CAPITULO 1 Caracterización de aguas residuales wltr L a generación de aguas residuales es un producto inevitable de la actividad humana. El tratamiento y disposición apropiada de las aguas residuales supone el conocimiento de las características físicas, químicas y biológicas de dichas aguas; de su significado y de sus efectos principales sobre la fuente receptora. 1.1 FUENTES DE AGUAS RESIDUALES Las AGUAS RESIDUALES son las aguas usadas y los sólidos que por uno u otro medio se introducen en las cloacas y son transportadas mediante el sistema de alcantarillado. En general, se consideran como AGUAS RESIDUALES DOMESTICAS, A.R.D., los líquidos provenientes de las viviendas o residencias, edificios comerciales e institucionales. Se denominan AGUAS RESIDUALES MUNICIPALES a los residuos líquidos transportados por el alcantarillado de una cuidad o población y tratado en una planta de tratamiento municipal y se llaman AGUAS RESIDUALES INDUSTRIALES las aguas residuales provenientes de las descargas de industrias de manufactura. Las aguas lluvias transportan la carga contaminadora de techos, calles y demás superficies por donde circula; sin embargo, en ciudades modernas se recogen en alcantarillas separadas, sin conexiones conocidas de aguas residuales domesticas o industriales y, en general, se descargan directamente al curso de agua natural mas próximo sin ningún tratamiento. En ciudades que poseen un sistema de alcantarillado combinado se acostumbra captar el caudal de tiempo seco mediante un alcantarillado interceptor y conducirlo a la planta de tratamiento para su procesamiento. Sin embargo, durante los aguaceros, el caudal en exceso de la capacidad de la planta y del alcantarillado receptor se desvía directamente al curso natural de agua. En este caso se pueden presentar riesgos de contaminación y de violación de las normas de descarga, los cuales se pueden evitar reemplazando el sistema de alcantarillado combinado por uno separado. La figura 1.1 resume las principales fuentes de aguas residuales municipales. 1.2 CARACTERIZACION DE LAS AGUAS RESIDUALES La expresión de las características de un agua residual puede hacerse de muchas maneras, dependiendo del propósito especifico de la caracterización. Sin embargo, vale la pena anotar que toda caracterización de aguas residuales implica un programa de muestreo apropiado para asegurar representatividad de la muestra y un análisis de laboratorio de conformidad con normas estándar que aseguren precisión y exactitud en los resultados. En general, un programa de muestreo para caracterización y control de calidad de aguas supone un análisis cuidadoso del tipo de muestras, número de ellas y parámetros a analizar, especialmente en un medio como el nuestro donde no es justificable asignar más recursos de los estrictamente necesarios para satisfacción del objetivo propuesto. Aunque en la practica, como se vera a continuación, existen caracterizaciones típicas de aguas residuales, las cuales son muy importantes como referencia de los parámetros de importancia a analizar y de su magnitud, hay que recordar que cada agua residual es única en sus características y que, en lo posible, los parámetros de contaminación deben evaluarse en el laboratorio para cada agua residual especifica. Las tablas siguientes resumen valores promedios de las características de contaminación mas importantes evaluadas en aguas residuales. La cantidad y concentración de las aguas residuales es función de su origen y de sus componentes, por ello las cargas equivalentes o contribuciones per capita por día varían de una ciudad a otra y de un país a otro. Para ciudades grandes se pueden usar, como valores de referencia, los incluidos en las tablas anteriores; para comunidades pequeñas o áreas rurales las aguas residuales son predominantemente domesticas y las cargas por persona equivalente pueden ser como las de la tabla 1.9. 