación</p><p>podría ser alguna vez “demasiado bue-</p><p>no”? De ser así, ¿en qué circunstancias?</p><p>Escriba un ensayo de una página titulado</p><p>“¿El control de la contaminación puede</p><p>ser alguna vez demasiado eficaz?” Use</p><p>ejemplos para exponer su caso.</p><p>4.12 Dos fabricantes de clasificadores de aire mencio-</p><p>nan el siguiente desempeño para sus unidades:</p><p>Fabricante A: Recuperación de orgánicos = 80%</p><p>Recuperación de inorgánicos = 80%</p><p>Fabricante B: Recuperación de orgánicos = 60%</p><p>Pureza del extracto = 95%</p><p>Suponga que la alimentación consiste en 80%</p><p>de orgánicos. ¿Cuál unidad es mejor? Nota: Se</p><p>supone que el clasificador de aire separa los</p><p>orgánicos de los inorgánicos.</p><p>4.13 Un paquete de planta de tratamiento de agua</p><p>consiste en filtración y sedimentación, ambos</p><p>diseñados para eliminar sólidos, pero de dife-</p><p>rentes tamaños. Suponga que la eliminación de</p><p>sólidos de los dos procesos ocurre así:</p><p>Sólidos</p><p>pequeños</p><p>Sólidos</p><p>grandes</p><p>Filtro 90% 98%</p><p>Tanque de sedimentación 15% 75%</p><p>Si los dos tipos de sólidos son cada uno 50% por peso,</p><p>¿sería mejor colocar el filtro antes del tanque de sedi-</p><p>mentación en el tren de proceso? ¿Por qué?</p><p>4.14 Un ciclón que se usa para eliminar la ceni-</p><p>za volante de una chimenea en una planta de</p><p>energía por combustión de carbón tiene las si-</p><p>guientes recuperaciones de los particulados de</p><p>varios tamaños:</p><p>Tamaño</p><p>(�m)</p><p>Fracción del</p><p>total, por peso Recuperación</p><p>0–5 0.60 5</p><p>5–10 0.18 45</p><p>10–50 0.12 82</p><p>50–100 0.10 97</p><p>¿Cuál es la recuperación general de particula-es la recuperación general de particula-</p><p>dos de ceniza volante?</p><p>4.15 En el control de la lluvia ácida, las emisiones</p><p>de azufre de una planta de energía pueden</p><p>controlarse cepillando y rociando los gases</p><p>de la combustión con una pasta aguada de cal,</p><p>Ca(OH)</p><p>2</p><p>. El calcio reacciona con el dióxido de</p><p>azufre para formar sulfato de calcio, CaSO</p><p>4</p><p>, un</p><p>polvo blanco suspendido en agua. El volumen</p><p>de esta pasta aguada es bastante grande, de</p><p>modo que tiene que ser concentrada. Suponga</p><p>que una planta de energía produce 27 tonela-</p><p>Figura 4.23 Flujo de material en un incinerador de residuos sólidos. Véase problema 4.10.</p><p>5,000 lb vapor (~500 °F, 150 psi)</p><p>Condensador</p><p>Retorno de agua</p><p>Aire</p><p>(6.4 toneladas)</p><p>Cámara del</p><p>horno de</p><p>combustión</p><p>Gases de</p><p>combustión del</p><p>horno</p><p>(7.2 toneladas,</p><p>20 lb de ceniza</p><p>volante)</p><p>Caldera</p><p>Gases de</p><p>combustión</p><p>(7.2 toneladas) Control de la</p><p>contaminación</p><p>del aire</p><p>Agua</p><p>aportada</p><p>y ceniza</p><p>volante</p><p>(20</p><p>náuseas y dolor abdominal, y</p><p>presentaron ictericia, todas características de la hepatitis. Durante los siguientes días cayeron</p><p>enfermos más de 87 integrantes del programa de fútbol: jugadores, entrenadores, instructores</p><p>físicos y otros miembros del personal. La institución universitaria canceló el resto de la tempo-</p><p>rada y se convirtió en el centro de un misterio epidemiológico. ¿Cómo pudo contraer hepatitis</p><p>contagiosa todo un equipo de fútbol?</p><p>Se piensa que la enfermedad se transmitió en su mayoría de persona a persona. Hay varios</p><p>tipos de virus de hepatitis, cuyos efectos son muy diversos en los seres humanos. El menos fatal</p><p>es el de la hepatitis A, que da por resultado varias semanas de incapacidad y pocas veces tiene</p><p>consecuencias duraderas; sin embargo, las hepatitis B y C pueden ocasionar problemas graves</p><p>(sobre todo daño al hígado) y duran varios años. En el momento de la epidemia en el Holy Cross</p><p>College el virus de la hepatitis no se había aislado aún y poco se sabía de su etiología y efectos.</p><p>Cuando la universidad cobró conciencia de la gravedad de la epidemia, solicitó y recibió</p><p>ayuda de organismos estatales y federales, que enviaron epidemiólogos a Worcester. Su primera</p><p>tarea fue reunir la mayor cantidad de información posible sobre los integrantes del equipo de</p><p>fútbol: con quién habían estado, a dónde había ido y qué habían comido y bebido. Luego, el</p><p>Capítulo 1 Identificación y resolución de problemas ambientales8</p><p>objetivo fue deducir a partir de todas estas pistas cómo se había generado la epidemia. Parte de</p><p>la información que conocieron y averiguaron fue la siguiente:</p><p>-</p><p>fección tenía que haber ocurrido en algún momento antes del 29 de agosto o alrededor</p><p>de esa fecha.