Determinación de la relación DQO/DBO5 en aguas residuales de

Determinación de la relación DQO/DBO5
en aguas residuales de comunas con
población menor a 25.000 habitantes en la
VIII región.
Pedro Cisterna Osorio
Ingeniero Civil Químico
Jefe Depto. Control de Calidad
Essbío S.A.
Daisy Peña
Químico Analista
Universidad Tec. Fed. Sta María
0
Determinación de la relación DQO/DBO5 en aguas residuales de comunas con
población menor a 25.000 habitantes en la VIII región.
Resumen
El presente trabajo consiste en determinar empíricamente la relación DQO / DBO 5 en
aguas residuales de siete comunas de la octava región que poseen una población menor a
25000 habitantes.
Este trabajo tiene como objetivo servir de referencia local en lo relativo a la información
existente de estos parámetros, mas cuando esta relación es un importante antecedente a la
hora de decidir el tipo de tratamiento a aplicar a las aguas residuales.
De los resultados obtenidos para la relación DQO / DBO 5 del conjunto de aguas residuales
analizadas, se desprende que son todas aptas para ser depuradas a través de tratamiento
biológico.
1
INTRODUCCIÓN
Antecedentes Generales
Toda comunidad genera residuos tanto sólidos, como líquidos y gaseosos. La parte
liquida de los mismos, es esencialmente el agua que deshecha la comunidad una vez ha sido
contaminada por los diferentes usos para los cuales ha sido empleada, por lo que se
denomina aguas residuales (Mefcalt y Eddy, 1995).
Una vez generadas estas aguas residuales, caben dos posibilidades:
i.- Una primera que consiste en la nula o deficiente gestión de las mismas. Lo que por
mucho tiempo fue predominante y que en algunos países por razones de legislación,
económica, de disponibilidad abundante del recurso agua etc. lo sigue siendo; lo que en la
práctica se traduce en la evacuación de estas aguas a cursos naturales receptores, tales como
el mar, lagos, ríos, etc. con el correspondiente daño a éstos. En los ríos y lagos se pueden
provocar problemas de eutrofización, lo que genera un crecimiento acelerado de plantas
acuáticas, en el mar problemas de contaminación que afectan la cadena trófica; por otra
parte la acumulación y estancamiento de aguas residuales, trae consigo la descomposición
de la materia orgánica que contiene, lo cual puede generar gases malolientes y además
contaminar las fuentes de aguas subterráneas y suelos correspondiente al área donde está
estancada.
ii.- La segunda alternativa es precisamente gestionar estas aguas residuales, lo que implica
aplicar los conocimientos de la ciencia y la ingeniería para eliminar y controlar la
contaminación que éstas poseen, teniendo como objetivo final, la preservación del medio
ambiente.
Con el paso del tiempo la segunda alternativa es la que se ha ido consolidando como
criterio de gestión frente a los problemas originados por las aguas residuales, y una de las
etapas claves de este modalidad, es la caracterización fisicoquimica de las aguas residuales,
información que es básica a la hora de definir el tipo de tratamiento mas adecuado y una de
2
las características mas relevantes de las aguas residuales es la biodegradabilidad que estas
posean ya que de esta depende la viabilidad de aplicar un tratamiento de tipo biologico.
La composición de las aguas residuales es muy variada. Para el caso particular de aguas
residuales domesticas se tienen estudios que permiten determinar los contaminantes
presentes asi como los rangos de concentración de las mismas, los cuales se muestran en
Tabla 1.
Tabla 1. Composición de las Aguas Residuales Domésticas,
( Mefcalt and Eddy, 1985).
Componente
Fuerte
Media
Débil
Sólidos totales
1200
720
35
500
250
Disueltos
950
Fijos
525
300
145
Volátiles
325
200
105
350
220
100
Fijos
75
55
20
Volátiles
275
165
80
20
10
5
DBO
400
220
110
COT
290
160
80
DQO
1000
500
250
85
40
20
Suspendidos
Sedimentables
Nitrogeno Total
Orgánico
35
15
8
Amoniacal
50
25
12
Nitritos
0
0
0
Nitratos
0
0
0
Fósforo Total
15
8
4
Orgánico
5
3
1
Inorgánico
10
5
3
Cloruros
100
50
30
Alcalinidad
200
100
50
Grasas- aceites
150
100
50
3
Objetivos
El objetivo de este trabajo es poder conocer con mayor profundidad las características de
las aguas residuales de nuestra región y paralelamente ir con ello generando una base de
datos de tipo local que nos permita decidir racionalmente en lo relativo a la gestión de
tratamiento de estas.
