Medida de la Contaminación Orgánica

Medida de la Contaminación Orgánica
E. Ronzano y J.L. Dapena
Los métodos de medida de la contaminación orgánica pueden clasificarse según los
siguientes tipos de parámetros:
a) Métodos que determinan demanda de oxígeno (DBO, DQO, DTO).
b) Métodos que determinan contenido en C (COT).
A continuación se hace un estudio más en profundidad de estos distintos métodos.
DEMANDA BIOQUÍMICA DE OXIGENO (DBO)
Esta medida, que se viene utilizando desde hace unos cincuenta años, es prácticamente
la única conocida para determinar la contaminación del carbono biodegradable. Aun así,
su cálculo presenta algunos problemas, por lo que la interpretación de los resultados
debe utilizarse con mucho cuidado. Para evitar equivocaciones, conviene realizarla en
paralelo con otras, tales como DQO, TOC, DOT.
Modelo cinético de la DBO
Generalmente se considera que la DBO varía con el tiempo según una ecuación de
primer orden, que puede escribirse:
DBOt= DBOu (1-10-kt) (1)
- DBOt: DBO a t días
- DBOu: DBO última
- t: tiempo de incubación en días
- k: constante cinética medida en d-1
Un agua residual bruta presenta un valor de k que puede variar entre
0,07 y 0,12 d-1. Normalmente se admite como valor medio: 0,10 d-1. Un
agua que sale de un tratamiento de alta calidad puede presentar valores de
k comprendidos entre 0,03 y 0,04 d-1.
Debido a la presencia de algunos componentes en las aguas residuales industriales, el
factor k puede presentar grandes variaciones.
Con k = 0,10 d-1 tenemos:
DBO5/DBOu = 0,68
o
DBOu/DBO5 = 1,46
Se puede considerar que la DB021 o la DB028 representan la DBO última, con un
margen de error de un 1 %.
DBO21/DBOu = 0,99
La base de cualquier cálculo biológico es la DBOu; pero 21 días de incubación es un
espacio de tiempo demasiado largo para medidas de rutina. Incluso muchas veces
resulta difícil esperar tanto tiempo. En la práctica se utiliza una incubación de 5 días (7
días en países nórdicos).
Para pasar de DBO5 a DBOu se toma un valor de k de 0,10 d-1, que es prácticamente
un valor normalizado. Pero si un agua residual presenta un k distinto, el uso de este
valor (k = 0,10) introducirá un error en la estimación de DBOu. Por ejemplo, si k vale
0,035 d-1 (caso de un agua bien tratada), tendríamos:
DBQu/DBO5 = 3,02
Así, si la DBOu de este ejemplo se estimase con el valor tipo de DBOu/ DBO5 = 1,46,
se estaría tomando la mitad de su valor real.
Conclusión práctica: Si hay alguna duda sobre la composición de un agua, en particular
si la DQO vale más del doble de la DBO5, será necesario medir con la misma muestra
la DBO5 y la DBO21. Si los valores de la razón DBO21/DBO5 son diferentes de 1,46,
se continuarán haciendo medidas dobles para conocer correctamente el factor
DBO21/DBO5.
En el dimensionamiento de un sistema biológico, las DBO5 medidas deben afectarse de
un factor corrector de:
F = DBO21/1,46 · DBO5
DBO21 y DBO5 son medidas de una misma muestra.
Curva real de DBO
Una curva de DBO es en realidad mucho más compleja que la resultante de la ecuación
1 (ecuación de primer orden).
En realidad, la curva de DBO es la resultante de dos reacciones principales:
A. Síntesis bacteriana: A partir de las materias orgánicas degradables. Generalmente se
completa en 1 ó 2 días.
B. Crecimiento de bacterias: Utilizando la biomasa sintetizada anteriormente como
sustrato.
Normalmente, entre las dos reacciones hay una cierta parada, y así la curva presenta una
«pausa».
La duración de la pausa y, algunas veces, su ausencia dependen de un cierto número de
factores: tipo y concentración de las bacterias en el agua, concentración de la materia
orgánica, inhibidores, pH, etc.
En el ejemplo de la Figura 1.1 se ve que la curva real difiere considerablemente de la
representada por la curva teórica de orden 1.
Algunas veces puede interferir la nitrificación (ver Capítulo 6, pág. 92), además de otros
factores que también pueden alejar la curva real de la teórica y modificar la razón
DBOu/DBO5. La Figura 1.2 representa alguna de estas curvas modificadas, exageradas
y simplificadas para una mejor comprensión. A los factores que causan las desviaciones
de las curvas de la Figura 1.2 se puede añadir:
Figura 1.1 Ejemplo de curva real de DBO.
Figura 1.2. Inteiferencias en la medida de la DBO.
