Estimación de la demanda bioquímica de oxígeno en efluentes utilizando la técnica de Espectrofotometría

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(1)ESTIMACIÓN DE LA DEMANDA BIOQUÍMICA DE OXÍGENO EN EFLUENTES UTILIZANDO LA TÉCNICA DE ESPECTROFOTOMETRÍA. MARTÌN FELIPE RAMÌREZ MUÑOZ VONY LIZETH MALDONADO PRADO. UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS FACULTAD DE MEDIO AMBIENTE Y RECURSOS NATURALES INGENIERÍA SANITARIA BOGOTÁ D.C. – 2019. 1.

(2) ESTIMACIÓN DE LA DEMANDA BIOQUÌMICA DE OXÍGENO EN EFLUENTES UTILIZANDO LA TÉCNICA DE ESPECTROFOTOMETRÍA. MARTÌN FELIPE RAMÌREZ MUÑOZ VONY LIZETH MALDONADO PRADO. Trabajo de grado para obtener el título de Ingeniero Sanitario.. ASESOR: Jorge Alonso Cárdenas León Químico, M. Sc. Hidrogeología. UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS FACULTAD DE MEDIO AMBIENTE Y RECURSOS NATURALES INGENIERÍA SANITARIA BOGOTÁ D.C. – 2019. 2.

(3) Agradecimientos Este proyecto de investigación es realizado gracias a la iniciativa de trabajo dirigida a cargo del docente Jorge Alfonso Cárdenas León, sin el cual el trabajo no tendría una orientación adecuada. Al mismo tiempo agradecemos al jurado de evaluación, el docente Martín Antonio Gil Molina, el cual con sus apreciaciones ayudo en la revisión y mejora del proyecto de investigación. Por último, queremos destacar a cada una de las personas que desde su punto de vista ayudaron con la terminación y desarrollo del proyecto, gracias totales. Dedicatoria El trabajo plasmado en el proyecto de investigación está dirigido a cada uno de los estudiantes, profesores y profesionales que dedican su tiempo y esfuerzo para intentar cambiar las condiciones de las futuras generaciones. Cabe destacar que este proyecto es realizado con la dedicación de sus autores para cada una de las personas que ayudaron en el crecimiento profesional e intrapersonal durante sus estadios en la universidad Distrital.. 3.

(4) Contenido 1. 2. 3. OBJETIVOS. 10. 1.1. OBJETIVO GENERAL. 10. 1.2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS. 10. MARCO TEÓRICO. 11. 2.1. Principios de la espectrofotometría UV-Visible (UV-Vis). 11. 2.2. Método estándar modificado: Mejora en la medición de oxígeno. 13. 2.3. Método fotométrico. 13. 2.4. Método manométrico. 13. 2.5. Biosensores para la detección de la DBO. 14. 2.5.1. Biosensores de biopelículas con electrodo de oxígeno. 14. 2.5.2. Sensores de sistemas tipo bioreactor. 15. 2.6. Biosensores Mediadores. 15. 2.7. Resumen de los principales métodos para la estimación de la DBO. 17. MATERIALES Y METODOLOGÍA. 19. 3.1. Recolección y recepción de muestras. 19. 3.2. Metodología analítica experimental. 20. 3.2.1. Demanda bioquímica de oxígeno (DBO5). 20. 3.2.2. Agua de dilución. 21. 3.2.3. Solución control. 22. 3.2.4. Dilución de las muestras. 22. 3.2.5. Medición del oxígeno disuelto. 23. 3.2.6. Espectroscopia UV-VIS. 23. 3.3. Metodología Instrumental. 23. 4. ANÁLISIS DE RESULTADOS. 25. 5. CONCLUSIONES. 35. 6. RECOMENDACIONES. 36. 7. REFERENCIAS. 37. 4.

(5) LISTA DE TABLAS Tabla 1. Longitud de onda aproximada, energías y tipo de excitación para diferentes regiones espectrales. Tomado de: Tissue, 2012.. 12. Tabla 2. Comparación de las principales técnicas de medición de la DBO. Tomado de: (Jouanneau, 2014). 17. Tabla 3. Datos experimentales del método estándar DBO5 y valores estimados por el método propuesto.. 25. Tabla 4. Área bajo la curva espectral, en un rango entre 250 y 600 nm, para cada una de de las muestras analizadas. 27 Tabla 5. Comparación entre la DBO5 esperada y la DBO5 estimada por la metodología de estudio. 31 Tabla 6.Resultados internos de DQO, de la muestra enviada a los laboratorio 1 y 2. (Numerar la muestra). 33. LISTA DE FIGURAS Figura 1. Mapa de incubación del punto de muestreo.. 19. Figura 2. Muestras para incubación, método estándar.. 21. Figura 3. Preparación agua de Dilución, método estándar.. 22. Figura 4. Método Winkler.. 23. Figura 5. Gráfica del ABC con respecto a la DBO, para los ensayos con una DBO control dentro del rango del 25% de error. 28 Figura 6. Regresión lineal de la ABC con respectos a la DBO, usando la ecuación lineal para los casos de baja precisión. 29 Figura 7. Regresión lineal de la ABC con respectos a la DBO, usando la ecuación lineal para los casos de alta precisión. 30. 5.

(6) ESTIMACIÓN DE LA DEMANDA BIOQUÍMICA DE OXÍGENO EN EFLUENTES UTILIZANDO LA TÉCNICA DE ESPECTROFOTOMETRÍA RESUMEN En este trabajo se determina la demanda bioquímica de oxígeno, en muestras de agua residual doméstica, por el método estándar de incubación a cinco días y se relacionan estos resultados, con el área bajo la curva espectrofotométrica de las muestras, en el rango de 250 a 600 nm. Se ha escogido ese rango, porque mediante mediciones previas, se observó que las muestras de ARD, absorben de manera continua en este rango de longitudes de onda y porque dicho rango, cubre los máximos de absorbancia de diferentes grupos cromóforos orgánicos e inorgánicos, presentes en las aguas residuales domésticas. Por lo anterior, es de suponer que los resultados encontrados en este estudio, sean extensibles a muestras de agua residual doméstica, de matrices semejantes o en su defecto, que sea necesario ajustar el método, para matrices diferentes. Como resultado de este estudio, se encontró, que efectivamente existe una relación directa, entre el área bajo la curva espectral de las muestras y su correspondiente valor de DBO5, con una desviación inferior al 15 %. Este dato es importante, si tiene en cuenta que las desviaciones aceptables en el método estándar de incubación a cinco días, pueden llegar, incluso, al 25 %. Palabras clave: Espectrofotometría, Demanda Bioquímica de Oxígeno (DBO), Calidad del agua, Estandarización de Métodos analíticos, Agua Residual Doméstica (ARD).. 6.

(7) ABSTRACT In this work the biochemical oxygen demand is determined, in samples of domestic residual water, by the standard method of incubation to five days and these results are related, with the area under the spectrophotometric curve of the samples, in the range of 250 to 600 nm. This range has been chosen, because by means of previous measurements, it was observed that the ARD samples continuously absorb in this range of wavelengths and because said range covers the absorbance maxima of different organic and inorganic chromophore groups, present in domestic wastewater. Therefore, it is assumed that the results found in this study can be extended to samples of domestic wastewater, of similar matrices or, failing that, that it is necessary to adjust the method, for different matrices. As a result of this study, it was found that there is a direct relationship between the area under the spectral curve of the samples and their corresponding BOD value, with a deviation lower than 15%. This information is important, if you take into account that acceptable deviations in the standard five-day incubation method can even reach 25%. Keywords: Spectrophotometry, Biochemical Oxygen Demand (BOD), Water Quality, Standardization of Analytical Methods, Domestic Residual Water (ARD).. 7.