Un segundo objetivo es servir como referencia ya que las características de las localidades
elegidas tienen una gran similitud con otras de nuestro país, de tal modo de poseer
referencias mas próximas a nuestra realidad y no tener una dependencia absoluta de los
datos que entrega la bibliografía europea o americana.
Marco Teórico
Biodegradabilidad
La biodegradabilidad y las aguas residuales, son dos conceptos estrechamente vinculados,
se sabe que gran parte de las sustancias que transporta el agua, ya sea disuelta, suspendida o
coloidal, es materia orgánica, la cual en una importante fracción es biodegradable. La
biodegradabilidad de estas sustancias es la propiedad que permite que las aguas residuales
puedan ser depuradas por medio de microorganismos, los que utilizan estas sustancias
como alimento y fuente de energía para su metabolismo y reproducción. Es precisamente la
depuración de las aguas residuales, lo que va regenerando la disponibilidad del recurso
agua y a la vez evita la contaminación de la fuentes de aguas existentes tanto superficiales
como subterráneas.
Hay sustancias que no son o son lentamente biodegradables, lo que constituye una limitante
para los procesos de tratamiento biológico de aguas residuales, por lo que es necesario
incorporar a las plantas depuradoras operaciones basadas en mecanismos físico - químicos,
4
las que generalmente son de alto costo y a la vez siempre dan origen a un residuo que es de
difícil disposición final.
La biodegradabilidad es una característica de los compuestos orgánicos que tiene relación
con el nivel de susceptibilidad de que éstos sean degradados por microorganismos y por lo
tanto condiciona en gran medida la viabilidad de tratar biológicamente un efluente que
contenga un determinado compuesto. Para el caso de un agua residual que contenga materia
orgánica natural, la degradación es relativamente fácil, aunque hay elementos
excepcionales como las grasas y aceites.
Para las aguas residuales industriales la biodegradabilidad
resulta más compleja. La
factibilidad para degradar compuestos orgánicos más complejos como grasas y aceites o
substratos mezclados es de gran importancia ecológica en lo que respecta a los procesos de
degradación, algunos compuestos orgánicos están potencialmente sujetos a ataque
microbiano, pero factores medioambientales o la concentración del sustrato puede alterar su
susceptibilidad para su utilización como sustrato en los cultivos mezclados de
microorganismos. La concentración de las grasas y aceites u otro tipo de sustrato que
potencialmente están presentes en aguas residuales u otro tipo de entornos
medioambientales y las condiciones del ensayo influyen en la descomposición microbiana.
La posesión de una alta afinidad de mecanismos de captura para cada uno de los substratos,
limita el crecimiento y es de importancia crítica para la degradación, donde la
concentración esencialmente será baja. La posibilidad de que comunidades de bacterias
heterogéneas metabolicen simultáneamente componentes individuales de mezclas de
compuestos de carbono es dependiente de la concentración ( Schönborn, 1986).
La consideración de la aceptabilidad medioambiental hacia determinados compuestos
orgánicos puede incluir no solo su biodegradabilidad, persistencia y toxicidad a
microorganismos sino también el efecto sinergico de sustratos mezclados como los efectos
inhibidores de posibles metabolismos.
5
Medida de la biodegradabilidad
El problema básico del ensayo acerca de la biodegradabilidad consiste en la medida de la
extensión o tasa de degradación de un compuesto orgánico usando métodos analíticos
estandarizados que se utilizan en la determinacion de parámetros, tales como la demanda
bioquímica de oxigeno y la demanda química de oxígeno. Una aproximación inicial del
ensayo para la biodegradación representa un compromiso entre dimensiones científicas y
prácticas. Generalmente, una población mezclada de microorganismos se expone a un
compuesto orgánico simple en un medio mineral que es controlado y reproducible. Los
métodos estandarizados de biodegradabilidad no necesariamente producen datos
medioambientalmente realistas, pero los resultados pueden poseer un grado de repetitividad
y comparación generalizada, lo que constituye una buena forma de caracterización de los
distintos compuestos orgánicos en cuanto a su susceptibilidad para ser tratados
biológicamente.
a. Demanda Quimica de oxigeno
La demanda química de oxigeno, DQO, corresponde a la cantidad de oxigeno requerida
para oxidar completamente por medios químicos los compuestos orgánicos a CO2 y H2 O.