Siembra de microorganismos insuficiente.
- Aclimatación de la siembra insuficiente.
- Presencia de algas (agua tratada por lagunaje).
(Referencias: L1; L11; 18; 1)
DBO total y DBO de elementos carbonados
En la medida de la DBO5 de un agua tratada por vía biológica sin nitrificación, el
tiempo de incubación de 5 días no es suficiente para que comience el desarrollo de una
nitrificación. Por lo tanto, la DBO representa únicamente la medida de la contaminación
orgánica o carbonada.
Si en el agua tratada ha comenzado ya un proceso de nitrificación, una cierta cantidad
de las bacterias nitrificantes presentes continuará la nitrificación durante los 5 días de
incubación, facilitada además por:
- una baja concentración de la contaminación orgánica, generalmente de 5 a 10 mg/l de
DBO5 soluble.
- una temperatura favorable de 20º C.
En este caso, para medir sólo la DBO de la materia orgánica sin nitri-ficación, debemos
anular los efectos de ésta utilizando un método normalizado:
- Acidificar la muestra hasta un pH comprendido entre 2 y 3.
- Dejar la muestra en medio ácido durante 15 minutos.
- Neutralizar hasta un pH de 7 a 7,4.
- Preparar el agua de dilución con una siembra obtenida utilizando el 5/1.000 en
volumen de agua residual recientemente decantada.
- Corregir el resultado con la DBO5 del agua de siembra.
En Estados Unidos y Gran Bretaña, esta DBO modificada se llama BOD-ATU (del
nombre del ácido utilizado: Ally Thio Urea).
Este problema es, probablemente, muy frecuente en España en verano, ya que la
nitrificación está favorecida por la elevación de temperatura y, algunas veces, por una
menor carga de contaminación debida a las vacaciones, sobre todo en las grandes
ciudades. Parece que la DBO del agua tratada aumenta anormalmente y, al mismo
tiempo, mejoran el aspecto y la transparencia. Esto ocurre cuando la nitrificación no es
habitual y la medida de la DBO se realiza sin tener en cuenta el método modificado para
aguas en proceso de nitrificación.
DBO5 rápida y lentamente degradable
Las aguas residuales urbanas contienen dos grupos de componentes químicos
degradables fundamentalmente diferentes:
- El primero está compuesto esencialmente por ácidos volátiles y azúcares. Su velocidad
de degradación es muy rápida. Queda representada por la DBO rápidamente
biodegradable o DBO rápida.
- El segundo, que está compuesto por el resto de la materia orgánica degradable,
corresponde, en su mayor parte, a partículas y coloides. Su degradabilidad tiene una
cinética del orden de diez veces menor que la anterior. Es la DBO lentamente
degradable o DBO lenta.
La Universidad de Cape Town (Marais, Ref. 1, Apéndice 2), ha desarrollado una
metodología de medida de la DBO rápida que recomendamos utilizar.
A falta de medidas reales, se puede usar la estimación que hace Marais sobre las dos
fracciones:
- Agua bruta: DBO rápida = 22% de la DBO total
- Agua decantada: DBO rápida = 33 % de la DBO total
Nota: Para facilitar la escritura, la DBO5 rápidamente degradable podemos
representarla por DBO5r y la DBO5 lentamente degradable por DBO5l.
DEMANDA QUÍMICA DE OXÍGENO (DQO)
DQO normalizada
La DQO normalizada, es decir, la medida realizada al dicromato potásico en caliente
durante 2 horas, sustituye, hoy en día, al antiguo método de oxidación del permanganato
potásico para la medida del contenido en materias orgánicas del agua residual.
La medida de la DQO es relativamente sencilla y puede automatizarse, con algunas
excepciones como son las siguientes:
- Interferencia de cloruros.
- Algunos componentes son resistentes parcial o completamente, como el benceno, la
piridina y el glicol.
- La DQO representa o traduce una oxidación química pero no una oxidación biológica.
La DQO permite, por su relación con la DBO, una estimación rápida de la
degradabilidad del agua residual, como veremos a continuación (Relación entre DQO y
DBO).
DQO degradable
Fue estudiada, en el año 1975, por el profesor Marais, de la Universidad de Cape Town,
de Sudáfrica (Marais, Ref. 1). Tiene muchas ventajas frente a la DBO, pero es difícil
cambiar los hábitos existentes, y es un método que prácticamente no se ha desarrollado
fuera de su país de origen.
La medida de la DQO degradable se hace introduciendo la muestra que hay que analizar
en una planta piloto de fangos activados. La diferencia entre la DQO de entrada y la de
salida nos da la DQO degradable.