(8) INTRODUCCIÓN La demanda bioquímica de oxígeno (DBO) se ha utilizado convencionalmente como un índice de concentración de la materia orgánica, fácilmente biodegradable, en aguas residuales. En la práctica es expresada, como una medida de la contracción de oxígeno disuelto requerido para la oxidación bioquímica de compuestos orgánicos presentes en la muestra. El método de análisis de uso más extendido es el método estándar de incubación a cinco días. Aunque la DBO5 es un indicador aproximado de la concentración real de la materia orgánica fácilmente biodegradable, el método de análisis presenta el inconveniente de requerir un tiempo de análisis demasiado extenso, cinco días, particularmente cuando se requieren resultados inmediatos como, por ejemplo, en las plantas de tratamiento de aguas residuales. El método también presenta dificultades cuando existen en la muestra, sustancias tóxicas que impiden el crecimiento microbiano. Sin embargo, otra de las dificultades, quizás la más importante, es la relacionada con la necesidad que existe en el método estándar, de realizar diluciones, en prácticamente todas las muestras. Teniendo en cuenta los inconvenientes y deficiencias ya mencionados, se hace necesario desarrollar métodos alternos, para la medición de DBO, que permitan realizar estas mediciones de forma más rápida, simple y precisa, sin deterioro de la calidad en las mediciones. Con ello se estará contribuyendo también al cuidado y preservación de los recursos hídricos naturales, así como en la gestión y administración de los ecosistemas acuáticos. Otras alternativas de medición son los biosensores y los sensores ópticos, que mediante mediciones de absorción de energía radiante buscan estimar la DBO, de forma ágil y precisa. En el campo de los biosensores, los compuestos orgánicos se oxidan sobre biopelículas y el consumo de oxígeno se obtiene midiendo la variación de la corriente (cargas eléctricas generadas por el intercambio de electrones) de estado estable (Chee, 1999). A pesar de las ventajas que presentan los biosensores sobre la DBO5 convencional, existen varios problemas relacionados con el monitoreo en tiempo real y la inestabilidad de los microorganismos. Por ejemplo, los biosensores tienen un corto tiempo de vida útil, por lo tanto, se limita su aplicación para monitoreo continuo (Bougeois, 2001). Además, en casos de tener altas concentraciones de nutrientes se presenta un estado conocido como pérdida de la sensibilidad de lectura (Osbild, 1998) Por otra parte, las técnicas ópticas utilizando principalmente la espectrofotometría UV-VIS, es un método para estimar la DBO en el cual, la luz interactúa con la composición orgánica presente en la muestra. Las ventajas que presentan estos métodos, son la rapidez de los resultados, la versatilidad del proceso y, que no es necesario realizar un tratamiento previo sobre las muestras de interés. Así mismo, estas condiciones permiten evaluar la técnica para su aplicación en tiempo real (Bougeois, 2001) 8.

(9) PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA Y JUSTIFICACIÓN La estimación de la DBO se realiza a partir de la metodología DBO5 propuesta por Standard Methods for the examination of water and wastewater. Este método es usado frecuentemente debido a su exactitud en la medición cuantitativa; sin embargo, tiene unas desventajas representadas por el tiempo de incubación, además de un cuidado especial en su realización, como en la oxigenación del agua de dilución; la rigurosidad en el peso y la adición de los compuestos a utilizar en el ensayo, así como en el desarrollo de la medición del oxígeno disuelto, por el método Winkler. Por todas estas razones, en este estudio se investiga una alternativa de medición de DBO, a partir de la relación existente entre el área bajo la curva espectral, en el rango 250-600 nm y la DBO, medida por el método estándar. De ser viable, esta propuesta, tendría la ventaja, sobre el método de incubación a cinco días, de ser más rápida, económica y precisa, además de requerir pequeños volúmenes de muestra para su medición. Los valores derivados de esta investigación seguirán de cerca las tendencias del método estándar, lo que permite hacerlos ideales para el control en tiempo real de los efluentes de aguas residuales.. 9.

(10) 1 1.1. OBJETIVOS OBJETIVO GENERAL. Evaluar el potencial de estimación de la DBO en una muestra de agua proveniente de un efluente en la cuidad de Bogotá, mediante métodos espectrofotométricos. 1.2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS. ●. Seleccionar un punto de muestreo de un cauce urbano de la cuidad de Bogotá, para realizar muestreos puntuales sobre la sección transversal del cauce.. ●. Establecer un rango de longitudes de onda de trabajo, para el registro de las curvas espectrales.. ●. Realizar ensayos de DBO por el método estándar de incubación a cinco días y /relacionar estos resultados con las áreas bajo la curva espectral, dentro del rango de trabajo.. ●. Realizar ejercicios de predicción de DBO, con las curvas de mejor ajuste, con el propósito de comparar los valores calculados mediante la ecuación lineal.. ●. Corroborar los resultados obtenidos en las predicciones, con mediciones hechas por un par externo.. 10.

(11) 2. MARCO TEÓRICO. El agua es parte constituyente de la mayoría de animales y vegetales, por esta razón es una de sustancias más importante para los seres vivos, sin embargo, esta es altamente susceptible a la contaminación. Las aguas superficiales son el principal receptor de residuos antropogénicos, ya sea por actividades industriales y/o domésticas. En el caso de los contaminantes, hay residuos que para su tratamiento demandan, oxígeno afectando las cantidades de oxígeno presentes en las corrientes de agua, como en las aguas estancadas. Así, por ejemplo, la materia orgánica, requiere oxígeno para ser degradada por vía aeróbica. La descarga de materia orgánica contaminante, en los cuerpos de agua receptores, consume el oxígeno disponible en estos y, una medida de ese impacto, es lo que se conoce como demanda bioquímica de oxígeno. La oxidación bioquímica es un proceso en cual, los microorganismos utilizan las sustancias orgánicas del agua residual, como una fuente de carbono, consumiendo de este modo el oxígeno disuelto necesario para mantener la biota aeróbica del reservorio. La cantidad de oxígeno disuelto consumido por un volumen de muestra de agua, a partir del proceso de oxidación bioquímica, ha sido definido como un método de medición de la calidad del agua y se denomina, prueba de Demanda Bioquímica de Oxígeno o DBO (Instituto de Hidrología, 2007)). Así, la DBO es la medida de la cantidad total de oxígeno requerido por los microorganismos para oxidar la materia orgánica biodegradable, disponible en la muestra. La reacción de la biodegradación aeróbica en las aguas residuales, se expresa como: 𝐶𝑎𝑟𝑏𝑜ℎ𝑖𝑑𝑟𝑎𝑡𝑜𝑠 𝑃𝑟𝑜𝑡𝑒𝑖𝑛𝑎𝑠 𝐻𝑖𝑑𝑟𝑜𝑐𝑎𝑟𝑏𝑢𝑟𝑜𝑠. Biomasa Catalizador. + 𝑂2. 𝐶𝑂2 + 𝐻2 𝑂 + 𝑁𝐻4 + 𝑀𝑖𝑛𝑒𝑟𝑎𝑙𝑒𝑠 + 𝑏𝑖𝑜𝑚𝑎𝑠𝑎. La prueba de DBO es un procedimiento experimental, tipo bioensayo, en donde las muestras de agua residual y/o diluciones convenientes de las mismas, de acuerdo a lo establecido por el Standard Methods for the examination of water and wastewater, se incuban a unas condiciones estándar de oscuridad a 20°C, por cinco días. La disminución del oxígeno disuelto (OD) presente en las muestras, medida por el método Winkler durante el periodo de incubación produce una medida de la DBO. 2.1. Principios de la espectrofotometría UV-Visible (UV-Vis). Los métodos espectrofotométricos de absorción en las regiones visible e ultravioleta, UVVIS, se basan en la propiedad de absorción de energía radiante, que tienen algunas sustancias, en proporción directa con su concentración. En un espectrofotómetro UV-VIS, la radiación es generada por el equipo, el cual tiene un rango espectral que va desde 190 a 800 nm. Los métodos difieren unos a otros, en función de de las regiones del espectro electromagnético que se trabajen (Ver Tabla 1). La atenuación es el resultado de la reflexión y dispersión generada a partir de las sustancias que no permiten el paso de la radiación; por otra parte, se 11.

