CAPÍTULO I. ANTECEDENTES
1.1 Aguas
residuales
Un agua residual puede definirse como un residuo líquido recogido mediante la red de alcantarillado para su envió a una planta de tratamiento (Mujeriego, 1990).
Según su origen, las aguas residuales pueden ser clasificadas en: 1) domésticas o urbanas, 2) industriales, 3) agropecuarias, 4) de origen incontrolado (infiltraciones) y 5) pluviales.
El agua residual municipal es la que es descargada por casas habitación, zonas residenciales, comercios, instituciones, espacios recreacionales, algunas instalaciones industriales y con posibles aportes pluviales. El método preferido para la determinación de los caudales y sus variaciones en estas fuentes consiste en mediciones directas realizadas en la red de alcantarillado (Crites, 2000). Tienen una composición muy variada debido a la diversidad de factores que la afectan y a la naturaleza de la población residente (Mujeriego, 1990).
pretratamiento con el fin de evitar complicaciones en la red, principalmente en sistemas pequeños de recolección.
El factor que más influye sobre el proceso de tratamiento del agua residual es, sin duda, su composición. Las aguas residuales están formadas por un 99% de agua y un 1% de sólidos en suspensión y solución. Estos sólidos pueden clasificarse en orgánicos e inorgánicos.
Los sólidos inorgánicos están formados principalmente por nitrógeno, fósforo, cloruros, sulfatos, carbonatos, bicarbonatos y algunas sustancias tóxicas como arsénico, cianuro, cadmio, cromo, cobre, mercurio, plomo y zinc.
Los sólidos orgánicos se pueden clasificar en nitrogenados y no nitrogenados. Los nitrogenados, es decir, los que contienen nitrógeno en su molécula, son proteínas, ureas, aminas y aminoácidos. Los no nitrogenados son principalmente celulosa, grasas y jabones. En la Tabla 1.1 se resumen los principales contaminantes que se pueden encontrar en agua residual y sus posibles efectos sobre el medio receptor.
Tabla 1.1 Contaminantes presentes en un agua residual y sus posibles efectos sobre las aguas receptoras
Contaminantes de Agua Impactos más significativos
Materia en Suspensión Aumento de la turbidez del agua (alteración de la fotosíntesis, y reducción de la producción de oxigeno)
Sedimentación, obstruyendo y cubriendo el lecho de los ríos
Compuestos Inorgánicos Ecotoxicidad de algunos compuestos, como las sales de metales pesados
Reacciones con sustancias disueltas en el agua pasando a formar compuestos peligrosos
Conductividad Concentraciones elevadas de sales impiden la supervivencia de diversas especies vegetales y animales
Nutrientes Crecimiento anormal de algas y bacterias (aumento de la turbidez del agua)
Eutrofización (enriquecimiento) del agua
Materia Orgánica Su descomposición puede provocar la disminución de la concentración del oxigeno disuelto en el agua hasta alcanzar condiciones sépticas
Eutrofización del agua
Emisión de metano en caso de aparición de procesos anaerobios
Compuestos Orgánicos Tóxicos Toxicidad para la vida acuática
Disminución de la concentración de oxigeno debido a los procesos de biodegradación
Producción, en el caso de líquidos no miscibles, de una película superficial que impide la aireación del agua
Orgánicos Patógenos (Bacterias, Virus y Parásitos) Inutilización del agua para uso humano
Contaminación de los organismos acuáticos que pueden llegar al hombre con la cadena alimenticia Enfermedades de transmisión hídrica asociadas a la contaminación microbiológica del agua
Contaminación Térmica por Descarga de Aguas de Refrigeración
Modificación de la solubilidad del oxigeno en el agua Aceleración del metabolismo de la flora y la fauna acuáticas (eutrofización)
*Dewisme, 1997; Matia et. al.1999.