En la práctica, la materia orgánica en agua es oxidada por K2 Cr2 O7 bajo condiciones
estrictas (en medio de ácido sulfúrico concentrado, y a una temperatura de 160 ºC). La
cantidad de oxígeno del dicromato usado, es determinada y expresada como DQO.
En aquellos casos que la fórmula de los compuestos es conocida, la DQO puede ser
derivada de la estequiometría. Se tiene que 1 g eq. de carbohidrato ó 1 g eq. de proteína
corresponde 1 g eq. de CO2 . Se debe destacar que la DQO no incluye el oxigeno que
convierte el nitrógeno reducido a nitrato. En cuanto al sulfuro reducido (R-SH S2 ), sin
embargo, es oxidado a sulfuro por los agentes químicos y por consiguiente se incluye en el
valor de DQO.
Una importante ventaja de este método es que cuantifica tanto la materia orgánica disuelta
como la partículada. Considerando el hecho que el tratamiento de aguas residuales tiene
que ver con la separación de ambos tipos de materia orgánica, la DQO medida es
ampliamente usada como un parámetro cuantitativo.
6
A continuación se presentan algunos valores de DQO en relación a la concentración de
sustrato: 1g/l de glucosa posee una DQO de 1,4 g/l (Henze,1995), 1g/l de grasa de cerdo
corresponde 2,1 g/l de DQO y 1g/l de aceite girasol a 2 g/l de DQO (Cisterna, 1997).
b. Demanda bioquimica de oxigeno
La demanda bioquímica de oxigeno, DBO, se define como la cantidad de oxígeno usado
por los microorganismos no fotosinteticos a una temperatura de 20ºC, para metabolizar los
compuestos orgánicos degradables biológicamente.
Carbohidratos
Proteinas
Hidrocarburos
microorganismos
CO2 + H2 O + NH4 + + minerales
-------------------------->
O2
+
Biomasa microbiana
Grasas y aceites
Se tiene que el nitrógeno está libre en la forma de hidróxido de amonio y es susceptible de
oxidación en presencia de oxígeno, pasando a nitrato. La nitrificación de este compuesto es
inhibida si se utiliza un inhibidor selectivo, tal como Allylthiourea o nitrapyrin{ 2- cloro-6tricloro metil- piridina}. Para obtener un resultado estable y reproducible, el oxígeno
consumido es medido durante un periodo de cinco días.
Durante los primeros dos días, los microorganismos rápidamente metabolizan los
compuestos orgánicos disponibles y viables de degradar biológicamente. Tales cinéticas
son obtenidas siempre que las condiciones medioambientales apropiadas para el ensayo
esten aseguradas, tales como:
- pH neutro
- Presencia de un inóculo lo suficientemente aclimatado
- Presencia de una cantidad adecuada de nutrientes minerales necesarios para el crecimiento
microbiano (de particular imporatancia son N, P, Ca, Mg, Fe, S).
-
Incubación en la oscuridad.
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En una investigación previa se ha demostrado que gran parte de los
microorganismos metabolizan aeróbicamente los sustratos orgánicos, tales como lípidos,
azúcares, alcoholes o proteínas, tal que alcanzan un máximo rendimiento de producción
celular de 0.4 g de células en peso seco por gramo de DQO eliminada (Sikes,1975). Este
valor es de gran importancia ya que se relaciona con la cantidad de energía oxidable en el
sustrato el cual es microbiólogicamente usable por las células para sus requerimientos de
energía y su posterior síntesis. Por otra parte se tiene que el valor obtenido para este
parámetro en la planta de tratamiento de aguas residuales industriales de Galicia es de
0,127 (Ortiz y Aguila, 1997), lo cual se sustenta en el origen industrial de estas, lo que se
manifiesta en una menor fracción de compuestos biodegradables presentes en el influente.