(12) tiene una absorción en los compuestos que presentan dicha capacidad a una longitud de onda discreta; por último en algunos casos, se tienen interferencias producidas por la omisión de los estándares de buenas prácticas de laboratorio (Marieta L.C. Passos, 2019) En casos puntuales de laboratorio, la medida que mejor se ajusta a los intereses de la concentración de los analitos es la absorbancia. Dentro de los límites de control, la absorbancia es proporcional a la concentración del analito que se busca determinar y a la distancia que atraviesa el rayo de luz, a través de la muestra durante la irradiación. La relación anteriormente descrita es denominada Ley de Beer, matemáticamente se escribe de la siguiente forma: 𝐴= 𝜀𝑥𝑏𝑥𝑐 Donde A, es la absorbancia registrada para la muestra ε, es el coeficiente de absorbancia molar (Depende de la longitud de onda configurada) [𝑚𝑜𝑙 −1 𝐿 𝑐𝑚−1] b, es el ancho de la celda, en cm c, es la concentración de la sustancia [𝑚𝑜𝑙 𝐿−1 ] La relación lineal de la ecuación puede estar influenciada por distintos factores; características del espectrofotómetro, fotodegradación de las moléculas, interferencias por dispersión o absorbentes de no interés en la muestra, compuestos fluorescentes en la muestra, interacciones entre el analito y el disolvente, y el pH (Sommer, 1989). Tabla 1. Longitud de onda aproximada, energías y tipo de excitación para diferente regiones espectrales.. Fuente: Tomado de (Tissue, 2012). 12.

(13) 2.2. Método estándar modificado: Mejora en la medición de oxígeno. El método hace referencia a la incorporación de la sonda para la medición del oxígeno consumido por los microorganismos. Está adaptación parte de la mención implícita del método estándar, en el cual, se describe que la lectura del consumo de oxígeno debe ser realizado a partir de una sonda electroquímica (Electrodo) o mediante la aplicación de la técnica de yodometría. La ventaja de la modificación radica en el avance de la sonda óptica (basado en un indicador químico ‘Fluorescencia dinámica’), que interactúa con el oxígeno, razón por la cual se evidencia una reducción en la emisión de la fluorescencia que irradia el indicador químico. Con esta última interpretación, se llega a la afirmación ‘...que la disminución de la fluorescencia es proporcional a la concentración de oxígeno disuelto presente en la muestra…’ (Xu, 1994) (McEvoy, 1996) (McDonagh, 2001) (Xiong, 2006). Una de las apreciaciones sobre este tipo de tecnología, es el bajo mantenimiento de la sonda electroquímica. Además, la muestra analizada no sufre modificaciones químicas durante la medición, debido a que el oxígeno no es consumido por la sonda, por lo tanto, la medición de oxígeno no es afectada por la velocidad del flujo o el campo electromagnético de los equipos (Klimant, 1995). 2.3. Método fotométrico. El método utiliza las mismas condiciones de incubación que describe el método estándar (Dilución de muestras con altas cargas orgánicas, incubación a 20°C en ausencia de luz, inóculo de población microbiana y tiempo de incubación de 5 días), la variable de análisis es el consumo de oxígeno disuelto por parte de los microorganismos presentes en las muestras durante el periodo de análisis. Realizando una lectura antes de la incubación y una posterior de la incubación. Una vez finalizado el tiempo límite de incubación, se procede a realizar una adición de reactivos que colorean la muestra en un tono rojo, la intensidad de dicho color depende de la concentración de oxígeno disuelto disponible en la muestra de análisis. La medida de la absorbancia del color por medio de un espectrofotómetro, permite estimar la concentración de oxígeno en la muestra. Este método permite establecer una relación indirecta de la DBO calculada (Nobuyuki Yoshida, 2002). 2.4. Método manométrico. Este método está orientado a la medición de la presión, en donde el cambio de la presión inicial, con respecto a la final, es un indicio del consumo de oxígeno por parte de los microorganismos que oxidan la materia orgánica. El montaje experimental utiliza botellas herméticamente selladas, llenadas con un volumen conocido de la muestra. En su interior, los microorganismos oxidan la materia orgánica utilizando el oxígeno gaseoso (atrapado en 13.

(14) la botella), como fuente de los electrones empleados en el proceso. El dióxido de carbono generado durante el proceso es absorbido por el hidróxido de sodio atrapado en el interior de las botellas por medio de las paletas (Caldwell, 1948) Los cambios de presión son registrados por un manómetro y expresados de forma equivalente al porcentaje de oxígeno consumido; el valor final es una medición indirecta de la DBO. En el transcurso del tiempo se han adelantado investigaciones que mejoran el proceso de medición para el descenso de la presión dentro de las botellas. Una de las principales variantes utiliza un barómetro de mercurio, esta modificación fue desarrollada por BMS 6 propuesto por Velp Scientifica que emplea un sistema manual. Por otro lado, se tienen sistemas comerciales basados en sensores de presión que no utilizan mercurio, estos se encuentran enumerados en la literatura: BODTrack (Hach Lange, Germany), Quick Scan BOD Analyzer (Challenge technology, USA), OxiTop (WTW), OxyDirect (Tintometer, Germany), BOD EVO Sensor (Velp Scientifica, Italy), y CI-B5 BOD ANALYZER (FanYuan Instrument, China. Para este último conjunto de sistemas se ubica un sensor en la cabeza de medición que permite sellar herméticamente el recipiente, con el propósito de anular la entrada o salida de oxígeno dentro del volumen de control, este sistema no requiere trabajar con diluciones en el caso de tener muestras con altas concentraciones de materia orgánica. 2.5. Biosensores para la detección de la DBO. El bioreconocimiento de la DBO es el proceso por el cual los microorganismos realizan procesos biológicos que permiten la lectura del parámetro de la demanda bioquímica de oxígeno (DBO). Está actividad microbiana parte del principio de inmovilización de biopelículas formadas por colonias que utilizan el oxígeno como fuente de oxidación para la materia orgánica (O.N. Ponomareva, 2011). La fijación de los microorganismos cumple la función de crear un electrodo de medición a partir de la relación de los procesos bioquímicos desencadenados durante el consumo de materia orgánica, por parte de los microorganismos. Dentro de las limitantes encontradas para los biosensores, se encuentra la baja tolerancia de los microorganismos, en presencia de un medio contaminado con metales pesados (Rodriguez-Mozas, 2006). 2.5.1 Biosensores de biopelículas con electrodo de oxígeno El fundamento experimental de los biosensores inicia con la medición de la tasa de respiración de los microorganismos que se encuentran alrededor del transductor (electrodo) de contacto directo sobre el medio de interés (Karube, 1977). Los primeros estudios realizados en el área de investigación de los biosensores, plantearon un ensayo de laboratorio que utilizó una biopelícula de origen microbiano, la cual se adhería a un sustrato poroso (Celulosa) y al medio permeable (teflón) del electrodo utilizado para la medición de oxígeno. 14.

(15) El proceso de operación inicia con la difusión del oxígeno disuelto de la muestra hacia la biopelícula (microorganismos fijados), una fracción de la concentración de oxígeno inicial es consumida por los microorganismos aeróbicos, para la oxidación de la materia orgánica contenida en la muestra de análisis. El oxígeno residual pasa a través del medio poroso para ser reducido en un cátodo del electrodo; este último proceso permite la medición de la concentración final de oxígeno. Dicha hipótesis está sujeta a la interpretación, según la cual, ‘La intensidad de la corriente en el sistema es directamente proporcional a la cantidad de oxígeno reducido en el electrodo’ (O.N. Ponomareva, 2011) La respuesta del biosensor es ajustada por medio de dos métodos de procesamiento, el primero de estos corresponde al equilibrio o dinámica (medición en el punto final) y la segunda, a la cinética (medición de la velocidad de consumo) (Tan, 1993). 2.5.2 Sensores de sistemas tipo bioreactor Los sistemas de tipo bioreactor utilizan un respirómetro para determinar la DBO; el funcionamiento de estos sistemas permite la lectura constante de la actividad respirometría de la materia orgánica en suspensión. La materia en suspensión se encuentra contenida dentro de un grupo asociativo que compacta los microbios en un punto focal; este comportamiento se relaciona con el concepto de lodos activados, según el cual, dentro del medio confinado en el reactor, las partículas orgánicas fácilmente oxidables, entran en contacto directo con los lodos activados. Para mejorar la repetibilidad de los ensayos se utilizan cepas individuales que permiten generar un reconocimiento de cada una de las etapas de consumo de materia orgánica, toda vez que los microorganismos en los lodos activados, actúan de forma discontinua (Sohn, 1995) Una de las ventajas que presenta este tipo de sensores es la estabilidad durante la operación del sistema con respecto a los sensores de tipo película. Por otra parte, la principal desventaja radica en que la operación es de tipo estacionario e inaplicable en campo de trabajo, en otras palabras su funcionamiento está restringido para el monitoreo de la DBO en instalaciones dedicadas al tratamiento del agua residual (Praet, 1995) 2.6. Biosensores Mediadores. En el método estándar se estudia el valor de la DBO con respecto a la respiración microbiana, por parte de microorganismos aeróbicos, los cuales están influenciados por la concentración de oxígeno disuelto en el agua. Está correlación tiene ciertas interferencias por la adición involuntaria de oxígeno durante el tratamiento de la muestra. Para minimizar este inconveniente indeseable, se utilizan mediadores. En teoría, se ha encontrado que los compuestos sintéticos de los mediadores, son reducidos por ciertos microorganismos, es. 15.