</p><p>no estaban infectados.</p><p>infectados.</p><p>ninguno de ellos contrajo la enfermedad.</p><p>de los novatos se infectó, era poco probable que el comedor fuera el origen.</p><p>-</p><p>rantes en donde los mariscos contaminados hubieran sido la fuente del virus.</p><p>-</p><p>sión del Gatorade propia de Holy Cross), pero como el personal de la cocina la probaba</p><p>antes y después de ir al campo de prácticas y ninguno de ellos contrajo la hepatitis, no</p><p>pudo ser la bebida.</p><p>La falta de opciones obligó a los epidemiólogos a concentrarse en el suministro de agua. La</p><p>universidad recibe el agua de la ciudad de Worcester y una línea subterránea la lleva desde</p><p>Dutton Street, un callejón, hasta el campo de prácticas de fútbol, en donde se utiliza un be-</p><p>bedero durante el entrenamiento. Las muestras que se tomaron del bebedero confirmaron que</p><p>no estaba contaminado. Sin embargo, la ausencia de contaminación durante el muestreo no</p><p>descartaba la posibilidad de una transmisión de la enfermedad a través de esta línea de agua.</p><p>La línea llegaba hasta el campo de prácticas a través de un conducto que pasaba por una serie</p><p>de pozos y cajas de aspersión subterráneas que se utilizaban para regar el campo (figura 1.1).</p><p>Hubo otros dos datos que resultaron cruciales. Se descubrió que en una de las casas de</p><p>Dutton Street había niños con hepatitis. Ellos jugaban cerca de las cajas de aspersión en las</p><p>noches de verano y a menudo las abrían para chapotear en el agua de los pequeños estanques</p><p>que se formaban en los pozos. Pero si los niños la habían contaminado, ¿cómo entró el agua</p><p>desde esos estanques hasta la línea si ésta siempre estaba bajo presión positiva?</p><p>La pieza final del rompecabezas se colocó cuando los epidemiólogos descubrieron que</p><p>había ocurrido un gran incendio en Worcester durante la noche del 28 de agosto, que duró hasta</p><p>las primeras horas del día siguiente. La demanda de líquido para sofocar este incendio fue tan</p><p>grande que las residencias de Dutton Street se quedaron sin presión de agua. Es decir, las bom-</p><p>bas con las que se intentaba extinguir el incendio expulsaban agua en un grado tan alto que la</p><p>Población</p><p>Bebedero (área</p><p>de hidratación)</p><p>Campo de fútbol</p><p>americano</p><p>Aspersor</p><p>Campo de golf</p><p>Conducto</p><p>Hidrante</p><p>Figura 1.1 El conducto que llevaba el agua al campo de prácticas de Holy Cross</p><p>provenía de Dutton Street y atravesaba varias cajas de aspersión.</p><p>1.2 Estudios de caso 9</p><p>presión en el conducto se volvió negativa. Si, además, los niños dejaron abiertas algunas válvulas</p><p>en las cajas de aspersión y el agua en torno a ellas se contaminó, el virus de la hepatitis debió</p><p>entrar en la línea de agua potable. A la mañana siguiente, cuando la presión en las líneas de agua</p><p>se restableció, la que se contaminó fue llevada por efecto de la presión hasta el extremo de la línea</p><p>(el bebedero en el campo de fútbol) y todos esos jugadores, entrenadores y demás personas que</p><p>la bebieron contrajeron hepatitis.</p><p>Este caso ilustra una conexión transversal clásica, o el contacto físico entre agua potable</p><p>tratada y agua contaminada, y las consecuencias potencialmente graves de esas conexiones. Uno</p><p>de los objetivos de la ingeniería ambiental consiste en diseñar sistemas que protejan la salud</p><p>pública. En el caso de las tuberías, los ingenieros necesitan crear sistemas en los que se evite</p><p>incluso la posibilidad de que haya conexiones transversales, aunque, como muestra el incidente</p><p>del Holy Cross College, es poco probable que puedan anticipar todas las posibilidades.</p><p>Preguntas para reflexionar</p><p>1. La próxima vez que beba agua de un bebedero o la compre en una botella, ¿cuáles serían</p><p>sus expectativas sobre la calidad de la misma? ¿Quién sería con exactitud el responsable</p><p>de satisfacer esas expectativas? (Cuidado con esta última pregunta. Recuerde que usted</p><p>[por fortuna] vive en una democracia.)</p><p>2. Dado lo que ahora sabemos sobre la hepatitis, ¿en qué pudo ser diferente la investigación</p><p>de los epidemiólogos si el incidente hubiera ocurrido el año pasado? Aquí tendrá que</p><p>hacer una pequeña investigación. La mayoría de las universidades cuenta con excelente</p><p>información en línea sobre hepatitis y otras enfermedades contagiosas.