1.3 EFECTOS DE CONTAMINACION POR LAS AGUAS RESIDUALES Toda agua residual afecta en alguna manera la calidad del agua de la fuente o cuerpo de agua receptor. Sin embargo, se dice que un agua residual causa contaminación solamente cuando ella introduce condiciones o características que hacen el agua de la fuente o cuerpo receptor inaceptable para el uso propuesto de la misma. Asi, por ejemplo, no se puede decir que las aguas de la alcantarilla domiciliar causan contaminación de las agua del alcantarillado sanitario municipal. En las tablas1.10 a 1.12 se presentan, en forma muy breve y generalizada, los efectos más importantes de los principales agentes de contaminación de las aguas residuales. 1.4 CARACTERÍSTICAS DE IMPORTANCIA EN AGUAS RESIDUALES Dadas las características y variaciones en la descarga de aguas residuales, A. R., al sistema de alcantarillado, el tipo o sistema de alcantarillado usado, la diferencia en las costumbres de la comunidad aportante, el régimen de operación de las industrias servidas, el clima etc., los caudales de aguas residuales oscilan ampliamente durante el año, cambian de un día a otro y fluctúan de una hora a otra. Todos los factores anteriores, entre otros, deben tenerse en cuenta en la predicción de las variaciones del caudal y, por consiguiente, de la concentración de las aguas residuales afluentes a una planta de tratamiento. Una curva típica de descarga de aguas residuales, para un alcantarillado separado, puede observarse en la figura 1.2, desarrollada con base en un estudio realizado en un barrio residencial de bogota (2). De la figura anterior se deduce que la relación entre el caudal máximo y el caudal promedio es de 2.13; la relación entre el caudal mínimo y el caudal promedio de 0.33. El caudal promedio de A.R. fue de 320 L/cd. Los caudales mínimos ocurren durante las primeras horas de la mañana, entre las 2:00 y las 5:30; durante dichas horas el consumo es mínimo y el flujo es básicamente por infiltración y pequeñas cantidades de A.R.. El caudal máximo ocurre entre las 7:00 y las 10:00 cuando se presenta el consumo máximo; existe, además, un segundo caudal máximo entre las 15:00 y las 16:00 horas. Entre las 7:00 y las 19:00 el caudal de A.R. es mayor que el caudal promedio y, durante la noche, el caudal es menor del caudal promedio. Cuando la infiltración es alta o existen conexiones de aguas lluvias, el régimen de lluvias puede influir notablemente sobre el caudal y por ende sobre las características del A.R.. El conocimiento de las cargas hidráulicas, de DBO y otros contaminantes, es esencial para evaluar los factores de diseño y operación de una planta de tratamiento. Generalmente las variaciones de DBO siguen las de caudal, pero deben determinarse en cada caso particular. En alcantarillados combinados se presenta una mayor concentración de material inorgánico que en alcantarillados sanitarios o separados, debido a la introducción de aguas lluvias, asimismo, las variaciones de caudal y de concentración del A.R. son mas extremas. Acidez. La acidez de un agua es su capacidad cuantitativa de neutralizar una base fuerte a un pH de 8.3: la titulación con NaOH mide la concentración de ácidos minerales como el acido sulfúrico, de CO 2 disuelto y de sales de hidrólisis acida. La acidez se origina en la disolución de CO2 atmosférico, en la oxidación biológica de la materia orgánica o en la descarga de aguas residuales industriales. Su efecto corrosivo en aguas residuales es de gran importancia, asi como su efecto posible destructor o alterador de la flora y fauna de fuentes receptoras. Algunos residuos industriales, por su alto contenido de acidez mineral, pueden requerir pretratamientos de neutralización antes del