(16) decir, estos compuestos pueden competir por el oxígeno como fuente de oxidación (Tkac, 2003). Así mismo, estos compuestos pueden tener la propiedad redox.. 16.

(17) 2.7. Resumen de los principales métodos para la estimación de la DBO Tabla 2. Comparación de las principales técnicas de medición de la DBO.. Tecnologías. Variable de relación. Oxígeno Disuelto Método Estándar (O2 ). Método estándar Oxígeno Disuelto modificado (O2 ). Principio de medición Yodometría. Sonda electroquímica. Electrodos de membrana. Tiempo requerido. Ventajas. Desventajas. 5 días. *Valor de la DBO5 real. *Información extensa del proceso. * Método certificado. *Largo Periodo de medición. *Dosificación anual. *Mantenimiento de sondas. *Variabilidad del inóculo.. Sonda óptica. 5 días. Método fotométrico. Oxígeno Disuelto (O2 ). Espectrofotometría. 5 días. Método Manométrico. Presión. Manómetro. 5 días. Bionsensor basado en bacterias bioluminiscentes. Actividad de bioluminiscencia. Luminómetro. 72 min. *Valor de la DBO5 real. *Largo Periodo de medición. *Sonda no invasiva sobre el medio. *Variabilidad del inóculo. * Información extensa del proceso. *Método certificado. *Valor de la DBO5 real. *Kit listo para usar. *Largo Periodo de medición. * No requiere un área extensa de *Variabilidad del inóculo. laboratorio. *Información extensa del proceso. *Método certificado. *Amplio rango de medición (DBO = 0 *Largo periodo de medición. 700 mg/l) *Medida indirecta de la DBO. *Información extensa del proceso. *Equivalencia de la DBO. *Método certificado. *Variabilidad del inóculo. *Corto periodo de análisis. *Medición indirecta. *Amplio rango de medición (DBO = 0 *Predicción de la DBO5 . 200 mg/l). *Inestabilidad de la bioluminiscencia. *Fácil de aplicar. *Poca información del proceso. *Requiere una pequeña área de *Método no certificado. laboratorio.. Fuente. Tomado de (S. Jouanneau, 2014). 17.

(18) Tecnologías. Celdas microbianas. Mediador redox. Variable de relación. Principio de medición. Potencial eléctrico. Amperométrico. Reacción redox. Amperométrico, Luminómetro, Fotómetro o Espectrofotómetro. Tiempo requerido. 315 min. 15 min. Biosensor con microorganismos inmovilizados. Oxígeno Disuelto Sonda electroquímica (O2 ) u óptica. 10 min. Bioreactor. Oxígeno Disuelto Sonda electroquímica (O2 ) u óptica. 20 min. Ventajas *Corto periodo de análisis. *Amplio rango de medición (DBO = 0 200 mg/l) *Bajo mantenimiento. *Configuración que permite el monitoreo de las muestras. *Método certificado. *Corto periodo de análisis. *Amplio rango de medición (DBO = 0 300 mg/l) *Fácil de usar. *Requiere una pequeña área de laboratorio.. Desventajas. *Variabilidad del inóculo. *Medicion indirecta. *Predicción de la DBO5 . *Poca información del proceso.. *Predicción de la DBO5 . *Medición indirecta. *Baja precisión de la evaluación. * Equivalente de DBO. *Poca información del proceso.. *Difusión (oxígeno o productos *Medición directa. químicos) en matriz polimérica o *Corto periodo de análisis. membrana. *Amplio rango de medición (DBO = 0 *Crecimiento bacteriano no controlado. 500 mg/l). *Predicción de la DBO. *Configuración que permite el *Poca información del proceso. monitoreo de las muestras. *Método no certificado. *Medición directa. *Corto periodo de análisis. *Requiere una extensa área de trabajo *Amplio rango de medición (DBO = 0 dentro del laboratorio. 500 mg/l). *Predicción de la DBO. *Configuración que permite el *Variabilidad del inóculo. monitoreo de las muestras. *Rigurosa fase de calibración. *Método certificado. Fuente. Tomado de (S. Jouanneau, 2014). 18.

(19) 3 3.1. MATERIALES Y METODOLOGÍA Recolección y recepción de muestras Se recolectaron un total de 14 muestras durante un periodo de 5 meses (febrero a junio 2019), las muestras fueron obtenidas de la sección transversal del río Tunjuelo, en el sector inferior de la cuenca del rio (Comprendido entre Cantarrana y el Río Bogotá); específicamente, en el punto de intercepción con la Avenida Ciudad de Cali. El río fluye a través del sector sur del área urbana de la ciudad de Bogotá, en dirección noroccidental (¡Error! La autoreferencia al marcador no es válida.). Las muestras fueron recolectadas en la franja horaria de 6:00 a.m. a 8:00 a.m. El sitio de muestreo presenta un amplio rango de concentraciones de DBO; y se asume que los vertimientos descargados sobre el río corresponden a Agua Residual Doméstica, principalmente, aunque, se tiene conocimiento que a este cauce llegan también numerosos vertimientos industriales. Figura 1. Mapa de ubicación del punto de muestreo.. Tomado de https://mapas.bogota.gov.co/?webmap=7bef3527f53a4c21af0b10a35cbfc9e9&widgettoopen=Legend#7. En el punto de muestreo, las muestras de agua fueron recogidas utilizando un muestreador vertical de capacidad de 1 litro, con el cual, se realiza un barrido horizontal que abarque toda la sección transversal, con el fin de obtener una muestra homogénea y representativa de la sección transversal del cauce. En este sentido, se trata de muestras integradas. La muestra es transportada en un envase limpio y almacenada en la oscuridad, mientras se transporta al Laboratorio de Calidad de Aguas de la Facultad del Medio Ambiente de la Universidad Distrital, para su análisis, el cual se realizó, siempre, dentro de las siguientes cuatro horas posteriores al muestreo. Los valores de DBO fueron obtenidos de dos formas: 19.

(20) La primera por el método estándar de incubación a cinco días, SM 5210 B, y la segunda, mediante predicción a partir de las curvas espectrales de trabajo. Las muestras recolectadas en campo fueron homogeneizadas mediante filtración sobre un manto de algodón, con el propósito de retener el material grueso, ajeno a la muestra, que pueda causar interferencias en la medición. Este pretratamiento es necesario para poder obtener datos confiables y reproducibles en todos los muestreos. 3.2. Metodología analítica experimental. Para el desarrollo de esta investigación se siguió una metodología analítica experimental, basada en el diseño y realización de ensayos de laboratorio y su posterior análisis y discusión de resultados. El análisis y discusión de los resultados de cada ensayo, se utilizó para diseñar y programar el siguiente. 3.2.1 Demanda bioquímica de oxígeno (DBO5) El desarrollo de este estudio sigue una metodología analítica experimental, que inicia desde el mismo momento del muestreo y termina cuando se analizan e interpretan los resultados de las pruebas de DBO5, hechas sobre la muestra, siguiendo el Método 5210 BIOCHEMICAL OXYGEN DEMAND (BOD), del Standard Methods, de incubación a cinco días, pero también, de acuerdo con la metodología desarrollada en este estudio. Las muestras tomadas se homogenizan por filtración sobre un manto de algodón, con el propósito de retirar el material grueso, ajeno a las muestras, que suele estar presente en las aguas residuales que fluyen por los cauces urbanos. Vale la pena mencionar, que mediante este proceso de ‘cribado’, se busca homogenizar las muestras, antes que filtrarlas, ya que la intención es medir la DBO debida a los sólidos en suspensión y solución, contenidos en la muestra. Sobre la muestra homogenizada se realiza la prueba de DBO5 por el método estándar de incubación a cinco días y luego se realizan diluciones de la muestra en factores de diez, para, posteriormente, realizar una curva espectral, sobre cada una de estas diluciones, en el rango de 250 a 650 nm. Una vez que han pasado los cinco días de incubación y se obtiene el valor de la DBO de la muestra, se calculan los valores de DBO, de cada una de las diluciones y se grafican, en el eje de las abscisas, contra los correspondientes valores del ‘área bajo la curva’, en el eje de las ordenadas. La hipótesis fundamental de este estudio presupone que ‘existe una relación lineal’ entre estas dos variables y que dado un tipo particular de agua residual doméstica o dado un 20.