</p><p>3. Suponga que usted es un abogado especializado en lesiones personales y que la familia</p><p>de uno de los jugadores de fútbol americano lo contrató. ¿Cómo establecería la respon-</p><p>sabilidad en este caso? ¿A quién demandaría?</p><p>1.2.2 Eliminación de los sedimentos de aguas residuales</p><p>Los sedimentos se generan en una planta de tratamiento de aguas residuales como desecho de</p><p>este proceso. Las plantas de tratamiento de aguas residuales desperdician energía porque los seres</p><p>humanos somos usuarios ineficientes de la energía química que ingerimos. Y, al igual que el me-</p><p>tabolismo del cuerpo humano, el sistema de dichas plantas es ineficiente. Si bien producen agua</p><p>limpia que luego se deposita en el canal más cercano, también generan un subproducto que aún</p><p>tiene una energía química sustancial. No es posible simplemente deshacerse de este residuo por-</p><p>que saturaría con rapidez un ecosistema acuático, provocaría perjuicios o incluso sería peligroso</p><p>para la salud humana. El tratamiento y la eliminación del sedimento de las aguas residuales</p><p>son algunos de los problemas más apremiantes para la ingeniería ambiental. (Para mitigar la</p><p>opinión pública negativa respecto a la eliminación de sedimentos, una asociación dedicada a</p><p>vigilar la calidad del agua propuso que se denominara “biosólidos” en lugar de “sedimentos”</p><p>a los productos que abandonan la planta de tratamiento. Por supuesto, es como llamar a “una</p><p>rosa con cualquier otro nombre…”.)</p><p>Dado que la eliminación de sedimentos resulta tan difícil y si es inapropiada ocasiona pro-</p><p>blemas para la salud humana, se necesitan regulaciones gubernamentales. Cuando los organis-</p><p>mos del gobierno establecen normas ambientales, la salud y el bienestar humanos se ponderan</p><p>en contraste con las consideraciones de orden económico. Esto es, ¿cuán dispuestos estamos a</p><p>pagar para tener un ambiente mucho más saludable? La premisa, o al menos la esperanza, es que</p><p>el organismo regulador cuente con la información esencial para determinar qué efecto tendrán</p><p>ciertas regulaciones en la salud humana. Por desgracia,</p><p>esto pocas veces sucede, y estos organis-</p><p>mos se ven obligados a tomar decisiones basadas en poca o ninguna información científica. El</p><p>Capítulo 1 Identificación y resolución de problemas ambientales10</p><p>regulador debe buscar un equilibrio entre los intereses contrarios y los diversos constituyentes.</p><p>(Por ejemplo, en Islandia, ¡se ha tomado con gran seriedad la presencia de los elfos y, por</p><p>tanto, las carreteras se han trazado de modo que no se cause daño a las supuestas moradas de</p><p>esas personitas!) En una democracia, el regulador representa los intereses del público. Si las</p><p>regulaciones se juzgan inaceptables, el público puede cambiarlas (¡o cambiar al regulador!).</p><p>El ejemplo de una regulación impopular en Estados Unidos fue el límite de velocidad</p><p>de 55 millas (90 kilómetros) por hora en las carreteras interestatales, que por lo general se</p><p>ignoraba y al final se revocó. Los reguladores del Departamento de Transporte de Estados</p><p>Unidos juzgaron de manera errónea la disposición del público para reducir la velocidad en</p><p>las carreteras. Los dos beneficios (reducir el consumo de gasolina y salvar vidas) eran metas</p><p>encomiables, pero la regulación se rechazó porque pedía demasiado de las personas. En el caso</p><p>del límite de velocidad, los ingenieros de transporte lograron establecer sin equivocarse que la</p><p>reducción en el límite de velocidad de 65 a 55 millas (de 110 a 90 kilómetros) por hora salvaría</p><p>casi 20,000 vidas cada año, pero este beneficio no influyó en la opinión pública. La gente no</p><p>estaba dispuesta a pagar el precio de reducir la velocidad en las carreteras.</p><p>En forma similar, las regulaciones ambientales persiguen metas admirables y justifica-</p><p>bles desde el punto de vista moral, por lo común el mejoramiento de la salud pública (o enfren-</p><p>tar lo negativo, la prevención de enfermedades o la muerte prematura); exigen que el regulador</p><p>pondere sus beneficios acumulados en contraste con sus costos. A menudo se sopesa el valor</p><p>de la protección de la salud humana y la imposición de acciones normativas que representarían</p><p>costos económicos y restricciones de la libertad al limitar las conductas contaminantes. Esto</p><p>es, el regulador, al establecer normas ambientales que mejoran la salud pública, elimina ciertas</p><p>libertades de quienes