tratamiento biológico. Acido sulfhídrico. El acido sulfhídrico, H2S, es un producto de descomposición anaerobia de las aguas residuales: bacterias Materia Orgánica + SO4−2 → S −2 + H 2O + CO2 Materia S −2 + 2 H + → H 2 S La corrosión de las alcantarillas y de las plantas de tratamientos esta, a menudo, relacionada con la produccion de H2S o con la cantidad de H2S en la atmósfera. Al exponer el agua residual a la atmósfera se desprende H 2S y se detecta un claro olor ofensivo a huevo podrido. Cuando el gas se acumula en la corona de las alcantarillas, este puede disolverse en la humedad condensada sobre las paredes del tubo y ser oxidado biológicamente en acido sulfúrico para corroer las tuberías de concreto. El H 2S mezclado con CH4 y CO2 es corrosivo; toxico al sistema respiratorio, incoloro e inflamable y explosivo bajo ciertas condiciones. El color negro de muchas aguas residuales es comúnmente causado por la combinación de acido sulfhídrico con hierro para formar sulfuro ferroso, FeS. Se consideran indeseables concentraciones de H 2S, en aguas residuales, mayores de 1 mg/L, asi como concentraciones en la atmósfera superiores a 3 ppm. Alcalinidad. La alcalinidad del agua es una medida de su capacidad de neutralizar ácidos. Las aguas residuales domesticas son generalmente alcalinas, concentraciones de 50 – 200 mg/L – CaCO 3 son comunes. La alcalinidad puede generarse por hidróxidos, carbonatos y bicarbonatos de elementos como el calcio, magnesio, sodio, potasio o de amonio; siendo la causa mas común los bicarbonatos de calcio y magnesio. Su capacidad para neutralizar ácidos y prevenir cambios bruscos de pH la hace importante en el tratamiento químico de aguas residuales, en los procesos de remoción biológica de nutrientes, en la remoción de amoniaco y en tratamientos anaerobios. Cuando se agrega alumbre a un agua residual se requiere aproximadamente 0.5 mg/L de alcalinidad por cada mg/L de alumbre agregado para la formación del hidróxido insoluble; cuando se oxida nitrógeno amoniacal, en el proceso de + nitrificación, cada mg/L de NH 4 − N oxidado destruye7.14 mg/L de alcalinidad. En el proceso de nitrificación se requiere suficiente alcalinidad para reaccionar con la acidez producida por la reacción. Por otra parte, aguas residuales con alcalinidad cáustica reaccionan con el CO 2 producido por la actividad microbial para producir bicarbonato y reducir el valor del pH. Algas. En lagunas fotosintéticas las algas proveen el oxigeno requerido para la actividad biológica aerobia. Los nutrientes y el dióxido de carbono producidos son usados por las algas estableciéndose una relación simbiótica algasbacterias responsable del tratamiento del agua. Son indeseables en aguas superficiales pues cubren las superficies de lagos y embalses. Generalmente proliferan en lagos eutróficos o enriquecidos nutricionalmente; alteran la calidad del agua produciendo sabores y olores indeseables asi como algunos efectos tóxicos sobre peces y otra vida acuática. El control del contenido del carbón, nitrógeno, fósforo y de algunos elementos como el hierro y cobalto son algunas de las soluciones propuestas para desestimular el crecimiento de algas en aguas. La relación simbiótica algas-bacterias se acostumbra representarla esquemáticamente como se indica en la figura 1.3. Las reacciones principales de fotosíntesis y respiración son: Fotosíntesis: luz solar CO2 + 2 H 2O → ( CH 2O ) + O2 + H 2O algas Respiración: CH 2O + O2 → CO2 + H 2O El uso del CO2 por las algas, en la fotosíntesis, puede conducir a lagunas con pH alto, especialmente en aguas de baja alcalinidad. En otros casos, las algas usan el ión bicarbonato como fuente del carbón requerido para su crecimiento celular y se presentan variaciones altas de pH durante el día. Asimismo, cuando el pH aumenta, las