(21) determinado punto de muestreo, en un vertimiento de aguas residuales domésticas, el área bajo la curva permitirá predecir la DBO, con un margen de variabilidad inferior al 25 %. El procedimiento con las muestras sigue el siguiente orden: Se incuban las muestras, blancos y patrones a 20°C durante cinco días, más o menos 4 horas, en quince botellas Winkler distribuidas de la siguiente forma: ●. Incubación de tres réplicas de ‘agua de dilución’, para los ‘blancos’.. ●. Incubación de tres réplicas de solución de Glucosa-Glutámico, para los ‘controles’.. ●. Incubación de la muestra, con tres grados de dilución diferente y tres réplicas para cada dilución. Figura 2. Muestras para incubación, método estándar.. Fuente: Propia - Tomada: 20 de mayo del 2019 Para todas las muestras, la siembra se llevó a cabo después de haber filtrado las muestras como método de homogeneización. 3.2.2 Agua de dilución El agua de dilución se prepara dosificando un 1 ml de cada una de las soluciones nutrientes, por cada litro de agua destilada. Adicionalmente se inocula con un volumen del efluente problema (3 ml) a un volumen de 15 litros de agua de dilución, y se airea alrededor de 2 horas antes de su uso. Las soluciones nutrientes adicionadas son: ⮚. Buffer de fosfatos (pH 7,2): Se pesa 8,50 g. KH2PO4, 21,75 g. K2HPO4, 33,40 g. Na2HPO4.7H20 y 1,7 g. NH4Cl. Llevar a un litro con agua destilada. 21.

(22) ⮚. Solución de sulfato de magnesio. Se pesa 22,5 g. MgSO4 y se lleva a un litro con agua destilada.. ⮚. Soluciones de cloruro de calcio. Se pesa 27,5 g. CaCl2 y se lleva a un litro con agua destilada.. ⮚. Solución de cloruro férrico. Se pesa 0,25 g. FeCl3.6H2O y se lleva a un litro con agua destilada. Figura 3. Preparación agua de Dilución, método estándar.. Fuente: Propia - Tomada: 22 mayo del 2019 3.2.3 Solución control De acuerdo a lo establecido por el método estándar para la DBO, a cinco días, la solución control se prepara pesando 150 mg de glucosa y 150 mg de ácido glutámico, previamente secados a 110 C durante 24 horas, disolviéndose en un volumen total de 1000 ml con agua des ionizada. Ésta solución se utiliza como referencia para validar o refutar los resultados de DBO obtenidos por el método estándar. 3.2.4 Dilución de las muestras Las muestras, que eran visiblemente turbias, se diluyeron con agua de dilución, con el fin de alcanzar el rango óptimo de lectura de la DBO5. Las diluciones utilizadas para medir la DBO5 de estas muestras fueron de 10:1000, 15:1000, 20:1000 y 25:1000. En algunos casos la concentración de DBO de la muestra, fue superior a las posibilidades de medición de estas diluciones. 22.

(23) 3.2.5 Medición del oxígeno disuelto Las mediciones del oxígeno disuelto, posterior a la incubación de las muestras, (5 días, más o menos 4 horas), se realizaron por el método de Winkler, tal como se muestra en la Figura 3. Figura 4. Método Winkler.. Fuente: Propia - Tomada: 24 de marzo del 2019 3.2.6 Espectroscopia UV-VIS Las muestras homogenizadas por filtración a través de algodón, se diluyeron en fracciones de diez, en diez, a partir de la muestra concentrada, esto es, al 10 %, al 20 %, etc., hasta llegar a la muestra concentrada o 100 %. Posteriormente, dentro de las 2 horas siguientes al muestreo, se registraron las curvas espectrales de cada una de las diluciones, desde 250 hasta 600 nm. Las mediciones espectrales se hicieron en un equipo Shimadzu UV Mini-1240, utilizando como blanco o cero de concentración de DBO, el agua de dilución. Las mediciones fueron realizadas utilizando celdas de cuarzo, de un cm de ancho. Aunque el equipo utilizado tiene tres velocidades de barrido, se utilizó la velocidad lenta, para lograr una mayor precisión en el cálculo de ‘el área bajo la curva, ABC’, que es el parámetro que finalmente se compara con la DBO de las diluciones de las muestras. Así, los ejercicios de predicción de la DBO, se hacen sobre gráficas de ABC ‘vs’ DBO. No se aplicaron correcciones de instrumentos, ya que se usó siempre, el mismo instrumento de medición, durante este trabajo. 3.3. Metodología Instrumental. Los resultados obtenidos por la metodología experimental tienen un tratamiento estadístico con el propósito de validar los valores suministrados por el equipo de medición (espectrofotómetro). Para tal fin, se realizaron tres réplicas por medición para cada una de 23.

(24) las diluciones evaluadas con el área bajo la curva. A partir de las réplicas, se calculó el valor medio con el fin de tener un valor puntual para el tratamiento de los resultados y posterior a esto, se graficó la relación entre el área bajo la curva, ABC y la DBO5. Para comparar la linealidad de las variables cuantitativas se utilizó el análisis de correlación lineal, este procedimiento es efectuado con el fin de determinar el grado de variación conjunta existente entre las dos variables de estudio; el grado de correlación lineal fue medido a partir del coeficiente de linealidad (R2), el cual tiene la función de medir la tendencia de las variables a comportarse bajo la expresión de una ecuación lineal.. 24.

(25) 4. ANÁLISIS DE RESULTADOS. Se realizaron 14 muestreos, en donde, para cada uno de ellos, se registró el área bajo, ABC y la DBO5 respectivamente. Los resultados para cada uno de los ensayos de DBO5 con sus respectivos datos de identificación de la secuencia del ensayo, factor de dilución, valores de DBO y O2 (Oxígeno Disuelto) se muestran en la Tabla 3. En los ensayos, en donde se presentó un agotamiento del oxígeno disuelto, por debajo o igual a 2 mg O2/l, durante el proceso de incubación, se descartaron los datos, por no cumplir con ese criterio de verificación establecido por el Standard Methods, 5210, en el cual se establece que el oxígeno disuelto de las muestras debe ser mayor o igual a 2 mg/l. Adicionalmente, se excluyeron los datos de los ensayos que no presentaron un control de la DBO de 200 +/- 50 mg/l ( Ensayo N° 7, 9, 10, 12), reduciendo el número de ensayos válidos a 10. Tabla 3. Datos experimentales del método estándar DBO5 y valores estimados por el método propuesto. ID Ensayo Ensayo N°1 Ensayo N°2 Ensayo N°3 Ensayo N°4 Ensayo N°5 Ensayo N°6 Ensayo N°7 Ensayo N°8 Ensayo N°9. Factores de Dilución 15:1000 20:1000 25:1000 10:1000 15:1000 20:1000 10:1000 15:1000 20:1000 10:1000 15:1000 20:1000 10:1000 15:1000 10:1000 10:1000 15:1000 10:1000 10:1000 15:1000 10:1000 10:1000 15:1000 10:1000 10:1000 15:1000 10:1000. Oxígeno DBO5 Estimada DBO Control DBO Muestra Disuelto (mg/l) (mg/l) (mg/l) (mg/l) 3,653 2,76 1,86 3,631 2,302 1,569 4,088 2,501 1,866 3,974 3,794 2,874 3,711 2,852 2,168 0 2,926 2,11 3,541 3,025 2,725 4,023 2,741 1,8 5,276 5,76 3,521. 181 180 180 224 238 215 237 264 230 324 228 217 197 0 215 202 240 127 111 206 223 214 106 103 35 52 161. 183. 181. 183. 231. 181. 251. 199. 222. 189. 218. 227. 208. 131. 126. 211. 215. 114. 35. Fuente: Propia – Obtenida de la metodología. 25.