liberarían sustancias contaminantes en el ambiente; sopesa el bien de la</p><p>salud pública y la pérdida de libertad o riqueza (a efecto de reducir la primera e impedir la se-</p><p>gunda). El establecimiento de límites estrictos para las descargas de las plantas de tratamiento de</p><p>aguas residuales municipales exige el aumento de los impuestos públicos para pagar el tratamien-</p><p>to adicional. La prohibición de la descarga de los sedimentos industriales cargados de metales</p><p>pesados requiere que las empresas instalen costosos sistemas de prevención de contaminantes y</p><p>les impide deshacerse de estos desechos por medios menos onerosos. La fijación de normas</p><p>relacionadas con el agua potable genera, de igual modo, un mayor gasto de la riqueza dispo-</p><p>nible para construir mejores plantas de tratamiento. En cada caso, el regulador, al establecer</p><p>normas ambientales, sopesa el valor moral de la salud pública y de eliminar la riqueza. “No</p><p>lastimarás” en contraste con “no robarás”. Se trata de un dilema moral, y eso es justo lo que</p><p>los reguladores enfrentan.</p><p>Earle Phelps fue el primero en reconocer que la mayoría de las decisiones en materia</p><p>de regulación ambiental se toman aplicando lo que él denominó principio de conveniencia.5</p><p>Como ingeniero sanitario conocido por su trabajo de saneamiento de arroyos y la creación de</p><p>la ecuación de Streeter-Phelps para la curva de déficit de oxígeno disuelto (capítulo 8), Phelps</p><p>describió el concepto de conveniencia como “el intento por reducir el indicador numérico del</p><p>daño probable, o el indicador lógico del peligro existente, al nivel más bajo que sea posible en</p><p>términos prácticos y factibles dentro de las limitaciones que imponen los recursos financieros</p><p>y la capacidad de la ingeniería”. Reconoció que “en la práctica, pocas veces es posible obtener</p><p>la condición óptima o ideal y que resulta poco económico y, por tanto, inconveniente exigir un</p><p>método mucho más próximo a eso del que puede obtenerse con facilidad en la práctica actual</p><p>de la ingeniería y a costos justificables”. Lo que es más importante, Phelps recomendaba, para</p><p>quienes establecen las normas en la actualidad y que a menudo tienen dificultades para justifi-</p><p>car sus decisiones, que “el principio de conveniencia es el fundamento lógico para las normas</p><p>1.2 Estudios de caso 11</p><p>administrativas y debe defenderse con franqueza”. Phelps no consideraba que fuera malo el uso</p><p>de las normas como una especie de límite de velocidad a la contaminación que afecta la salud</p><p>humana. También entendía las leyes de los dividendos decrecientes y el periodo de demora de la</p><p>factibilidad técnica. Sin embargo, siempre presionó para que se redujeran los riesgos ambienta-</p><p>les a los niveles más bajos que fueran convenientes. (Observe que hay una filosofía contraria en</p><p>lo que se denomina el “principio precautorio”. Esta filosofía castiga las faltas en lo que respecta</p><p>a la precaución ante la incertidumbre para evitar los problemas que hemos creado en forma</p><p>reiterada al suponer que teníamos información adecuada cuando en realidad no era así [por</p><p>ejemplo, eliminar los desechos peligrosos en lagunas abiertas sin recubrimiento.])</p><p>La responsabilidad del regulador es incorporar la mejor ciencia disponible en la toma de</p><p>decisiones normativas. Pero surgen problemas cuando sólo se dispone de información científica</p><p>limitada. La complejidad del efecto ambiental del sedimento en la salud humana genera incerti-</p><p>dumbre científica y hace que resulte difícil eliminarlo. El problema al crear regulaciones para la</p><p>eliminación de sedimentos es que los de las aguas residuales tienen propiedades desconocidas y</p><p>dinámicas y se comportan en forma diferente en distintos medios ambientales. Los reguladores</p><p>deben determinar cuándo es problemática la presencia de sedimento y qué puede y debe hacerse</p><p>al respecto.</p><p>Ante esta complejidad, a mediados de la década de 1980 la USEPA inició un programa de</p><p>elaboración de regulaciones para la eliminación de sedimentos basado en el modelo sanitario.