formas predominantes de alcalinidad tienden a ser las de los carbonatos e hidróxidos; si el agua residual contiene suficiente calcio, este se precipitara como carbonato al excederse el producto de solubilidad. La remoción del carbonato, por precipitación, impide que el pH continúe aumentando. Las algas constituyen la fuente principal de oxigeno en las lagunas fotosintéticas durante el día y pueden desarrollar condiciones de auto saturación de O.D. Sin embargo, durante la noche, el consumo respiratorio puede conducir a concentraciones mínimas de O.D. La relación molar promedio de C/N/P, en el protoplasma algal, es de 105/15/1; por ello, en lagos y embalses, se considera como nutriente típico limitante del crecimiento algal al fósforo. En lagunas facultativas generalmente predominan las algas verdes u euglenoides; en climas calidos pueden dominar las algas azul verdosas. La biomasa algal es función de la carga orgánica superficial y oscila entre 1-3 mg de clorofila a por litro; a mayor carga orgánica, menor concentración de clorofila a. Bacterias. Organismos Morfológicamente eubacterianos procarióticos unicelulares. se clasifican como cocos, bacilos, curvados o vibriones, espirales o espirillas o espiroquetas y filamentosas. Son los organismos más importantes en la descomposición y estabilización de la materia orgánica. Asimismo, los organismos bacteriales patógenos que pueden acompañar las excretas humanas que originan uno de los problemas sanitarios mas graves en áreas de malas condiciones sanitarias. Los tipos de metabolismo bacterial se presentan en las figuras 1.4 a 1.6. Las bacterias se reproducen generalmente por fisión binaria, poseen pared celular, citoplasma con suspensiones coloidales de proteínas, carbohidratos y otros compuestos orgánicos. El citoplasma contiene acido ribonucleico, RNA, cuya función principal es la de sintetizar proteínas y acido desoxiribonucleico, DNA, el cual contiene la información para la reproducción celular. La fracción orgánica celular bacterial se representa por la formula C 5H7NO2 o C60H87O23N12P; la fracción inorgánica incluye P 2O5 (50%), SO3 (15%), Na2O (11%), CaO (9%), MgO (8%), K2O (6%) y Fe2O3 (1%). El crecimiento optimo de de bacterias ocurre dentro de los intervalos de pH entre 6.5 a 7.5 y generalmente no toleran pH mayor de 9.5 o inferior a 4.0. Las temperaturas inferiores a la temperatura optima tiene mayor efecto significativo sobre le crecimiento bacterial que las temperaturas superiores. La tasa de crecimiento se dobla aproximadamente con un incremento de 10 ºC hasta alcanzar la temperatura óptima. Los intervalos típicos óptimos de temperatura de las bacterias son (10): Bacterias Psicrófilas o Criófilas: 12 – 18 ºC Bacterias Mesofílicas: 25 – 40 ºC Bacterias Termofílicas: 55 – 65 ºC Bioensayos. El decreto 1594 de 1984 los define como el procedimiento por el cual las respuestas de organismos acuáticos se usan para detectar o medir la presencia o efectos de una o mas sustancias, elementos, compuestos, desechos o factores ambientales solos o en combinación. Su aplicación más 96 96 común se relaciona con la determinación de los CL50 . El CL50 es la concentración de una sustancia, elemento, o compuesto, solos o en combinación, que produce la muerte al 50% de los organismos sometidos a bioensayos en un periodo de 96 horas. Los bioensayos, por lo tanto, se usan para evaluar la toxicidad, propiedad que tiene una sustancia, elemento o compuesto, de causar daños en la salud humana o la muerte de un organismo vivo; de las A.R. a la vida biológica a las fuentes receptoras. el objetivo especifico es determinar la concentración de un residuo determinado que causaría una mortalidad del 50% en el organismo de prueba en 96 horas; para lo cual se introducen peces, u otro organismo, en diferentes acuarios con concentraciones variables del residuo bajo estudio y se observa su supervivencia después de 24, 48 y 96 horas. El procedimiento de cálculo se ilustra en el ejemplo siguiente. Ejemplo 1.1 (10). Determinar los valores del CL50 para 48 y 96 horas de acuerdo con los siguientes resultados de bioensayo. Solución 1. Se hace un grafico de concentración del residuo, % Volumen, sobre la escala log, contra el porcentaje de animales de prueba muertos, sobre la escala de probabilidad. 