Determinación de la relación DQO/DBO 5 en aguas residuales de comunas con población menor a habitantes en la VIII región.

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1 Determinación de la relación DQO/DBO 5 en aguas residuales de comunas con población menor a habitantes en la VIII región. Pedro Cisterna Osorio Ingeniero Civil Químico Jefe Depto. Control de Calidad Essbío S.A. Daisy Peña Químico Analista Universidad Tec. Fed. Sta María 0

2 Determinación de la relación DQO/DBO 5 en aguas residuales de comunas con población menor a habitantes en la VIII región. Resumen El presente trabajo consiste en determinar empíricamente la relación DQO / DBO 5 en aguas residuales de siete comunas de la octava región que poseen una población menor a habitantes. Este trabajo tiene como objetivo servir de referencia local en lo relativo a la información existente de estos parámetros, mas cuando esta relación es un importante antecedente a la hora de decidir el tipo de tratamiento a aplicar a las aguas residuales. De los resultados obtenidos para la relación DQO / DBO 5 del conjunto de aguas residuales analizadas, se desprende que son todas aptas para ser depuradas a través de tratamiento biológico. 1

3 INTRODUCCIÓN Antecedentes Generales Toda comunidad genera residuos tanto sólidos, como líquidos y gaseosos. La parte liquida de los mismos, es esencialmente el agua que deshecha la comunidad una vez ha sido contaminada por los diferentes usos para los cuales ha sido empleada, por lo que se denomina aguas residuales (Mefcalt y Eddy, 1995). Una vez generadas estas aguas residuales, caben dos posibilidades: i.- Una primera que consiste en la nula o deficiente gestión de las mismas. Lo que por mucho tiempo fue predominante y que en algunos países por razones de legislación, económica, de disponibilidad abundante del recurso agua etc. lo sigue siendo; lo que en la práctica se traduce en la evacuación de estas aguas a cursos naturales receptores, tales como el mar, lagos, ríos, etc. con el correspondiente daño a éstos. En los ríos y lagos se pueden provocar problemas de eutrofización, lo que genera un crecimiento acelerado de plantas acuáticas, en el mar problemas de contaminación que afectan la cadena trófica; por otra parte la acumulación y estancamiento de aguas residuales, trae consigo la descomposición de la materia orgánica que contiene, lo cual puede generar gases malolientes y además contaminar las fuentes de aguas subterráneas y suelos correspondiente al área donde está estancada. ii.- La segunda alternativa es precisamente gestionar estas aguas residuales, lo que implica aplicar los conocimientos de la ciencia y la ingeniería para eliminar y controlar la contaminación que éstas poseen, teniendo como objetivo final, la preservación del medio ambiente. Con el paso del tiempo la segunda alternativa es la que se ha ido consolidando como criterio de gestión frente a los problemas originados por las aguas residuales, y una de las etapas claves de este modalidad, es la caracterización fisicoquimica de las aguas residuales, información que es básica a la hora de definir el tipo de tratamiento mas adecuado y una de 2

4 las características mas relevantes de las aguas residuales es la biodegradabilidad que estas posean ya que de esta depende la viabilidad de aplicar un tratamiento de tipo biologico. La composición de las aguas residuales es muy variada. Para el caso particular de aguas residuales domesticas se tienen estudios que permiten determinar los contaminantes presentes asi como los rangos de concentración de las mismas, los cuales se muestran en Tabla 1. Tabla 1. Composición de las Aguas Residuales Domésticas, ( Mefcalt and Eddy, 1985). Componente Fuerte Media Débil Sólidos totales Disueltos Fijos Volátiles Suspendidos Fijos Volátiles Sedimentables DBO COT DQO Nitrogeno Total Orgánico Amoniacal Nitritos Nitratos Fósforo Total Orgánico Inorgánico Cloruros Alcalinidad Grasas- aceites