1.2 Caracterización de las aguas residuales
Para el estudio de las descargas de aguas residuales en cuanto a su impacto en corrientes y cuerpos de agua superficiales y subterráneos, es fundamental establecer su caracterización en función de los principales contaminantes que pudiesen presentarse en dichas descargas. Entre algunos de los parámetros para la caracterización de las aguas residuales tenemos:
• Demanda bioquímica de oxígeno (DBO5)
• Demanda química de oxígeno (DQO) • Carbón orgánico total (COT)
• pH • Color y turbidez • Conductividad • Temperatura • Sólidos suspendidos • Sólidos sedimentables
• Fósforo y nitrógeno (total y amoniacal principalmente.) • Aceites y grasas
• Surfactantes
• Metales pesados (Hg, Ni, Pb, Cd, Cr, As, etc.) • Coliformes totales y fecales
La materia orgánica se determina mediante las pruebas de la DBO5, DQO y COT.
Orgánicos trazas se detectan con otro tipo de instrumentos como cromatógrafos y espectrometría de masas.
1.3 Demanda bioquímica de oxígeno (DBO)
la acción de oxidación bioquímica aerobia. La demanda de oxígeno de las aguas residuales es resultado de tres tipos de materiales:
a) Materiales orgánicos carbónicos, utilizables como fuente de alimentación por organismos aeróbicos.
b) Nitrógeno oxidable, derivado de la presencia de nitritos, amoniaco, y en general compuestos orgánicos nitrogenados que sirven como alimentación para bacterias específicas (Nitrosomonas y Nitrobacter).
c) Compuestos químicos reductores (ion ferroso, sulfitos, sulfuros, que se oxidan por oxígeno disuelto).
La Figura 1.1 nos muestra la demanda de oxígeno de material carbonoso y nitrogenado.
La demanda bioquímica de oxígeno es una prueba que se realiza a 20 ºC (68 ºF) en un ambiente controlado. El periodo de la prueba puede ser de 5, 7 o 10 días sujeto a las condiciones del análisis o protocolo. El examen de DBO mide la cantidad de oxígeno consumido por las bacterias que oxidan materia orgánica en una muestra de agua. La prueba se utiliza para medir las cargas de los residuos en las plantas de tratamiento de aguas y para determinar la eficiencia del tratamiento de las aguas residuales.
Los resultados de la prueba de DBO ayudan a encontrar incrementos en los patrones generales de oxígeno. Esto permite a los operadores estimar la eficiencia de operación de la planta y encontrar los procedimientos de tratamiento adecuados.
1.3.1 Cinética de la prueba de la DBO
Sigue básicamente el comportamiento de una reacción de primer orden y puede expresarse como
Donde:
Lt es la cantidad de DBO remanente en el agua al tiempo t,
k es la constante de velocidad de reacción de primer orden,
L o también denominada DBOL es la DBO al tiempo igual a cero (DBO
última),
En la Figura 1.2 se presenta el avance en una prueba de DBO.
Figura 1.2 Avance de una prueba de DBO con Lt y yt (Ramalho, 2009)
1.3.2 Método de Winkler para la determinación de la DBO5.
La determinación de la DBO5 se realiza por titulación volumétrica o por
métodos instrumentales. El método de valoración básico es el de Winkler, el cual se basa en la oxidación del ion yoduro (I-), contenido en el reactivo utilizado, a yodo (I2)
por el oxígeno disuelto de la muestra, y valoración del yodo con tiosulfato sódico (Na2S2O3), utilizando almidón como indicador. La oxidación se lleva a cabo en medio
ácido (H2SO4) en presencia de sulfato de manganeso (MnSO4). El reactivo utilizado
es una solución de NaOH, NAI y NaN3. La determinación instrumental de oxígeno
La Tabla 1.2 presenta el listado de reactivos, materiales y equipo requeridos en la prueba del método de Winkler.
Tabla 1.2 Listado de reactivos, materiales y equipos utilizados en el Método de Winkler
REACTIVOS
MATERIALES Y EQUIPO
Sulfato manganoso
Hidróxido de sodio o potasio Yoduro de sodio o potasio Azida de sodio
Almidón de patata
Tiosulfato de sodio pentahidratado Dicromato de potasio
Biyodato de potasio
Fosfato de potasio monobásico Fosfato de potasio dibásico Fosfato de sodio dibásico Cloruro de amonio
Sulfato de magnesio Cloruro de calcio Cloruro férrico Ácido sulfúrico
Frasco para DBO5 de 300 ml con tapón
Pipetas de 2 ml serológicas Pipetas de 10 ml serológicas Bureta de 25 ml
Matraz Erlenmeyer de 250 ml Probeta de 100 ml
Tapones para DBO5
Matraces volumétricos de 100 ml Incubadora para DBO5
*Standard methods for the examination of water and wastewater, 1995.
