PARÁMETROS ORGÁNICOS DEL AGUA

Transcripción

1 PARÁMETROS ORGÁNICOS DEL AGUA El oxígeno disuelto OD en el agua, además de ser un elemento básico para la supervivencia de los organismos acuáticos, se constituye en un parámetro indicador del estado de la contaminación de una corriente. Las bajas concentraciones de oxígeno disuelto están ligadas, por lo general, a la existencia de sustancias ajenas al ecosistema acuático, que en la mayoría de los casos resultan ser nocivas. Esta es quizás la razón por la cual el diagnóstico sobre el estado de contaminación de una corriente de agua empieza inevitablemente con un balance de oxígeno disuelto. Procesos como la reaireación, la fotosíntesis y la entrada de oxígeno disuelto desde los afluentes se constituyen en las principales fuentes de oxígeno en el agua. Por el contrario, el consumo o disminución del oxígeno en el agua está relacionado con otros procesos como la oxidación del material carbonáceo y nitrogenado (procedente de residuos y descargas realizadas), la demanda de oxígeno ejercida por los sedimentos y la respiración de las plantas acuáticas (Thomann y Mueller, 1987). En la Figura A se presenta un esquema indicando los diferentes procesos e interacciones en el balance del oxígeno disuelto en un cuerpo de agua. Figura A. Modelo conceptual para el balance de oxígeno disuelto (modificado Thomas 1988) El balance general de masa del oxígeno disuelto para un volumen de agua en una corriente hídrica se puede resumir en la siguiente ecuación (Thomann y Mueller, 1987): La Figura B presenta de forma esquemática la remoción del oxígeno disuelto en un río que ha recibido descargas residuales, visualizándose los efectos de los procesos que demandan oxígeno disuelto en una corriente hídrica. Un rasgo importante de la curva deod es la concentración crítica o mínima de oxígeno. La situación y magnitud de esta concentración crítica depende en gran medida de la capacidad de autodepuración de la fuente, la cual está relacionada con una serie de fenómenos que se presentan a lo largo del recorrido de la corriente de agua y que aportan significativamente concentraciones de oxígeno disuelto.

2 Figura B. Curva de comportamiento de oxígeno en corrientes hídricas Demanda Bioquímica de Oxígeno-DBO El parámetro de contaminación orgánica más ampliamente usado, aplicable tanto a aguas residuales como a aguas superficiales es la DBO a 5 días (DBO 5 ). Son las bacterias presentes en estas aguas quienes descomponen la materia orgánica, para construir nuevo material celular y mantener su vida. Para realizar el proceso de descomposición de la materia orgánica las bacterias requieren oxígeno; a mayor cantidad de materia orgánica presente, mayor es la cantidad de oxígeno requerido para completar el proceso de descomposición u oxidación. Esta actividad bacterial se puede expresar entonces de manera simplificada así: DBOC: Materia orgánica + bacterias + O 2 CO 2 + H 2 O + nuevos microorganismos DBON: El contenido muy bajo de oxígeno (o déficit de oxígeno) se debe, por consiguiente, a la demanda ejercida por la materia orgánica carbonácea y nitrogenada de las aguas residuales descargadas a una corriente hídrica. La Figura C muestra una curva típica de la demanda bioquímica de oxígeno de aguas residuales que contienen materia orgánica carbonácea y nitrogenada. Se asume que la demanda carbonácea generalmente se ejerce primero debido al retraso en el crecimiento de las bacterias nitrificantes necesarias para la oxidación de las diferentes formas del nitrógeno. La DBOC es ejercida por la presencia de organismos heterótrofos que son capaces de obtener energía por la oxidación del carbono orgánico (sustrato). Las aguas residuales municipales y la gran mayoría de los ríos, estuarios y lagos contienen un gran número de estos organismos; excepto en los casos donde las aguas contienen sustancias o químicos tóxicos.