Esto implica que, cuando los microorganismos metabolizan aeróbicamente 1g de DQO,
estos inmovilizan aproximadamente la mitad de la materia orgánica en la forma de biomasa
y consumen oxígeno para oxidar la otra mitad, en la experiencia de Sikes y para el segundo
caso solo inmovilizan un 13% en forma de biomasa. La anterior consideración relaciona el
máximo rendimiento celular y no tiene en cuenta la manutención del metabolismo de la
bacteria durante la segunda fase del ensayo.
La respiración endogena constante para los cultivos microbianos promedio es
aproximadamente 10 g de oxigeno consumido por gramo de biomasa peso seco por día.
Consecuentemente se pueden escribir las siguientes aproximaciones para compuestos
biodegradables:
DBO5 = O2 (para crecim.1-2 dias) + O2 para respiración de biomasa formada (3-4 dias)
= [DQO·0,5] + [DQO·0,4]·0,1· 3,5
DBO5 = DQO*0,65
Bajo incubación prolongada, las células mineralizan completamente y la llamada demanda
biológica de oxígeno infinita se aproxima al valor inicial de DQO.
Para compuestos orgánicos en general se puede escribir:
8
DBO5 = DQO·Fb·0,65 = (b·DQO)·0,65
Tal que la demanda química de oxígeno ya sea calculada tanto teóricamente, si el
compuesto es conocido o determinado experimentalmente por el procedimiento del
dicromato de potasio, Fb es la fracción de materia orgánica que es biodegradable, valor que
está entre 0 y 1, y b·DQO la demanda química de oxígeno biodegradable. Luego se tiene:
b·DQO = DQO·Fb = DBO5/0.65 = L·DBO 5
c. Relaciones entre parámetros
Para diseñar una planta de tratamiento de fangos activos, es necesario saber cuanta materia
orgánica biodegradable está presente en el efluente de aguas residuales, por consiguiente
se necesita determinar la DBO 5 , sin embargo es aconsejable medir también en paralelo la
demanda química de oxigeno DQO, de esta forma se obtiene información acerca de la
biodegradabilidad de los compuestos orgánicos presentes en el efluente. Además, la razón
DBO5 /DQO, una vez establecida, se utiliza para controlar y operar la planta de tratamiento.
El concepto de DQO biodegradable tiene la ventaja, que el coeficiente Fb es
experimentalmente determinado de los Ensayos de DBO 5 y DQO sobre el mismo tipo de
aguas residuales, se puede entonces calcular la cantidad de materia orgánica para ser
biológicamente eliminada, basada sobre el DQO medido antes. El valor de bDQO
corresponde a lo que se denomina Demanda bioquímica de oxígeno última
Una aproximación cuantitativa de la biodegradabilidad de un efluente va a estar dada por
la relación de la demanda bioquímica de oxígeno a la demanda química de oxígeno. De este
índice se tiene una referencia acerca de la biodegradabilidad de un efluente determinado
(Hernandez, 1992). Así se tiene que, cuando:
(DQO/DBO 5 ) < 2.5
9
es un efluente o compuesto biodegradable, pudiéndose utilizar sistemas biológicos como
fangos activos o lechos bacterianos. Y cuando
2.5 < (DQO/DBO 5 ) < 5
es biodegradable siendo recomendable el empleo de lechos bacterianos
Por lo tanto, para medir de forma especifica la biodegradabilidad de los aceites y grasas ya
mencionados, se harán medidas de DBO utilizando un mismo inóculo de cultivo bacteriano,
para un volumen de agua que contiene distintos porcentajes de éstas, en un rango de
concentraciones a determinar a pH estable, por otra parte también se medirá la DQO, datos
con los cuales se evaluará la biodegradabilidad intrínseca de los tipos de grasas y aceites en
estudio.
Es preciso mencionar que la biodegradabilidad de las aguas residuales no es una propiedad
intrínseca de éstas, sino que depende en gran medida de la población microbiológica a la
que este se enfrente, ya que son estos últimos los que realizan la tarea degradadora en el
correspondiente análisis de DBO, es en atención a esto que se han desarrollado otros
métodos de análisis experimental que lleven a cabo una evaluación más precisa y certera
acerca de la biodegradabilidad como es la respirometría electrolitica (Gonzalez,1994).