PREPARACIÓN DE REACTIVOS:
En la siguiente Tabla se muestran los compuestos y la preparación para la elaboración de los reactivos necesarios para llevar a cabo la prueba de DBO5 por el
TABLA 1.3 Preparación de reactivos utilizados en el método de Winkler
Reactivo Modo de preparación
SULFATO MANGANOSO
Disolver 480 gr. De MnSO4 (4H2O); 400 gr. De MnSO4
(2H2O) o 364 gr. De MnSO4 (H2O) en agua destilada, filtrar
y diluir a un litro. ALCALI-YODURO-AZIDA
Disolver 500 gr. De NaOH o 700 gr. KOH y 135 de NAI o 150 gr. De KI, se diluye a un litro, ya preparada se le agrega una solución previamente preparada de 10 gr. De
NaN3 en 40 ml de agua.
SOLUCIÓN DE ALMIDÓN
Disolver de 5 a 6 gr. De almidón de patata en agua destilada y vertirlo en un litro de agua en ebullición, dejar hervir por 5 min. Y reposar toda la noche, filtrar y
preservarlo con: 1.25 gr. De ácido salicílico o bien unas gotas de tolueno aforarlo a un litro y preservarlo en refrigeración.
SOLUCIÓN MADRE DE TIOSULFATO DE SODIO 0.10
N
Disolver 24.82 gr. De Tiosulfato de sodio pentahidratado en agua recién hervida y fría, preservarse con 5 ml de
cloroformo o 1 gr. De NaOH y diluir a un litro.
SOLUCION VAPORADA DE TIOSULFATO DE SODIO 0.025
N
Prepararse por dilución de 250 ml de la solución madre de Tiosulfato y aforar a un litro o bien pesar 6.205 gr. (6.3 gr.) de Tiosulfato de sodio y aforar a un litro
SOLUCIÓN DE DICROMATO DE POTASIO 0.025 N
Disolver 1.226 gr. De Dicromato de potasio secado previamente a 103 °C por 2 horas y aforar a un litro SOLUCIÓN DE BIYODATO DE
POTASIO (KH (IO3)2)
Disolver 0.8124 gr. De Biyodato de potasio y aforar a un litro.
TITULACIÓN DEL BIYODATO O DICROMATO
Disolver 2 gr. De KI, exento de yodo, agregar de 100 a 150 ml de agua destilada, agregar 10 ml de ácido sulfúrico 1+9 (1 ml de ácido y 9 de agua) exactamente; 20 ml de solución de Dicromato de potasio 0.025N y diluir a 200 ml, agregar 1 ml de almidón y titular con Tiosulfato de sodio
SOLUCIÓN AMORTIGUADORA DE FOSFATOS
Disolver 8.5 gr. De fosfato de potasio monobásico
(KH2PO4); 21.75 gr. De fosfato de potasio dibásico
(K2HPO4); 33.4 gr. De fosfato de sodio dibásico (Na2 HPO4
· 7H2O) y 1.7 gr. De cloruro de amonio (NH4CL) en 500 ml
de agua, agitar y ya disueltos aforar a un litro, el PH de esta solución debe ser 7.2 sin ajuste
SOLUCIÓN DE SULFATO DE MAGNESIO
Disolver 22.5 gr. De sulfato de magnesio (MgSO4 · 7H2O)
en u litro SOLUCIÓN DE CLORURO DE
CALCIO
Disolver 27.5 gr. De cloruro de calcio anhidro en un litro SOLUCIÓN DE CLORURO
FERRICO
Disolver 0.25 gr. De cloruro férrico (FeCl3 · 6H2O) a un litro
PROCEDIMIENTO:
1. Preparar agua de dilución dependiendo de la cantidad de muestra que se va a analizar.
2. Por cada litro de agua de dilución se le agrega: 1 ml de solución amortiguadora
1 ml de sulfato de magnesio 1 ml de cloruro de calcio 1 ml de cloruro férrico
Y se pone a airear.