</p><p>El organismo esperó tanto como pudo, aunque la Ley de Agua Limpia de 1972 le demandaba</p><p>establecer esas regulaciones. La labor fue de enormes proporciones, y se sabía. Las estableció en</p><p>forma lógica, especificando primero todos los medios por los que los sedimentos perjudicaban a</p><p>los seres humanos y luego definiendo los peores escenarios. Por ejemplo, en el caso de la inci-</p><p>neración, se imaginó a una persona que vive durante 70 años en un lugar a donde, por efecto del</p><p>viento, le llega de inmediato el humo de un incinerador de sedimentos y respira las emisiones 24</p><p>horas al día. La persona nunca se desplaza, el viento nunca cambia de dirección y el incinerador</p><p>sigue emitiendo los contaminantes durante 70 años. De mayor preocupación serían los metales</p><p>volátiles, como el mercurio. Con base en evidencias epidemiológicas, como las de la tragedia de</p><p>Minemata, en Japón, y extrapolando severos órdenes de magnitud, la USEPA estimó las emisio-</p><p>nes totales admisibles de mercurio de un incinerador de sedimentos.</p><p>Al construir estos escenarios extremos, aunque por completo irreales, la USEPA creó a</p><p>manera de ensayo una serie de regulaciones para la eliminación de los sedimentos y las publicó</p><p>para recibir comentarios de las personas. Las respuestas llegaron de inmediato y fueron abru-</p><p>madoras. Recibió más de 600 respuestas oficiales, casi todas criticando el proceso, las premisas</p><p>y las conclusiones. Muchos comentarios señalaban que en la actualidad no se cuenta con datos</p><p>epidemiológicos que demuestren que la eliminación apropiada de sedimentos sea de algún modo</p><p>perjudicial para el público. Ante la falta de esa información, el establecimiento</p><p>de normas estric-</p><p>tas parecía injustificado.</p><p>Golpeada por tan adversa reacción, la USEPA abandonó el modelo sanitario y adoptó</p><p>normas de conveniencia como el principio de Phelps que define dos tipos de sedimento: uno</p><p>(clase B) que se ha tratado por medios como la digestión anaeróbica, y el otro (clase A) que</p><p>se ha desinfectado. El sedimento de clase A puede desecharse en todas las tierras de labranza,</p><p>pero el de clase B tiene restricciones, como aguardar 30 días antes de que pueda reintroducirse</p><p>el ganado en un terreno de pastoreo en el que se ha aplicado el sedimento con atomizador. El</p><p>sedimento que no se ha tratado (quizá de clase C, aunque no se designó así) no debe desecharse</p><p>en el ambiente. Esta regulación es conveniente porque todas las plantas de tratamiento de aguas</p><p>Capítulo 1 Identificación y resolución de problemas ambientales12</p><p>residuales en Estados Unidos cuentan ahora con algún tipo de estabilización de sedimentos,</p><p>como la digestión anaeróbica, y una regulación que la mayoría de ellas ya cumple y es popular.</p><p>La falta de información epidemiológica útil sobre el efecto de los elementos del sedimen-</p><p>to en la salud humana obligó a la USEPA, al crear los escenarios extremos, a equivocarse tanto</p><p>por el lado conservador que las regulaciones hubieran sido poco realistas y el público no las</p><p>habría aceptado. La ruina de las regulaciones basadas en el modelo sanitario fue que no cum-</p><p>plían con los criterios propuestos. Sin esa información el público decidió que sencillamente</p><p>no quería que se le agobiara con regulaciones que se percibían como innecesarias. La USEPA</p><p>le habría quitado demasiado al público (dinero) y habría devuelto a cambio un beneficio inde-</p><p>finido y en apariencia menor (salud). De modo que la USEPA decidió lo que era conveniente:</p><p>hacer que las plantas de tratamiento de aguas residuales hicieran lo que podían (como la diges-</p><p>tión anaeróbica en algunos casos o la desinfección por calor en otros), a sabiendas de que estas</p><p>regulaciones serían mejores que nada. Cuando aumente nuestra capacidad para el tratamiento</p><p>y decidamos gastar más dinero en el tratamiento de aguas residuales, las normas podrían endu-</p><p>recerse porque eso sería entonces lo conveniente desde el punto de vista ético.</p><p>La toma de decisiones regulatorias, como la fijación de normas para la eliminación de se-</p><p>dimentos, tiene ramificaciones de orden ético porque implica distribuir los costos y beneficios</p><p>entre los ciudadanos afectados. El principio de conveniencia es un modelo ético que exige al</p><p>regulador optimizar los beneficios de la protección de la salud reduciendo al mismo tiempo los</p><p>costos dentro de los límites de la factibilidad técnica. El principio de conveniencia de Phelps,</p><p>propuesto hace mas de 50 años, sigue siendo una aplicación útil de la ética en la que se recurre</p><p>al conocimiento científico para establecer regulaciones ambientales dinámicas y, sin embargo,</p><p>que puedan cumplirse. En el caso de la eliminación de sedimentos, la USEPA tomó una de-</p><p>cisión de carácter ético basada en el principio de conveniencia, ponderando el bien moral de</p><p>la protección a la salud humana en contraste con el daño moral de quitar riqueza al exigir un</p><p>tratamiento y una eliminación de sedimentos de aguas residuales costosos.