2. Se ajusta una recta a los puntos determinados, dándole mayor importancia a los datos para mortalidad del 16 al 84% 3. Se determina la concentración para el 50% de mortalidad. 96 48 En el ejemplo, la CL50 es de 6.5% y la CL50 del 16.5%. Carbohidratos. Grupos de compuestos de carbono, hidrogeno y oxigeno, en los cuales el hidrogeno y el oxigeno están en la misma relación que en el agua; muy comunes en aguas residuales y en la industria de la madera, papel, textiles y alimento. Incluye azucares, almidones, celulosa y hemicelulosa. Desde el punto de vista de tratabilidad el carbohidrato mas importante es la celulosa, por ser el mas resistente en procesos aerobios; aunque se destruye fácilmente en el suelo como resultado de la actividad de varios hongos. Carbono orgánico total, COT. Prueba instrumental para medir la cantidad total de carbono en el A.R.. Es otro medio para determinar la materia orgánica presente en el agua y un ensayo de ejecución rápida, si se posee el equipo requerido; el cual es muy costoso. El ensayo consiste en la inyección de una cantidad conocida de muestra en un horno de alta temperatura o en un medio químicamente oxidante para oxidar el carbono orgánico en dióxido de carbono, en presencia de un catalizador. El dióxido de carbono producido se mide mediante un analizador infrarrojo. Cuando existen compuestos orgánicos resistentes a la oxidación, el valor del COT es menor que el valor real. las aguas residuales domesticas crudas generalmente contienen COT de 80 – 290 mg/L – C y la relación DBO/COT varia entre 1.0 a 1.6 (10). Cloruros. Son comunes en aguas residuales pues la contribución diaria por persona es de 6 a 9 gramos. Concentraciones altas pueden causar problemas de calidad de aguas para riego y de sabor en aguas para reuso. En general, los métodos convencionales de tratamiento de aguas residuales no remueven cloruros. En aguas residuales domesticas crudas la concentración de cloruros oscila entre 30 – 200 mg/L. Los cloruros interfieren en el ensayo de la DQO y su determinación también sirve para control de contaminación marina y de la tasa de bombeo en acuíferos costeros. Los cloruros en concentraciones mayores de 15000 mg/L son considerados tóxicos para el tratamiento biológico convencional. Coliformes. Los organismos patógenos que pueden existir en las aguas residuales son, generalmente, pocos y difíciles de aislar e identificar. Por esta razón se prefiere utilizar a los coliformes como organismo indicador de contaminación o, en otras palabras, como indicador de la existencia de organismos productores de enfermedad. El hombre arroja diariamente, en sus excrementos, entre 10 9 a 4 x 1011 coliformes; por lo tanto, su presencia puede ser detectada fácilmente y utilizada como parámetro de control sanitario. Las bacterias coliformes son bacilos gram-negativos, aerobios facultativos anaerobios, no formadores de esporas, que fermentan la lactosa con produccion de gas en 48 ± 3 h a 35 o 37 ºC. El grupo de coliformes totales, grupo coli-aerogenes, incluye los géneros Escherichia y Aerobacter. En general, se considera el genero Escherichia, especie E. coli, como la población de bacterias coliformes mas representativa de contaminación fecal. El genero Aerobacter y algunas Escherichia pueden crecer en el suelo, lo cual implica que la presencia de coliformes