Aunque la biodegradabilidad no es una propiedad que dependa exclusivamente de los
compuestos que van en el agua residual correspondiente, las enzimas que participan en la
biodegradación y los productos derivados de la misma si dependen del sustrato: En la Tabla
4 se expone un listado de compuestos quimicos y las respectivas enzimas que participan en
la biodegradación y los productos
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Tabla 4. Degradación biológica de los constituyentes de aguas residuales
(Nemerow,1977)
Sustancia
Tipo de enzimas
a degradar
Proteínas
Proteinasas
Descomposición
Descomposición
Anareobia
Aerobia
Aminoácidos
Amoniaco
Amoníaco
Nitritos
Sulfidrico
Nitratos
Metano
Sulfídrico
Dióxido de
Ácido sulfúrico
carbono
Hidrógeno
Alcoholes
Alcoholes
Ácidos orgánicos
Ácidos orgánicos
Dióxido de
carbono
Fenoles
Agua
Índoles
Hidratos de
Carboxidasas
carbono
Dióxido de
Alcoholes
carbono
Hidrógeno
Ácidos grasos
Alcoholes
Dióxido de
carbono
Grasas
Lipasas
Ácidos grasos
Agua
Ácidos grasos
Ácidos grasos y
Dióxido de
Glicerina
carbono
Hidrógeno
Alcoholes
Alcoholes
Agua
Dióxido de
carbono
11
Metodologias Utilizadas.
1- Método de winckler azida para DBO5 .
·Demanda bioquímica de oxígeno (DBO5 )
Método de Winkler, Standard Methods for the examination de waste and wastewater 14th
Ed. Method 507.
Los valores de este ensayo representa la cantidad de oxígeno en mg/L necesario para que
los microorganismos estabilicen la materia orgánica por acción bioquímica aeróbica en una
muestra de agua incubada por cinco días en la oscuridad.
2- Método de microdigestión y colorimetria Hach para DQO.
· Demanda Química de Oxígeno
Se utilizo el método del dicromato, la DQO se ha determinado utilizando un método que es
una variación del método normalizado ( Huertas J., 1984), pero que mantiene el
fundamento del método normalizado. Presenta la ventaja que usa una cantidad de muestra y
reactivos mucho menor. Se oxida la muestra químicamente a través de la acción del
dicromato de potasio a una temperatura de 150ºC, durante dos horas. Se utiliza sulfato de
plata como catalizador y sulfato de mercurio para evitar las posibles interferencias de
cloruro. Posteriormente se lleva a cabo la determinación por espectrofotometria.
Este método permite estimar la medida de oxígeno necesario para oxidar químicamente la
materia orgánica contenida en el agua. Puesto que por medios químicos la oxidación de esta
materia es más completa. Para obtener los valores de este ensayo se utilizando la técnica de
espectrofotometría de absorción dando una lectura directa en mg/L de oxígeno.
12
RESULTADOS.
Los valores de la DBO y DQO, están expresados en mg/L o ppm.
AFLUENTE DE LA LAGUNA DE HUALQUI
(CONCEPCION)
Nª de población abastecida de agua potable = 11.665
FECHA
18.11.98
30.11.98
17.12.98
23.12.98
28.12.98
29.12.98
31.12.98
06.01.99
14.01.99
25.01.99
DBO
222
264
238
250
244
220
270
210
319
260
DQO
480
445
350
420
416
320
421
322
331
431
DQO/DBO
2,2
1,7
1,5
1,7
1,7
1,5
1,6
1,5
1,5
1,7
PROMEDIO DQO/DBO = 1.66
DESV. ESTÁNDAR
= 0.21
AFLUENTE DE LA LAGUNA DE EL CARMEN
(BIOBIO)
Nª de población abastecida de agua potable = 3.874
FECHA