DQO rápidamente biodegradable
Es un método que utiliza un sistema muy parecido al de la DQO degradable. Es una
medida imprescindible en el estudio de la eliminación biológica de fosfatos, y muy útil
en el de la eliminación de la contaminación orgánica y la desnitrificación.
RELACIÓN DBO Y DQO
Para una materia orgánica completamente degradable, la relación es:
DQO/DBOu = 1,14.
La relación no es igual a 1 porque el 20% de la masa activa no es degradable
biológicamente, pero silo es químicamente.
La eliminación de 1.000 g de DBO5 o de 1.460 g de DBOu produce una biomasa de
711 g, de la cual 142 g no se oxidan biológicamente. Pero estos l42 g presentan una
DQO de 1,48 · 142 = 2lO g de DQO.
Esta DQO de 210 g representa la diferencia entre DQO y DBOu:
DQO/DBOu = (1,46 + 0,21)/1,46 = 1,14
En general, cuando no se trata de materia completamente degradable, por ejemplo en el
caso de un agua residual urbana, el 80% de la DQO lo produce la materia orgánica
degradable, y el 20% restante los inertes.
Es decir, que la relación normal entre DQO y DBO es:
- DQO degradable/DBOu = 1,14.
- DQO total/DBOu = 1,43.
- DQO total/DBO5 = 2,08.
Si la relación DQO/DBO5 es superior a 2,08, por ejemplo 3, pueden darse dos
posibilidades de forma independiente o conjunta.
- La fracción de DQO no degradable de esta agua es superior al 20%;
en este ejemplo la fracción es de:
- 1,14 · 1,46/3 = 0,55
- 100 (1 -1,14 · 1,46/3) = 45% ó 55%
- La relación DBOu/DBO5 no es 1,46 sino superior, debido a una cinética de
degradación inferior. En el mismo ejemplo, con una fracción degradable de la DQO del
80% , la relación DBOu/DBO5 es:
- DQO/DBO5 = 3.
- DQO degr./DBO5 = 3 · 0,8 = 2,4.
- DBOu/DBO5 = 2,40/1,14 = 2,10.
Esta relación corresponde a k = 0,06 d-1
Existen, por lo tanto, todas las posibilidades de efectos conjuntos de una menor fracción
degradable y una menor k, o al contrario.
OTROS MÉTODOS DE MEDIDA
Existen otros métodos de medida que, por el momento, están muy poco desarrollados en
el campo de las aguas residuales urbanas, si bien se utilizan con alguna frecuencia en
aguas residuales industriales.
Para una monitorización en continuo, el COT puede ser una alternativa interesante en la
progresiva automatización de las depuradoras de aguas residuales.
DOT: Demanda total de oxígeno
Para esta medida, la muestra se oxida con oxígeno en un horno a alta temperatura.
Todos los compuestos de carbono, nitrógeno y azufre quedan oxidados.
Presenta las ventajas de su rapidez (pocos minutos) y de permitir la automatización y el
control en continuo, aunque con el retraso de esos minutos. Se presentan algunos
problemas de oxidación, más o menos completa, de algunos compuestos de nitrógeno,
según el exceso de oxígeno utilizado. También presentan problemas las materias en
suspensión de las aguas residuales para la inyección o pulverización de las micromuestras.
COT: Carbono orgánico total
La muestra se oxida con oxígeno en presencia de un catalizador en una cámara de
combustión. El dióxido de carbono producido se mide con un analizador de infrarrojos
no dispersivo, y se deduce de éste el carbono presente.
Al igual que la DOT, también puede adaptarse para el control automático y en continuo,
con un pequeño retraso (5-10 mm.). Asimismo, si lo que se quiere medir es carbono, es
más riguroso que la DQO, que no incluye algunos compuestos orgánicos complejos y sí
algunos compuestos inorgánicos reducidos.
El método automático de COT presenta sobre el de DOT la ventaja de un menor coste, a
la vista de los materiales de los tubos reactores, de los analizadores y del gas usado para
el arrastre y combustión.
Para medir únicamente el carbono orgánico, se debe eliminar el carbono mineral
mediante un pretratamiento. Si la determinación es instrumental, se obtienen medidas de
carbono total y carbono mineral, y por diferencia se calcula la medida de carbono
orgánico.
En la determinación de COT también se presentan problemas de inyección de muestras
con sólidos en suspensión (caso del agua bruta).
La relación entre el COT y la demanda de oxígeno depende de la composición del agua;
en concreto, de la presencia de compuestos difícilmente oxidables por vía biológica o
química, así como de sustancias inorgánicas
reductoras. Por lo tanto, para aguas residuales industriales es difícil establecer una
correlación, dada la considerable variación en la composición química. Pero, para aguas
residuales urbanas se tienen correlaciones relativamente buenas como la siguiente:
DBO5 = l.87 · COT - 17