</p><p>Preguntas para reflexionar</p><p>1. Analice sus hábitos de comportamiento desde el punto de vista del principio de conve-</p><p>niencia de Phelps.</p><p>2. Un candidato gubernamental en el estado de Nueva Hampshire presentó sus argumen-</p><p>tos sobre un solo tema: que se detuviera la descarga de sedimentos de aguas residuales</p><p>en la tierra en Nueva Hampshire. Imagine que usted tuvo la oportunidad de hacerle</p><p>tres preguntas durante un debate público. ¿Cuáles serían éstas, y cuáles considera que</p><p>podrían ser sus respuestas?</p><p>3. Se descubrió que las personas que viven en Japón, un país con una sólida mística de la</p><p>salud y la limpieza públicas, padecen resfriados más graves y frecuentes que quienes</p><p>viven en otros países. ¿Por qué esto sería cierto?</p><p>1.2.3 El episodio de Donora</p><p>Era un día común de otoño, nublado y tranquilo, al oeste de Pennsylvania en 1948.6 Los re-</p><p>sidentes de Donora, una pequeña población siderúrgica a orillas del río Monongahela,</p><p>no prestaban mucha atención a lo que parecía ser una atmósfera particularmente llena de</p><p>humo. Habían visto cosas peores. Algunos incluso recordaban días en que el aire era tan</p><p>denso que en realidad se veían tiras de carbón suspendidas en el ambiente como negros</p><p>carámbanos. Así que el desfile de Halloween de los niños se efectuó según lo programado,</p><p>lo mismo que el juego de fútbol americano de la secundaria el sábado por la tarde, aunque el</p><p>entrenador del equipo contrario aseguró que protestaría por el juego. Afirmaba que el entrena-</p><p>1.2 Estudios de caso 13</p><p>dor de Donora se las había arreglado para tener un paño de esmog sobre el campo, de tal modo</p><p>que si se lanzara un pase hacia adelante, la pelota desaparecería por completo de la vista y los</p><p>receptores no sabrían dónde reaparecería.</p><p>Pero ese día era distinto de un día usual de esmog. En la noche habían muerto ya 11 per-</p><p>sonas y 10 más fallecerían en las próximas horas. El esmog era tan denso que los médicos que</p><p>trataron a los pacientes se perdían cuando iban de una casa a otra. Para el lunes, casi la mitad</p><p>de la gente en esa pequeña población de 14,000 habitantes estaba en hospitales o enferma en</p><p>su propio hogar con dolores de cabeza graves, vómito y calambres abdominales. Las mascotas</p><p>fueron las que más sufrieron, pues todos los canarios y la mayoría de los perros y gatos morían</p><p>o agonizaban. Ni las plantas caseras fueron inmunes a los efectos del esmog.</p><p>No había vehículos de emergencia u hospitales suficientes para ayudar en una catástrofe</p><p>de esta magnitud y muchas personas murieron por la falta de una atención inmediata. Se envió</p><p>a los bomberos con tanques de oxígeno para que hicieran lo que pudieran por auxiliar a los en-</p><p>fermos más graves. No contaban con el oxígeno suficiente para todos, de modo que daban a la</p><p>gente algunas inhalaciones y procedían a ayudar a otros.</p><p>Cuando la atmósfera al final se limpió el 31 de octubre, los seis días de esmog tóxico</p><p>intenso habían cobrado su factura y el alcance completo del episodio (como se llama a estas ca-</p><p>tástrofes en la calidad del aire) se hizo evidente. La difusión que hubo en torno a Donora marcó</p><p>el inicio de una conciencia y un compromiso nuevos por controlar la calidad del aire en nuestras</p><p>comunidades. Los trabajadores de la salud pensaban que si el esmog hubiera continuado una</p><p>noche más habrían muerto casi 10,000 personas.</p><p>¿Qué es tan especial respecto a Donora que hizo posible este episodio? En primer lugar,</p><p>era una clásica población dedicada a la elaboración de acero. Tres enormes plantas industriales</p><p>se encontraban junto al río: una planta de acero, una fábrica de alambres y una planta de zinc</p><p>para galvanizar el alambre; las tres juntas producían alambre galvanizado. El río Monongahela</p><p>ofrecía el transporte hacia los mercados mundiales, y la disponibilidad de materias primas y</p><p>mano de obra confiable (a menudo importada desde Europa del este) la convertía en una em-</p><p>presa muy rentable. Durante el fin de semana, cuando se agudizó la situación de la calidad del</p><p>aire en la población, las plantas no redujeron su producción. En apariencia, sus gerentes no se</p><p>consideraron en modo alguno responsables por la condición de los ciudadanos de Donora. No</p><p>fue sino hasta el lunes por la noche, cuando se conoció la magnitud completa de la tragedia, que</p><p>apagaron los hornos.