no necesariamente representa la existencia de contaminación fecal humana. El ensayo de coliformes fecales, CF, se estableció con base en la capacidad de las bacterias coliformes fecales, E. coli, de producir gas, en medio EC, al ser incubadas a 44.5 ± 0.2 ºC durante 24 ± 0.5ºC y por 21 ± 2horas a 44.5 ± 0.2ºC. En al remoción de coliformes tiene efecto principal el tiempo de retención, la temperatura, la radiación ultravioleta, la concentración algal y el consumo por protozoos, rotíferos y dáfnias. Con excepción de algunas cepas de coliformes fecales enteropatógenos que causan diarrea, los coliformes no son patógenos para el hombre. Sin embargo, los coliformes pueden aceptar y transferir genes resistentes a las drogas, por lo cual hacen necesaria su eliminación (13). Color. Las aguas residuales domesticas frescas son generalmente de color gris y a medida que el agua envejece cambia a color gris oscuro y luego a negro. El color negro de las aguas residuales sépticas es producido principalmente por la formación de sulfuros metálicos. El color en aguas residuales industriales puede indicar el origen de la contaminación asi como el buen estado y deterioro de los procesos de tratamiento. Entre los residuos industriales de color fuerte se tienen los de la industria colorante de textiles y de pulpa de papel. Compuestos orgánicos volátiles. En aguas residuales es común encontrar compuestos orgánicos volátiles, COV, los cuales al ser emitidos a la atmósfera pueden constituirse en contaminantes tóxicos para los usuarios o en gases orgánicos altamente reactivos que pueden contribuir a la produccion de ozono o de compuestos muy olorosos. La existencia de emisiones de COV en alcantarillas y plantas de tratamiento puede hacer necesario el estudio, análisis e implantación de sistemas para su control. Entre los COV se incluyen el dicloroetileno, diclorometano, cloroformo, dicloroetano, tolueno, benceno, tetraclorometano, dibromometano, dibromoetano, tetracloroetileno, cromoformo, propilbenceno, etiltolueno, trimetilbenceno, tricloroetileno, xileno, dietilbenceno, cumeno, dimetilsulfuro, limineno, alfapineno y otros. Generalmente se considera como COV al que tiene un punto de ebullición ≤ 100ºC y/o una presión de vapor mayor de 1 mm Hg a 25ºC. Asi, por ejemplo, el cloruro de vinilo con punto de ebullición de -13.9ºC y presión de vapor de 2548 mm Hg a 20ºC es un compuesto orgánico extremadamente volátil. En aguas residuales domesticas, el contenido de COV es comúnmente menor de 400 µ g / L (10). Demanda bioquímica de oxigeno. La demanda bioquímica de oxigeno es la cantidad de oxigeno requerido por los microorganismos para oxidar (estabilizar) la materia orgánica biodegradable en condiciones aerobias. Cuando se refiere a la demanda bioquímica de oxigeno requerida para oxidar todo el material orgánico carbonáceo biodegradable, se denomina demanda bioquímica ultima de oxigeno carbonáceo, DBOUC. En condiciones normales de laboratorio esta demanda se cuantifica a 20ºC y el ensayo estándar se realiza a 5 días de la incubación y se conoce convencionalmente como DBO con valores numéricos expresados generalmente en mg/L – O2. La DBO es el parámetro mas usado para medir la calidad de aguas residuales y superficiales, para determinar la cantidad de oxigeno requerido para estabilizar biológicamente la materia orgánica del agua, para diseño de unidades de tratamiento biológico, para evaluar la eficiencia de los procesos de tratamiento y para fijar las cargas orgánicas permisibles en fuentes receptoras. La formulación matemática de la DBO carbonácea fue hecha por Streeter y Phelps con base en la empírica de Theriault de que la tasa de oxidación bioquímica de la materia orgánica es directamente proporcional a la cantidad de materia orgánica biodegradable presente; es