3 Figura C. Demanda típica de oxígeno de la materia orgánica carbonácea y nitrogenada en corriente hídricas La DBOC en una muestra de agua se obtiene por medio de procedimientos estandarizados de incubación (ensayos) en un periodo de tiempo determinado (5 a 20 días) y donde la temperatura se mantenga constante a lo largo del tiempo. La medición del oxígeno se hace antes y después del periodo de incubación (práctica de laboratorio). La oxioquímica es un proceso lento, cuya duración es, en teoría infinita. Es un periodo de 20 días se logra la oxidación del 95 al 99% de la materia carbonacea ylos 5 primeros días llega a oxidarseentre el 60 y 70%. Durante este proceso de desoxigenación, el consumo de oxígeno o demanda bioquímica de oxígeno sigue una reacción monomolecular, en donde la velocidad de reacción en un instante cualquiera es proporcional a la concentración de materia orgánica sin oxidar que puede ser utilizada por los microorganismos. Esta reacción también es función de la temperatura. Figura D. DBO ejercida respecto al tiempo Figura E. DBO remanente respecto al tiempo

4 Por razones de tipo práctico, la cinética de reacción de la DBO se formula de acuerdo con una reacción de primer orden y puede expresarse de la siguiente manera: donde L t es la cantidad de DBO de la primera fase que queda en el agua en el instante t y k es la constante de reacción. Esta ecuación se puede integrar fácilmente La cantidad de DBO presente en un instante t es la siguiente: en tanto que y, la cantidad de DBO eliminada en el instante t es: La DBO a los 5 días es: y5= L 0 - L5 = L 0 (1- e - k*t ) Esta relación se ilustra en la siguiente figura: yt= L 0 (1- e - k*t ) Figura F. Construcción de la curva de la DBO de la primera fase

5 El empleo de las ecuaciones se ilustra en el siguiente ejemplo: Calculo de la DBO. Determine la DBO de 1 día y la DBO última de la primera fase para un agua residual cuya DBO a los 5 días a 20 C es de 200 mg/l. La constante de reacción k (base e) = 0,23 día -1 Solución: 1. Determine la DBO última despejando la siguiente ecuación y5= L0 (1- e-k*t) 200= L (1-e -5*0,23) = L (1-0,316) L = 293 mg/l 2. Determinar la DBO de 1 día: Lt = 293(e -0,23*1 ) = 293 (0,795) = 233 mg/l yt = L L 1 = = 60 mg/l Algunos ejercicios: 1. DBO a 20 C y 5 días esde250 mg/l para tres muestras diferentes con constantes a 20 C K: 0,12, 0,16, 0,20 día -1 respectivamente. Determine la DBO última para cada una de las muestras 2. Cuál es la DBO ejercida a los días: 1, 2, 3, 4, 5, 8, 10 y 20 de una muestra que tiene una DBO última o final de 300 ppm y una constante de velocidad de reacción de 0.23 d -1 Graficar el comportamiento de la DBO ejercida y remanente en el tiempo

6 Limitaciones del ensayo de la DBO: Condiciones de calidad respecto a la DBO Aguas muy limpias DBO 0-20 mg/l O 2 Con signos de contaminación DBO entre mg/l O 2 Aguas medianamente contaminadas DBO mg/l O 2 Aguas muy contaminadas (ARD) mg/l O 2 Aguas industriales DBO hasta mg/l O 2

7 Demanda Química de Oxígeno DQO En el ensayo se emplea un agente químico fuertemente oxidante en medio ácido para la determinación del equivalente de oxígeno de la materia orgánica que puede oxidarse. El ensayo se hace a elevadas temperaturas y requiere de un catalizador Esta prueba se emplea para medir la materia orgánica presente en aguas tanto industriales como municipales que contengan compuestos tóxicos para la vida biológica y se realiza en tan solo tres horas. La DQO de una agua residual suele ser mayor que su respectiva DBO, siento esto debido al mayor número de compuestos cuya oxidación tiene lugar por la vía química frente a los que se oxidan por vía biológica Grado de contaminación de un agua residual DQO = M.O biodegradable + M.O no biodegradable Parámetro Débil Media Fuerte DBO DQO Relaciones: La relación DBO/DQO valores cercano 1 refiere mayor cantidad de materia orgánica biodegradable La relación DQO/DBO cercanas a uno hace referencia a aguas con alto contenido de materia orgánica biodegradable. DQO/DBO =1.5 Materia orgánica muy degradable DQO/DBO =2 Materia orgánica moderadamente degradable DQO/DBO =10 Materia orgánica poco degradable Fuente bibliográfica: Cardenas, L Calidad de aguas para estudiantes de ciencias ambientalessantafé de Bogotá, Universidad distrital Francisco José De Caldas. Facultad del Medio Ambiente y Recursos Naturales Metcalf y Eddy Ingeniería de aguas residuales. tratamiento, vertimiento y reutilización. Vol. 1 Mc Graw Hill. España. 505 p. Sierra, A Calidad de agua. Evaluación y diagnóstico. Universidad de Medellín. Edición: Primera, Medellín. 457p.