</p><p>En segundo lugar, Donora se asienta sobre una curva del río Monongahela, con elevados</p><p>acantilados hacia la parte externa de la curva, lo que crea un espacio o cuenca en el que la pobla-</p><p>ción queda en medio (figura 1.2). La noche del 25 de octubre de 1948 se produjo una condición</p><p>de inversión térmica. Esta condición meteorológica, que nada tiene que ver en sí con la contami-</p><p>nación,</p><p>sencillamente limitó el movimiento ascendente del aire y creó una especie de tapa sobre</p><p>el valle. Por tanto, los contaminantes emitidos desde las plantas siderúrgicas no podían escapar</p><p>y quedaron atrapados bajo esta tapa, con lo que se generó en forma sostenida un nivel cada vez</p><p>mayor de concentraciones de contaminantes.</p><p>Las compañías siderúrgicas insistían en que no eran culpables, y en efecto, nunca se les</p><p>atribuyó responsabilidad alguna en la investigación especial que se realizó sobre el incidente.</p><p>Operaban dentro del marco de la ley y no coaccionaron a los trabajadores para que laboraran</p><p>en sus plantas o a las personas para que vivieran en Donora. En ausencia de una legislación, las</p><p>compañías no se sentían obligadas a gastar en equipo para controlar la contaminación del aire</p><p>o modificar los procesos para disminuirla. Consideraban que si se les exigía comprar e instalar</p><p>dicho equipo quedarían en una desventaja competitiva y al final saldrían del negocio.</p><p>Capítulo 1 Identificación y resolución de problemas ambientales14</p><p>A</p><p>Escala de millas</p><p>Figura 1.2 Donora era una población siderúrgica común a orillas del río Monongahela,</p><p>al sur de Pittsburgh, con a) acantilados elevados que creaban una cuenca y b) tres plantas</p><p>siderúrgicas que producían los contaminantes.</p><p>La tragedia obligó al estado de Pennsylvania y, finalmente, al gobierno de Estados Uni-</p><p>dos a actuar y fue el impulso más grande que se dio para la aprobación de la Ley del Aire</p><p>Limpio (o Ley del Aire Normal) de 1955, aunque no fue sino hasta 1972 que se aprobó una</p><p>legislación federal efectiva. Sin embargo, en Donora y en la cercana ciudad de Pittsburgh</p><p>había una sensación de negación. El esmog y la mala calidad del aire constituían una especie</p><p>de condición machista que significaba trabajos y prosperidad. La prensa de Pittsburgh dio a</p><p>las noticias de la tragedia de Donora la misma importancia que a la fuga de los reos de una</p><p>prisión. Incluso a principios de la década de 1950 se temía que, si la gente protestaba por la</p><p>contaminación, se cerrarían las plantas y desaparecerían los empleos. Y, en efecto, la planta de</p><p>zinc (se piensa que fue la principal culpable en la formación del esmog tóxico) cerró en 1957</p><p>y las otras dos una década después. Sin embargo, Donora permanece en la memoria como el</p><p>sitio del episodio más significativo que puso en movimiento nuestro compromiso actual con</p><p>el aire limpio.</p><p>Preguntas para reflexionar</p><p>1. Años después del episodio de Donora, el periódico de la localidad se lamentó publi-</p><p>cando: “Lo mejor que podemos esperar es que la gente olvide pronto el episodio de</p><p>1.2 Estudios de caso 15</p><p>B</p><p>Figura 1.2 (Continuación.)</p><p>ÁREA URBANA</p><p>DE DONORA</p><p>ÁREA DE LA PLANTA</p><p>SIDERÚRGICA</p><p>ÁREA DE LA PLANTA</p><p>DE ZIN</p><p>C</p><p>ÁREA DE LA PLANTA</p><p>DE ALAMBRE</p><p>RÍO MONONGAHELA</p><p>½ milla</p><p>Donora”. ¿Por qué los editores del diario pensaban de esa forma? ¿Por qué no querían</p><p>que la gente recordara el episodio?</p><p>2. Las edades de las personas que murieron iban de los 52 a los 85 años; eran ancianas. La</p><p>mayoría de ellas ya tenía problemas cardiovasculares graves, con dificultades para respi-</p><p>rar. ¿Por qué preocuparse por ellas? En cualquier caso, habrían muerto después de todo.</p><p>3. El hecho de que las mascotas sufrieron mucho casi se ha ignorado en los recuentos del</p><p>episodio de Donora. ¿Por qué? ¿Por qué nos concentramos en las 21 personas que murie-</p><p>ron y no en los cientos y cientos de mascotas que perecieron bajo el esmog? ¿No son tam-</p><p>bién importantes? ¿Por qué la gente es más importante para nosotros que las mascotas?