decir, obedece una ecuación de primer orden. Matemáticamente se tiene: dLt = − KLt dt (1.1) donde: Lt = DBO remanente en el agua para el tiempo t, mg/L K = constante que expresa la tasa de oxidación, d -1 t = tiempo de oxidación, d dLt = tasa de oxidación de la materia orgánica carbonácea, mg/L.d dt Integrando la ecuación anterior se obtiene: Lt = e-Kt = 10− kt L Donde: (1.2) L = DBO remanente en el agua para el tiempo t = 0 o DBOUC. K = 2.303 x k (1.3) La DBO remanente para cualquier tiempo t es igual a: Lt = Lxe -Kt = Lx10− kt La DBO ejercida en cualquier tiempo t es: (1.4) y = L − Lt = L − Lxe-Kt = L − Lx10− kt (1.5) y = l (1 − e-Kt ) = L(1 − 10− kt ) (1.6) La ecuación 1.6 es la expresión usual de la DBO, donde, y = DBO ejercida por el agua después de un tiempo t, mg/L L = DBOUC, mg/L, o DBO remanente en el agua para t = 0 K = constante de velocidad de reacción de la DBO, base natural, d -1 k = constante de velocidad de reacción de la DBO, base decimal, d -1 t = tiempo de reacción, d La DBO estándar, DBO5 o simplemente DBO es igual a: y5 = L(1 − e -5K ) = L(1 − 10−5 k ) (1.7) Evidentemente, la DBOUC es igual a la DBO satisfecha más la DBO remanente: L = y + Lt Además, la fracción remanente para cualquier tiempo t será: oxidada será: 1 − Lt L Gráficamente, la ecuación anterior se ilustra en la figura1.8. (1.8) Lt y la fracción L La oxidación bioquímica es un proceso lento que requiere, matemáticamente, un tiempo infinito para su culminación. A 20ºC, valores típicos de K y k son respectivamente 0.23 y 0.10 d-1, para aguas residuales domesticas. Sin embargo, los valores de K pueden variar entre 0.05 y 0.3 d-1 (10). En la tabla 1.13 se incluyen otros valores de K citados por la literatura. Para determinar el valor de la constante de reacción K a una temperatura diferente de 20 ºC se utiliza la ecuación deducida de la relación clásica de Van’t Hoff Arrhenius: KT = K 20θ T − 20 Donde: (1.9) KT = constante de reacción de la DBO para T ºC K 20 = constante de reacción de la DBO para 20 ºC θ = coeficiente de temperatura 1.135 para T = 4 – 20 ºC 1.056 para T = 20 – 30 ºC 1.047 para T > 20 ºC T = temperatura dada, ºC Para una misma DBOUC el consumo de oxigeno es función del tiempo de reacción y del valor de K como se puede ver en la figura 1.9. DBO nitrogenácea. La descomposición de la materia orgánica, especialmente la hidrólisis de las proteínas, produce material no carbonáceo como el amoniaco. Este material, nitrógeno amoniacal, es oxidado por las bacterias nitrificantes en nitrito y nitrato, causando una demanda de oxigeno conocida como demanda bioquímica de oxigeno nitrogenácea, DBON. En un cultivo mixto, como el usado normalmente para determinar DBO, se tiene generalmente una población de bacterias nitrificantes baja, porque la tasa de reproducción de las bacterias nitrificantes es lenta, normalmente de 6 a 10 días; sin embargo, en efluentes de plantas de tratamientos de aguas residuales existe una población de bacterias nitrificantes suficientes de la DBOC. La interferencia causada por la demanda adicional de oxigeno de las bacterias nitrificantes se elimina mediante pretratamiento de la muestra o por medio de agentes inhibidores. En general, se ha afirmado que las bacterias comunes del agua residual tienen un tiempo de generación de 7 horas y que las bacterias nitrificantes, por otra parte, tienen un crecimiento mucho mas lento y su tiempo de generación es mayor de 8 días. El efecto de la DBON se observa gráficamente en la figura 1.10. La cantidad de oxigeno requerida para satisfacer la DBON puede determinarse utilizando los análisis de las diferentes formas del nitrógeno y usando las relaciones siguientes: Bacterias NH 4+ + 1.5O 2 → NO -2 + 2 H + + H 2O Nitrosomonas (1.10) Bacterias NO-2 + 0.5O 2 → NO3Nitrobacter (1.11) Mediante las reacciones