(26) ID Ensayo Ensayo N°10. Ensayo N°11. Ensayo N°12. Ensayo N°13. Ensayo N°14. Factores de Dilución 10:1000 20:1000 25:1000 10:1000 15:1000 20:1000 10:1001 15:1000 20:1000 10:1000 15:1000 20:1000 10:1000 15:1000 10:1000. Oxígeno Disuelto (mg/l) 5,309 3,411 4,897 4,669 3,725 2,420 5,866 5,454 5,092 5,176 4,436 4,064 5,723 5,088 4,548. DBO5 Estimada DBO Control (mg/l) (mg/l) 161 152 47 156 167 159 191 57 66 133 67 109 122 110 110 65 86 103 91 215. DBO Muestra (mg/l) 107. 179. 66. 116. 89. Fuente: Propia – Obtenida de la metodología. Como es bien sabido, la naturaleza bioquímica de la muestra, afecta los resultados de las pruebas de DBO5 y esto se traduce en resultados poco reproducibles y confiables. Esta observación es importante, ya que el Río Tunjuelito, recibe descargas procedentes de curtiembres. Obviamente si los microrganismos presentes en el inóculo no pueden crecer o no se adaptan rápidamente a la matriz de la muestra, los valores de DBO obtenidos, no serán confiables. Es probable que en algunos ensayos (Ensayos N° 7, 9, 10 y 12), las desviaciones en los valores de la DBO predicha, sean causadas por presencia ocasional de sustancias contaminantes que inhiben el crecimiento bacteriano y que corresponde a vertimientos puntuales en el tiempo. En la lectura de los ensayos no contemplados para el análisis de resultados, en donde la DBO del control estuvo por fuera del rango permitido, es posible que hayan ocurrido errores asociados a la inestabilidad de la temperatura durante la incubación de las muestras, ya que durante ese periodo, el Laboratorio de Aguas de la Sede Porvenir, se encontraba en fase de adecuación y, como es bien sabido, desviaciones de temperatura superiores a un grado Celsius, afectan los resultados. En la Tabla 4, se presentan los datos de área bajo la curva, ‘vs’ DBO, para cada uno de los ensayos realizados. En esta tabla, los valores más altos de DBO se corresponden a con muestreos realizados durante periodos climáticos de baja precipitación y viceversa. Por lo tanto, en esos periodos de alta carga orgánica, se evalúa principalmente el agua residual doméstica, sin efecto de dilución por lluvias. En síntesis, la variación existente entre los datos es consecuente con las condiciones climáticas imperantes durante el muestreo. 26.

(27) Tabla 4. Área bajo la curva espectral, en un rango entre 250 y 600 nm, para cada una de las muestras analizadas.. Dilución. Área Bajo la Curva Espectral (ABC) - (250 - 600 nm) Ensayo Ensayo Ensayo Ensayo Ensayo Ensayo Ensayo Ensayo Ensayo Ensayo Ensayo Ensayo Ensayo Ensayo N°1 N°2 N°3 N°4 N°5 N°6 N°7 N°8 N°9 N°10 N°11 N°12 N°13 N°14. MDILUCIÓN 10:100 23,139 28,320 MDILUCIÓN 20:100 35,755 49,261. 34,129 54,327. 25,959 39,976. 33,326 52,875. 32,923 51,432. 36,661 58,020. 37,316 62,258. 37,295 55,218. 38,948 57,679. -. 42,872 66,307. 27,714 43,998. 22,582 50,055. MDILUCIÓN 30:100 47,184 67,826. 71,203. 54,023. 70,239. 65,773. 80,937. 85,626. 72,590. 80,253. -. 92,453. 58,468. 66,781. MDILUCIÓN 40:100 52,218 86,009. 89,512. 68,843. 88,823. 87,209. 89,605 111,333 92,702 102,117. -. 115,387 73,427. 82,883. MDILUCIÓN 50:100 68,165 102,153 109,510 82,973 105,567 104,823 123,267 133,283 116,967 123,500 117,153 144,397 89,295. 99,347. MDILUCIÓN 60:100 80,929 117,677 130,560 99,115 123,507 122,533 140,343 158,723 155,913 142,470. -. 161,230 104,703 114,787. MDILUCIÓN 70:100 93,145 137,377 149,963 111,457 143,353 130,767 165,133 183,250 165,427 166,627. -. 193,980 120,280 132,200. MDILUCIÓN 80:100 98,323 153,500 167,567 121,943 155,123 144,500 185,503 203,690 176,500 185,427. -. 219,603 136,647 146,947. MDILUCIÓN 90:100 107,5 171,613 182,067 135,443 168,553 160,613 190,970 219,717 186,499 194,907 MDIRECTA 119,13 185,910 200,753 151,293 181,437 205,380 204,813 244,233 212,033 197,943. -. 252,587 147,263 162,850. -. 264,610 164,243 184,130. Fuente: Propia – Obtenida de la metodología. 27.

(28) En la Figura 4, se muestra las gráficas de los diez ensayos más representativos realizados durante este estudio. En esta gráfica el Eje ‘Y’ representa el área bajo la curva y el Eje ‘X’ la de DBO de cada uno de los ensayos. Como puede verse en esta gráfica, cada color representa un ensayo diferente, pero todos ellos muestran una tendencia evidentemente lineal. Figura 5. Gráfica del ABC con respecto a la DBO, para los ensayos con una DBO control dentro del rango del 25% de error.. Fuente: Propia – Obtenida de la metodología. Los datos de los 14 ensayos presentaron un ‘coeficiente de correlación lineal, R2’ mayor a 0,99 y menor a 1, para la relación entre el ‘ABC’ y la ‘DBO’. Obsérvese que, aunque la relación entre estas dos variables es evidentemente lineal, las pendientes de cada ensayo difieren levemente. No obstante, también se observa una tendencia en la pendiente, que está determinada por los ensayos No 2, 3, 5 y 6. Esta tendencia en el valor de la pendiente, posiblemente está asociada a la naturaleza o matriz de la muestra y eso es lo que hace necesario ‘ajustar’ los resultados de este estudio, para cada caso particular, tipo de muestra o tipo de vertimiento. En otras palabras, las ecuaciones de predicción obtenidas en este estudio, no son 100% aplicables a otros cauces o vertimientos, en donde cambie la matriz de la muestra. Sin embargo, lo que sí es aplicable a diversos tipos de muestras, es la metodología encontrada en este estudio, para predecir los valores de DBO, en muestras de matriz comparable. Para cada caso, deberá aplicarse un proceso metodológico semejante.. 28.

(29) Los coeficientes de correlación lineal encontrados en los ensayos 1, 5, 6 y 14, fueron un poco más bajos, que los encontrados para los demás ensayos, Figura 5. Los datos de los 14 ensayos combinados, dieron un valor de R2 mayor a 0.99 y menor a 1 para la regresión lineal de la ABC con respecto a la DBO. Las regresiones de los datos recopilados en los ensayos No.1, No.5, No.6 y No.14 fueron menos pronunciadas (Figura 5). Los coeficientes de correlación lineal ‘R2’ se calcularon individualmente para cada ensayo y aunque siempre fueron cercanos a uno, 1, la pendiente defiere apreciablemente de un ensayo a otro, como se muestra en la Figura 5. Nótese que las ecuaciones obtenidas describen un buen comportamiento lineal entre las dos variables estudiadas. Sin embargo, las predicciones no fueron satisfactorias, probablemente debido a errores experimentales en la implementación del método. Figura 6. Regresión lineal de la ABC con respectos a la DBO, usando la ecuación lineal para los casos de baja precisión.. Fuente: Propia – Obtenida de la metodología. 29.

(30) En comparación con los anteriores ensayos, en los restantes, el nivel de precisión en la predicción de los valores de DBO, tuvo un error cercano a +/- 10%, con respecto al ‘valor verdadero’, obtenido por el método de estándar de incubación a cinco días. Este hecho es muy importante, si se tiene en cuenta que la desviación aceptable para el método estándar es de +/- 25%. En síntesis, los resultados obtenidos en este estudio indican, que la estimación de los valores de DBO, en aguas residuales domésticas, mediante curvas de ABC ‘vs’ DBO, permite estimar los valores de DBO, de una manera más rápida, simple y precisa, en comparación con la medición realizada por el método estándar de incubación a cinco días. Aunque otros investigadores ya han utilizado métodos espectrofotométricos para estimar los valores de DBO, el uso de curvas espectrales, en lugar de ‘longitudes de máxima absorbancia’, representa un avance significativo, alcanzado en este estudio. La razón por la cual se utilizó en este estudio el área bajo la curva y no una longitud de onda de máxima absorbancia, radica en que la composición media de las aguas residuales domésticas, posee una amplia variedad de grupos cromóforos, que absorben energía radiante, tanto en el visible como en el ultravioleta, 250-600 nm. Figura 7. Regresión lineal de la ABC con respectos a la DBO, usando la ecuación lineal para los casos de alta precisión.. 30.