</p><p>1.2.4 Cromo en Jersey City</p><p>Jersey City, en el condado de Hudson, Nueva Jersey, fue otrora la capital del procesamiento del</p><p>cromo en Estados Unidos, y con los años, 20 millones de toneladas de residuos del procesa-</p><p>miento de minerales de cromita se vendieron o se regalaron como relleno.7 Había muchos sitios</p><p>contaminados, incluyendo canchas deportivas y sótanos de casas y negocios. Era frecuente que</p><p>los compuestos de cromo de brillantes colores se cristalizaran en las paredes de los sótanos hú-</p><p>medos y que brotaran en las superficies del suelo en donde se evapora la humedad de la tierra,</p><p>creando una especie de escarcha anaranjada de cromo hexavalente, Cr(VI). Una tubería de agua</p><p>Capítulo 1 Identificación y resolución de problemas ambientales16</p><p>rota en el invierno generó la formación de un hielo verde brillante debido a la presencia de</p><p>cromo trivalente, Cr(III).</p><p>Las compañías que generaron el problema de los desechos de cromo ya no existían,</p><p>pero tres conglomerados heredaron el pasivo debido a una serie de adquisiciones. En 1991,</p><p>Florence Trum, residente de la localidad, entabló una demanda exitosa en contra de Maxus</p><p>Energy, subsidiaria de uno de los conglomerados, por la muerte de su esposo, quien cargaba</p><p>camiones en una bodega construida directamente sobre un sitio de desechos de cromo. Se le</p><p>abrió un orificio en el paladar y desarrolló cáncer de tórax; en la autopsia se determinó que su</p><p>muerte había sido resultado de un envenenamiento por cromo. Si bien la compañía subsidiaria</p><p>no causó la contaminación por cromo, el juez determinó que la empresa sabía de sus peligros.</p><p>El estado de Nueva Jersey gastó al inicio 30 millones de dólares para localizar, excavar y</p><p>eliminar parte del suelo contaminado. Pero la magnitud del problema era abrumadora, así que</p><p>estos esfuerzos se interrumpieron. El director de saneamiento de desechos tóxicos de Nueva</p><p>Jersey reconoció que, aunque se sabía de los riesgos de vivir o trabajar cerca del cromo, el</p><p>estado no contaba con los recursos económicos para eliminarlo. Las estimaciones iniciales de</p><p>la rehabilitación del sitio eran superiores a 1,000 millones de dólares.</p><p>Los ciudadanos del condado de Hudson estaban molestos y temerosos. Los enfermos</p><p>de cáncer se preguntaban si éste pudo haberse prevenido. La señora Trum percibía a los per-</p><p>petradores como empresarios bien vestidos que estaban dispuestos a arriesgar la vida de las</p><p>personas. “Las grandes empresas le hacen esto al hombre pequeño”, manifestó.7</p><p>La contaminación en Jersey City se debió a que algunos sectores de la industria utiliza-</p><p>ban el cromo en sus procesos, como el chapeado metálico, el curtido de pieles y la manufactu-</p><p>ra textil. La precipitación de este cromo en los vertederos generaba agua, suelos y sedimentos</p><p>contaminados. El cromo es particularmente difícil de regular debido a la complejidad de su</p><p>comportamiento y toxicidad químicos, lo que se traduce en una incertidumbre científica. La</p><p>falta de certeza exacerba la tendencia de los organismos reguladores a establecer premisas</p><p>conservadoras y protectoras, la inclinación del regulador a cuestionar los fundamentos cien-</p><p>tíficos de las normas y la tendencia de los ciudadanos potencialmente expuestos a temer un</p><p>posible riesgo.</p><p>El cromo existe en la naturaleza de manera principal en dos estados de oxidación: Cr(III)</p><p>y Cr(VI). En su forma más reducida, Cr(III), se forman hidróxidos que son relativamente</p><p>insolubles en el agua a valores de pH neutros. El Cr(III) al parecer no es carcinógeno, según</p><p>los ensayos con animales y biológicos; como complejo orgánico se convirtió en uno de los su-</p><p>plementos dietéticos más populares en Estados Unidos y puede comprarse como picolinato de</p><p>cromo o en marcas como Chromalene, que ayuda en la metabolización adecuada de la glucosa,</p><p>la pérdida de peso y la tonicidad muscular.</p><p>Sin embargo, cuando se oxida como Cr(VI) es sumamente tóxico. Se le relaciona con el</p><p>desarrollo de cáncer pulmonar y lesiones cutáneas en los trabajadores industriales. En contras-</p><p>te con el Cr(III), se ha demostrado que casi todos los compuestos del Cr(VI) son poderosos</p><p>mutágenos. La USEPA ha clasificado el cromo como un carcinógeno humano por inhalación</p><p>con base en evidencias de que el Cr(VI) ocasiona cáncer pulmonar; no obstante, no se ha de-</p><p>mostrado que lo sea por ingestión.</p><p>Lo que complica la química del cromo es que, en ciertas condiciones</p>
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