anteriores, las bacterias nitrificantes obtienen la energía para su sostenimiento y crecimiento celular. Globalmente, NH 4+ + 2O 2 → NO3- + 2 H + + H 2O (1.12) De acuerdo con las relaciones estequiométricas anteriores se requieren 4.57 mg/L – O2 para oxidar un mg/L de nitrógeno amoniacal expresado como N y se consumen 7.14 mg/L de alcalinidad como CaCO 3. Otra ecuación usada para cuantificar la DBON, incluyendo la síntesis celular bacterial, es la siguiente (10): NH 4+ + 1.83O 2 + 1.98HCO3- → 0.021C5 H 7 NO 2 + 0.98NO3- + 1.041H 2 O + 1.88H 2 CO3 (1.13) Esta ecuación indica que se requieren 4.3 mg/L – O 2 para oxidar un mg/L de nitrógeno amoniacal expresado como N y que se consumen 8.6 mg/L – HCO 3+ por mg/L de NH 4 - N oxidado o sea 7.1 mg/L de alcalinidad – CaCO 3. Las bacterias nitrificantes son organismos muy sensibles que ven afectada su actividad por diferentes inhibidores; requieren generalmente pH entre 7.5 a 8.6 y oxigeno disuelto mayor de 1 mg/L. Alternativamente, la DBON se puede calcular, en forma similar a la DBOC, suponiendo una cinética de primer orden. Ejemplo 1.2. La DBO estándar de un A.R. es de 200 mg/L y la constante de reacción, base 10, 0.1 d-1; determinar la DBO a 1 día y la DBOUC. Solución 1. La DBOUC será igual a L= y 200 = = 293 mg/L − kt 1 − 10 1 − 10−0.1x 5 2. La DBO a 1 día será: y = L(1 − 10− kt ) = 293(1 − 10−0.1x1 ) = 60 mg/L Ejemplo 1.3. La DBO estándar de un agua residual es de 200 mg/L y el contenido de NTK de 20 mg/L – N. La constante de reacción de la DBO, base 10, es igual a 0.1 d-1. Calcular la DBOUC, la DBON y la DBO total del agua residual. Solución 1. La DBOUC del residuo será: L= y 200 = = 293 mg/L − kt 1 − 10 1 − 10−0.1x 5 2. La DBON del residuo será: DBON = 20 x 4.57 = 91 mg/L 3. L a DBO total del agua residual será: DBOT = 293 + 91 = 384 mg/L Calculo de K y L Existen varios métodos para el cálculo de K y L: método de los mínimos cuadrados, de los momentos, de la diferencia diaria, de Thomas y otros. Método de los mínimos cuadrados para el cálculo de K y L El método se basa en el siguiente desarrollo matemático. La ecuación de la DBO: y = L(1 − e − Kt ) (1.6) dy = K ( L − y) dt (1.14) En forma diferencial: La ecuación anterior es lineal entre dy/dt y y ; por lo cual se pueden obtener expresiones para L y K por mínimos cuadrados. El valor de dy/dt es la pendiente de la curva ase ajustada a través de los diferentes pares de valores observados de y y t; sin embargo, por errores experimentales, los dos términos de la ecuación anterior no serán iguales y habrá una diferencia R dada por las ecuaciones 1.15 y 1.16. R = K ( L − y) − O también, Donde: dy dt (1.15) R = KL − Ky − y ' (1.16) R = a + by − y ' (1.17) a = K L b = −K El método de los mínimos cuadrados requiere que la suma de los cuadrados de las N diferencias sea un mínimo, o sea, ∑ R = ∑ (a + by − y ') 2 2 = un mínimo (1.18) La ecuación anterior se cumple cuando las primeras derivadas de ∑R 2 , con respecto a a y b, son iguales a cero. ∂∑ R 2 ∂a ∂∑ R 2 ∂b ∂R = 2∑ (a + by − y ') = 0 ∂a (1.19) ∂R = 2∑ (a + by − y ') y = 0 ∂b (1.20) = 2∑ R = 2∑ R Para N + 1 pares de valores observados de y y t se obtienen las dos ecuaciones normales: Na + b∑ y − ∑ y ' = 0 (1.21) a ∑ y + b∑ y 2 − ∑ yy ' = 0 (1.22) Donde: K = −b L = − a b N = numero de pares de valores observados -1 (1.23) (1.24) (1.25) Los valores de y ' se calculan, para ∆t constante, asi: y − y N −1 dy = y ' = N +1 dt 2∆t (1.26) También, para ∆t variable, el cálculo se hace asi: t −t t −t ( y N − y N −1 ) N +1 N ÷+ ( y N +1 − y N ) N N −1 ÷ t N − t N −1 t N +1 − t N y'= t N +1 − t N −1 (1.27) Donde: y N y t N = magnitud y tiempo del punto para el cual se calcula y ' y N −1 y t N −1 = valores para el punto inmediatamente anterior y N +1 y t N +1 = valores para el punto inmediatamente siguiente