(31) Fuente: Propia – Obtenida de la metodología. Las bondades del método y del rango espectral de medición, dentro del cual se realiza la medición del área bajo la curva, se ponen de manifiesto en los ensayos 2, 3, 4, 8 y 13, como se muestra en la Figura 6, en donde, los índices de correlación lineal reportan valores que van desde 0,995 hasta 0,999. El comportamiento gráfico de los ensayos, evidencia una relación lineal entre la DBO de las muestras y el área bajo la curva espectral, entre 250 y 600 nm. Dicha relación muestra también una tendencia coherente entre los valores calculados con base en las curvas y los correspondientes valores de DBO obtenidos experimentalmente por el método estándar de incubación a cinco días. Los resultados presentados en la Figura 6, sugieren que la metodología se ajusta a las características de la matriz de la muestra, toda vez que la medida lineal entre las dos variables cualitativas es cercana a 1,0. Esa tendencia lineal sustenta la fuerza de asociación entre la DBO de las muestras de agua residual doméstica y el área bajo la curva espectral. Tabla 5. Comparación entre la DBO5 esperada y la DBO5 estimada por la metodología de estudio. ID Ensayo Ensayo N°2 Ensayo N°3 Ensayo N°4 Ensayo N°8 Ensayo N°13 Ensayo N°14. Valor DBO5 Esperado mg O2/l 298 258 173 295 110 103. Valor DBO5 Estimado mg O2/l 231 251 222 215 116 89. Error (%) 22% 3% 28% 27% 5% 14%. Fuente: Propia – Obtenida de la metodología. 31.

(32) Nótese cómo en la Tabla 5, los primeros ensayos –2, 4 y 8- realizados muestran variaciones entre los valores predichos y los valores experimentales, semejantes a los permitidos para la medición de DBO por el método estándar, SM 5210 B 5day BOD Test. Sin embargo, los ensayos posteriores -3, 13 y 14- de los cuales solo se muestran en esta tabla, los más representativos, presentan una variación media del orden del 7,3 %, entre el valor predicho por la metodología propuesta en este estudio y el valor experimental, obtenido por el método estándar de incubación a cinco días. En este orden de ideas, estimar la DBO de una muestra de agua residual doméstica, a partir de curvas de calibración, como las presentadas en este estudio, constituye un método más simple, rápido y preciso, en comparación con la medición directa de la DBO, por el método estándar de incubación a cinco días. Al momento de realizar las respectivas predicciones de los valores de DBO, a partir de sus correspondientes áreas bajo la curva, se ponen de manifiesto también los efectos climáticos imperantes al momento del muestreo. Es decir, las curvas cambian ligeramente de época lluviosa a época seca. La tendencia sigue siendo lineal, pero la pendiente de la curva cambia ligeramente. En síntesis, la estimación de la DBO de un agua residual doméstica, mediante la medición del área bajo la curva espectral, puede ser aplicable en Plantas de Tratamiento de Agua Residual Domestica, como la PTAR Salitre, por ejemplo, en donde la construcción periódica de curvas de calibración, permitiría afinar las estimaciones de DBO y corregir los efectos climáticos. En general, el método desarrollado en este estudio puede ser usado para mejorar la eficiencia de las mediciones de DBO, de forma rápida y precisa, en sitios en donde se requiere una estimación rápida, que no permite esperar los cinco días que tarda la incubación del método estándar. El único requisito es la construcción previa de las curvas de calibración, para cada tipo de matriz de muestra. Como suele suceder siempre que se propone un nuevo método analítico, para la medición de un determinado parámetro, las expectativas frente a los resultados esperados, suelen ser tan grandes como el nivel de incertidumbre que se genera, frente a su potencial aplicación en diversos tipos de muestras. Obviamente, este estudio no es la excepción. Para tratar de lidiar con estos factores de presión, propios y ajenos del método que se busca implementar, durante el desarrollo de este estudio se contrataron servicios analíticos en tres de los laboratorios ambientales más prestigiosos de la ciudad. Dichos laboratorios en lo sucesivo se llamarán simplemente como Laboratorio 1, Laboratorio 2 y Laboratorio 3. El nombre específico de cada uno de estos laboratorios, se reserva para evitar inconvenientes jurídicos, innecesarios para los propósitos de este estudio. Con cada uno de esos laboratorios se contrató el servicio de análisis de DBO5, para dos muestras de agua residual doméstica, 32.

(33) relacionadas directamente entre sí y con la muestra de trabajo procesada rutinariamente durante los ensayos realizados en este estudio. Así, las muestras enviadas a los laboratorios externos, 1, 2 y 3, corresponden exactamente a la muestra tomada y trabajada ese mismo día y a una dilución de la misma muestra, utilizada como control. Por otra parte, y también como ejercicio de control interno, a las muestras que fueron enviadas a los laboratorios externos, se les midió internamente la DQO, antes de medir su DBO, de acuerdo con los procedimientos SM 5210 B 5day BOD Test y SM 5220 C Closed Reflux Titrimetric Method. Tabla 6. Resultados internos de DQO, de la muestra enviada a los laboratorios 1 y 2. (Numerar la muestra) Párametro de análisis DQO Sistema Cerrado. Digestión 2 Horas 150°C. Blancos', (3 réplicas). Control 'B', (3 réplicas). Muestra (3 réplicas). 5,0 ml de agua 5,0 ml de 'Control B' 5,0 ml de 'Muestra' destilada 3,0 ml de K2Cr2O7 0,1 3,0 ml K2Cr2O7 0,1 N 3,0 ml K2Cr2O7 0,1 N N 4,0 ml de solución 4,0 ml de solución catalizadora 4,0 ml de solución catalizadora catalizadora RESULTADOS DE LA TITULACIÓN DESPUÉS DE LA DIGESTIÓN. ml de FAS 0,025 N 6,813, 6,820, 6,818 ml 6,817 ml NFAS = 0,044 N. 4,120, 4,220, 4,150 ml. MD 4,50 ml. 4,163 ml DQOCONTROL = 187 mg O2/l. M (50%) 5,63 ml DQOMD = 163 mg O2/l DQO M(50%) = 83 mg O2/l RESULTADOS DE DBO REPORTADOS POR LOS LABORATORIOS EXTERNOS Laboratorio 1 DBO MD = 85 mg O2/l DBO MD(60:100) = 40 mg O2/l Laboratorio 2 DBO MD = 85 mg O2/l DBO MD(30:100) = 30 mg O2/l DBO MD(30:100) = 15 mg O2/l Laboratorio 3 DBO MD = 51 mg O2/l DBO MD(70:100) = 36 mg O2/l Fuente: Propia – Obtenida de la metodología. La DBO de la muestra No. 15, obtenida por el método estándar de incubación a cinco días, dio como resultado un valor de 51 mg O2/l., el cual es coherente y razonable para el valor de DQO obtenido en la Tabla 6. Nótese como los resultados reportados por los laboratorios externos no son coherentes, ni con los resultados obtenidos en el este estudio, ni con la forma en que se diluyeron las muestras. Así, el ejercicio de contratar análisis externos para sustentar los resultados obtenidos en este estudio, no funcionó, en absoluto. Y no funcionó, sencillamente porque las pruebas de DBO implican un alto grado de complejidad, que muy pocos laboratorios ambientales, en nuestro medio, están en condiciones de resolver. Lo único que se puede concluir de ese intento fallido de buscar apoyo externo, para fortalecer la credibilidad propia, es que ‘es urgente desarrollar métodos alternos de medición de DBO’, que permitan obtener de estas pruebas, resultados más confiables y reproducibles. En esa dirección, precisamente, se logró avanzar un poco, con la realización de este estudio. 33.