3. La muestra se prepara en frascos de 300 ml por duplicado a diferentes diluciones de acuerdo a la experiencia o conocimiento del tipo de agua a ensayar y se le agrega:
a. 2 ml de sulfato manganoso, se agita.
b. 2 ml de ázida-álcali, se agita y se deja reposar por 15 min.
c. Después se agrega 2 ml de ácido sulfúrico concentrado y se agita. 4. Se toma uno de los duplicados y se extraen 100 ml en un matraz
Erlenmeyer de 250 ml, se le agrega 1 ml de almidón, se agita y se titula con tiosulfato de sodio 0.25N.
5. El otro duplicado se incuba por 5 días a 20°C y se repite desde el paso 3.
La Figura. 1.3 presenta los pasos a seguir para realizar la prueba de DBO5 en
Figura 1.3 Diagrama de bloques de la técnica para la determinación de DBO5
LIMITACIONES E INTERFERENCIAS:
Los valores de
“y
t”
(DBOt en mg/l) pueden llevarse a un gráfico para losFigura 1.4. Curva característica de DBO, solo material carbonoso (Ramalho, 2009)
La utilización de oxígeno en el ensayo de DBO es muy lenta. Una curva típica (figura 1.4) alcanza su límite de DBO en más de 20 días. Este valor es el límite alcanzado que se denomina DBO final, que se suele señalar por DBOf.
No es nada práctico hacer un control continuo en términos de la DBO debido al factor tiempo involucrado en el ensayo. En la práctica la DBO se refiere a 5 días, lo cual se hace con notación DBO5. Aun 5 días es un periodo demasiado largo para
esperar el resultado de estos ensayos.
Existen numerosos factores que afectan la prueba de la DBO, entre ellos la relación de la materia orgánica soluble a la materia orgánica suspendida, los sólidos sedimentables, los flotables, la presencia de hierro en su forma oxidada o reducida, la presencia de compuestos azufrados y las aguas no bien mezcladas. Al momento no existe una forma de corregir o ajustar los efectos de estos factores.
microorganismos, ejerce una demanda nitrogenácea, que ha sido considerada como una interferencia en la prueba; sin embargo, esta puede ser eliminada con la adición de inhibidores químicos. Cuando se inhiba la demanda nitrogenácea de oxígeno, reportar los resultados como demanda bioquímica de oxígeno carbonácea (DBOC5);
cuando no se inhiba, reportar los resultados como DBO5.
Una de las razones más frecuentes para los valores pocos fiables de la DBO es la utilización de cantidades insuficientes de microorganismos en la siembra. Otro problema serio para aguas residuales industriales es la aclimatación de la muestra. En muchas aguas residuales industriales, la presencia de productos tóxicos interfiere con el crecimiento y desarrollo de la población de microorganismos. Las curvas resultantes de DBO presentan un periodo de detención (figura 1.5) del proceso.
Figura 1.5. Periodo de detención del proceso en un ensayo de DBO, (Ramalho, 2009)
de la muestra. Esta operación se lleva a cabo en reactores de tipo continuo o discontinuo (batch).
1.4 Definición de Respirometría
El tratamiento biológico de aguas residuales más común es el proceso de lodos activos. En este proceso, una cierta población microbiana consume simultáneamente sustrato y oxígeno. El consumo biológico de oxígeno está directamente relacionado con el crecimiento bacteriano y con el consumo de sustrato para la obtención de energía.
Definición: “La medida e interpretación de este consumo biológico de oxígeno bajo condiciones experimentales bien determinadas (temperatura, presión y mezcla) se define como respirometría”.
Los resultados de las pruebas respirométricas pueden correlacionarse con los resultados de la prueba de DBO5 realizada por el método convencional.
1.5 Importancia de la respirometría
Esta técnica ha encontrado crecientes aplicaciones en la determinación de la cinética de la biodegradación. Los análisis respirométricos permiten adquirir datos sobre el consumo de oxígeno en respuesta a la degradación de un sustrato por la respiración de microorganismos. La respirometría ahorra el tiempo y el trabajo asociados con los experimentos de agotamiento de substratos y provee puntos de referencia de alta calidad para la valoración de parámetros biocinéticos.
• Proceso de eliminación de materia orgánica en aguas residuales • Determinación de la actividad de bacterias nitrificantes