18.11.98
19.11.98
02.12.98
14.12.98
28.12.98
29.12.98
31.12.98
08.01.99
15.01.99
21.01.99
25.01.99
DBO
222
214
120
180
192
133
84
222
156
312
213
DQO
332
360
150
268
286
198
107
355
221
465
318
DQO/DBO
1,5
1,7
1,3
1,5
1,5
1,5
1,3
1,6
1,4
1,5
1,5
PROMEDIO DQO/DBO = 1,48
DESV. ESTÁNDAR
= 0.12
13
AFLUENTE DE LA LAGUNA DE CURANILAHUE
(ARAUCO)
Nª de población abastecida de agua potable = 35.144
FECHA
12.11.98
18.11.98
30.11.98
04.12.98
10.12.98
15.12.98
21.12.98
23.12.98
28.12.98
29.12.98
31.12.98
08.01.99
11.01.99
15.01.99
20.01.99
DBO
290
360
234
378
354
318
296
300
362
345
280
341
150
144
312
DQO
591
784
331
675
686
616
644
639
701
688
370
684
225
305
579
DQO/DBO
2,0
2,2
1,4
1,9
1,9
1,9
2,2
2,1
1,9
2,0
2,1
2,0
1,5
2,1
1,9
PROMEDIO DQO/DBO = 1,94
DESV. ESTÁNDAR
= 0.23
AFLUENTE DE
LAGUNA NINHUE
(ÑUBLE)
Nª de población abastecida de agua potable = 1.030
FECHA
19.11.98
14.12.98
18.12.98
23.12.98
28.12.98
29.12.98
31.12.98
04.01.99
08.01.99
15.01.99
DBO
330
180
240
204
243
223
198
318
208
294
DQO
425
290
377
320
382
351
241
491
357
420
DQO/DBO
1,3
1,6
1,5
1,6
1,6
1,6
1,2
1,5
1,7
1,4
PROMEDIO DQO/DBO = 1.50
DESV. ESTÁNDAR
= 0.16
14
AFLUENTE DE LA LAGUNA DE FLORIDA
(ÑUBLE)
Nª de población abastecida de agua potable = 3.428
FECHA
18.11.98
17.12.98
23.12.98
28.12.98
29.12.98
31.12.98
07.01.99
14.01.99
15.01.99
20.01.99
21.01.99
DBO
153
158
96
163
149
186
138
102
294
159
193
DQO
240
298
120
250
215
269
210
130
420
227
276
DQO/DBO
1,5
1,8
1,3
1,5
1,4
1,4
1,5
1,2
1,4
1,4
1,4
PROMEDIO DQO/DBO = 1.44
DESV. ESTÁNDAR
= 0.15
AFLUENTE DE LA LAGUNA DE CABRERO
(BIOBIO)
Nª de población abastecida de agua potable = 10.247
FECHA
12.11.98
18.11.98
30.11.98
10.12.98
14.12.98
23.12.98
28.12.98
29.12.98
0.7.01.99
11.01.99
13.01.99
15.01.99
21.01.99
26.01.99
27.01.99
DBO
190
102
216
242
180
366
214
235
260
186
198
120
366
227
215
DQO
472
182
486
287
196
991
350
361
390
247
230
150
750
340
341
DQO/DBO
2,5
1,8
2,3
1,2
1,1
2,7
1,6
1,5
1,5
1,4
1,2
1,3
2,0
1,5
1,5
PROMEDIO DQO/DBO = 1.67
DESV. ESTÁNDAR
= 0.49
15
AFLUENTE DE LA LAGUNA DE CONTULMO
(ARAUCO)
Nª de población abastecida de agua potable = 2.700
FECHA
DBO
DQO
12.11.98
18.11.98
02.12.98
04.12.98
09.12.98
16.12.98
21.12.98
23.12.98
28.12.98
29.12.98
06.01.99
08.01.99
14.01.99
27.01.99
28.01.99
320
186
252
288
204
324
129
120
225
189
215
300
330
306
176
685
310
576
514
387
612
200
209
398
351
380
318
619
615
300
DQO/D
BO
2,1
1,6
2,3
1,8
1,9
1,8
1,6
1,7
1,8
1,9
1,8
1,6
1,9
2,0
1,6
PROMEDIO DQO/DBO = 1.83
DESV.ESTDANDARD = 0.20
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CONCLUSIONES
Los valores obtenidos de la relación DQO/DBO 5 para las aguas residuales estudiadas
sugieren que están pueden ser depuradas a través de tratamiento biologicos tales como
fangos activos o sistemas de lagunaje.
Los cuocientes DBO/DQO obtenidos en las distintas localidades tienen una dispersión
estadística discreta, lo que valida los resultados obtenidos a excepción de Cabrero que es
claramente mas alta.
La comuna de Curanilahue es la que posee una relación DQO/DBO mas alta y coincide este
resultado con ser la de mas alta población.
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