(34) Como se observa en la Tabla 6 los resultados obtenidos en los laboratorios 1 y 2, no son confiables, en cuanto no hay concordancia en los resultados obtenidos para la muestra directa y la muestra diluida. No obstante, los resultados obtenidos por nosotros, para esas mismas muestras, están respaldados por los valores obtenidos en los controles, tanto para las pruebas de DQO, como para las pruebas de DBO. De todos modos y para no desfallecer en el intento, se contrató nuevamente un ensayo de DBO, al final de este estudio. En esta ocasión se contrató al Laboratorio 3 para el análisis de DBO en dos muestras de agua residual doméstica, directamente relacionadas entre sí. Dicha muestra se analizó también en este estudio, mediante el mismo procedimiento rutinario con el que se realizaron todos los ensayos de este estudio. En esta ocasión, la muestra de trabajo se diluyó en proporción de 30 ml de muestra, hasta 100 ml, con agua destilada, ‘M-1’ y, 70 ml de muestra, hasta 100 ml, con agua destilada, ‘M2’. Las muestras fueron enviadas al Laboratorio 3, rotuladas como Muestra 1 y Muestra 2, respectivamente. Los resultados entregados por el Laboratorio, 19 días después de entregadas las muestras, fueron de 8,0 y 18,0 mg O2/l respectivamente, mientras que el valor medido en el laboratorio, por el método estándar de incubación a cinco días, dio 51 mg O2/l. De acuerdo a esta medición, los valores reportados por el Laboratorio 3, deberían de haber sido del orden 15 y 36 mg O2/l, respectivamente, valores muy diferentes a los reportados. El propósito de contratar los servicios de análisis de un laboratorio certificado, era predecir –en el Laboratorio de Calidad de Aguas de El Porvenir- la DBO de una determinada muestra y confrontar ese valor predicho, con el valor experimental, reportado por un laboratorio, certificado para este tipo de pruebas. Sin embargo, ese propósito no pudo cumplirse, por cuanto los resultados reportados por los laboratorios externos, presentan incoherencias entre el valor reportado para la muestra directa y el valor reportado para su dilución. Más bien, los resultados recibidos indican claramente, que ‘es necesario y urgente investigar más, en el desarrollo de nuevas metodologías para medir la DBO.’ Es importante tener en cuenta que los errores encontrados en los reportes de mediciones de DBO, no son particulares de esos tres laboratorios, sino más bien, la norma en un parámetro cuya medición es operativamente dispendiosa en el laboratorio, compleja en los cálculos y difícil de interpretar en campo. No en vano, las variaciones aceptadas en sus resultados, por el método estándar, alcanzan valores de hasta el 25 %. Desafortunadamente, una de las principales causas de error en las mediciones de DBO, es la laboriosa y constante dificultad que existe en la medición de este parámetro. Cuanto más se insiste en la ‘suficiencia’ del funcionario o del laboratorio, para realizar esta prueba, más frecuentes y grandes son los errores que se cometen.. 34.

(35) 5. CONCLUSIONES. Los resultados obtenidos en este estudio indican que efectivamente existe una relación directa, entre la DBO de una muestra de agua residual doméstica y el área bajo la curva espectral, en el rango de 250-600 nm. Los resultados de este estudio posibilitan estimar los valores de DBO en muestras de agua residual doméstica, de forma más rápida y simple que el método estándar de incubación a cinco días y con un rango de variabilidad inferior al 25 %. Los resultados obtenidos en este estudio sugieren que la relación existente entre la DBO de una muestra de agua residual doméstica y el área bajo su curva espectral, en el rango de 250600 nm, es una relación lineal. Sin embargo, se hace la aclaración, de que es necesario hacer una curva de calibración para cada matriz de muestra. Los resultados obtenidos en este estudio son aplicables, particularmente, para estimar los valores de DBO en casos o situaciones, en donde se mide rutinariamente la DBO de un influente, cuya matriz tiende a ser homogénea o cuando se muestrea rutinariamente, un mismo punto de muestreo. Los resultados obtenidos sugieren que, para implementar el método de estimación de DBO a partir del área bajo la curva espectral, es necesario realizar periódicamente, curvas de calibración para ajustar las predicciones y para reducir la interferencia de las variaciones climáticas de cada lugar.. 35.

(36) 6. RECOMENDACIONES. Se recomienda continuar este estudio en otros puntos urbanos de agua residual doméstica, para evaluar la consistencia del método. Se recomienda poner a prueba los resultados de este estudio en una planta de tratamiento de aguas residuales domésticas, para confrontar la validez de las predicciones, en los valores de DBO. Se recomienda realizar estudios semejantes con muestras de agua residual de matriz diferente, tales como, con aguas residuales de plantas de sacrificio, con aguas residuales del beneficio del café, etc. Se recomienda implementar el método en el Laboratorio de Aguas de la Universidad Francisco José de Caldas y continuar sus estudios con muestras de agua de diferente matriz.. 36.

(37) 7. REFERENCIAS 1. American Public Health Association, A. W. (2005). Standard Methods for the Examinarion of Water and Wastewater, 21 st ed. Washington D.C., USA: American Public Health Association. 2. Bougeois, W. B. (2001). On-line monitoring of wastewater quality: a review. Chem. Technol. Biotechnol, 337-348. 3. Caldwell, D. L. (1948). Manometric measurement of the biochemical oxygen demand of sewage. Sewage Works, 337-348. 4. Chee, G.-J. N. (1999). Development of highly sensitive BOD sensor and its evaluation using prezonation. Anal. Chim. , 65-71. 5. Instituto de Hidrología, M. y. (2007). DEMANDA BIOQUÌMICA DE OXÌGENO 5 días, INCUBACIÒN. Bogota: Ministerio de Ambiente, Vivienda y Desarrollo Territorio. Obtenido de:http://www.ideam.gov.co/documents/14691/38155/Demanda+Bioqu%C3%ADm ica+de+Ox%C3%ADgeno.pdf/ca6e1594-4217-4aa3-9627-d60e5c077dfa 6. Karube, I. M. (1977). Biotechnology. Bioenergy, 1535-1547. 7. Klimant, I. M. (1995). Fiber-optic oxygen microsensors, a new tool in aquatic biology. . Limnol Oceanogr, 1159-1165. 8. Marieta L.C. Passos, M. L. (2019). Detection in Uv - Visible Spectrophotometry. Detectors, detection systems, and detection strategies, Measurement, 896-904. 9. McDonagh, C. K. (2001). Phase Fluorometric dissolved oxygen sensor. . Actuators B: Chem, 124-130. 10. McEvoy, A. M. (1996). Dissolved oxygen sensor based on fluorescence quenching of oxygen sensitive ruthenium complexes immobilized in so legel derived porous silica coatings. Analyst, 785-788. 11. Nobuyuki Yoshida, S. J. (2002). ASimple, Multiple Simultaneous Spectrophotometric Method for BOD determination using DCIP as the redox color indicator. Analytical Letters, 1541-1549. 12. O.N. Ponomareva, V. A. (2011). Applied Biochemestry and Microbiology. Biochemestry and Microbiology, 1-11. 13. Osbild, D. a. (1998). Microbiological sensors for the monitoring of water quality, In: Monitoring of Water Quality, Colin F. and Quevauviller. Elsevier, 38-48. 14. Praet, E. R. (1995). Wastewater in BOD. Anal. Chem, 371-378.. 37.

(38) 15. Rodriguez-Mozas, S. d. (2006). Biochemical Oxygene Demand. Anal Bional Chem, 1025-1041. 16. S. Jouanneau, L. R. (2014). Methods for assessing biochemical oxygen demand (BOD): A review. Water Research, 62-82. 17. Sohn, M. L. (1995). Biochemical in Techonology of Water. Anal. Chim. Acta, 221228. 18. Sommer, L. (1989). Studies in Analytical Chemistry. Amsterdam: Elservier. 19. Tan, T. L. (1993). Sensors in BOD. Act B, 137-142. 20. Tissue, B. (2012). Ultraviolet and Visible Absorption Spectroscopy. In Characterization of Materials. E.N. Kaufmann. 21. Tkac, J. V. (2003). Biosensor in determined BOD. Bioelectron, 1125-1134. 22. Xiong, X. X. (2006). Dissolved oxygen sensor based on fluorescence quenching of oxygen-sensitive ruthenium complex immobilized on silica-Ni-P composite coating. Sens. Actuators. B Chem, 172-176. 23. Xu, W. M. (1994). Oxygen sensors based on luminescencce quenching: interactions of metal complexes with the polymer supports. Anal Chem, 4133-4141.. 38.

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