5 Objetivos El objetivo de este trabajo es poder conocer con mayor profundidad las características de las aguas residuales de nuestra región y paralelamente ir con ello generando una base de datos de tipo local que nos permita decidir racionalmente en lo relativo a la gestión de tratamiento de estas. Un segundo objetivo es servir como referencia ya que las características de las localidades elegidas tienen una gran similitud con otras de nuestro país, de tal modo de poseer referencias mas próximas a nuestra realidad y no tener una dependencia absoluta de los datos que entrega la bibliografía europea o americana. Marco Teórico Biodegradabilidad La biodegradabilidad y las aguas residuales, son dos conceptos estrechamente vinculados, se sabe que gran parte de las sustancias que transporta el agua, ya sea disuelta, suspendida o coloidal, es materia orgánica, la cual en una importante fracción es biodegradable. La biodegradabilidad de estas sustancias es la propiedad que permite que las aguas residuales puedan ser depuradas por medio de microorganismos, los que utilizan estas sustancias como alimento y fuente de energía para su metabolismo y reproducción. Es precisamente la depuración de las aguas residuales, lo que va regenerando la disponibilidad del recurso agua y a la vez evita la contaminación de la fuentes de aguas existentes tanto superficiales como subterráneas. Hay sustancias que no son o son lentamente biodegradables, lo que constituye una limitante para los procesos de tratamiento biológico de aguas residuales, por lo que es necesario incorporar a las plantas depuradoras operaciones basadas en mecanismos físico - químicos, 4

6 las que generalmente son de alto costo y a la vez siempre dan origen a un residuo que es de difícil disposición final. La biodegradabilidad es una característica de los compuestos orgánicos que tiene relación con el nivel de susceptibilidad de que éstos sean degradados por microorganismos y por lo tanto condiciona en gran medida la viabilidad de tratar biológicamente un efluente que contenga un determinado compuesto. Para el caso de un agua residual que contenga materia orgánica natural, la degradación es relativamente fácil, aunque hay elementos excepcionales como las grasas y aceites. Para las aguas residuales industriales la biodegradabilidad resulta más compleja. La factibilidad para degradar compuestos orgánicos más complejos como grasas y aceites o substratos mezclados es de gran importancia ecológica en lo que respecta a los procesos de degradación, algunos compuestos orgánicos están potencialmente sujetos a ataque microbiano, pero factores medioambientales o la concentración del sustrato puede alterar su susceptibilidad para su utilización como sustrato en los cultivos mezclados de microorganismos. La concentración de las grasas y aceites u otro tipo de sustrato que potencialmente están presentes en aguas residuales u otro tipo de entornos medioambientales y las condiciones del ensayo influyen en la descomposición microbiana. La posesión de una alta afinidad de mecanismos de captura para cada uno de los substratos, limita el crecimiento y es de importancia crítica para la degradación, donde la concentración esencialmente será baja. La posibilidad de que comunidades de bacterias heterogéneas metabolicen simultáneamente componentes individuales de mezclas de compuestos de carbono es dependiente de la concentración ( Schönborn, 1986). La consideración de la aceptabilidad medioambiental hacia determinados compuestos orgánicos puede incluir no solo su biodegradabilidad, persistencia y toxicidad a microorganismos sino también el efecto sinergico de sustratos mezclados como los efectos inhibidores de posibles metabolismos. 5

7 Medida de la biodegradabilidad El problema básico del ensayo acerca de la biodegradabilidad consiste en la medida de la extensión o tasa de degradación de un compuesto orgánico usando métodos analíticos estandarizados que se utilizan en la determinacion de parámetros, tales como la demanda bioquímica de oxigeno y la demanda química de oxígeno. Una aproximación inicial del ensayo para la biodegradación representa un compromiso entre dimensiones científicas y prácticas. Generalmente, una población mezclada de microorganismos se expone a un compuesto orgánico simple en un medio mineral que es controlado y reproducible. Los métodos estandarizados de biodegradabilidad no necesariamente producen datos medioambientalmente realistas, pero los resultados pueden poseer un grado de repetitividad y comparación generalizada, lo que constituye una buena forma de caracterización de los distintos compuestos orgánicos en cuanto a su susceptibilidad para ser tratados biológicamente. a. Demanda Quimica de oxigeno La demanda química de oxigeno, DQO, corresponde a la cantidad de oxigeno requerida para oxidar completamente por medios químicos los compuestos orgánicos a CO 2 y H 2 O. En la práctica, la materia orgánica en agua es oxidada por K 2 Cr 2 O 7 bajo condiciones estrictas (en medio de ácido sulfúrico concentrado, y a una temperatura de 160 ºC). La cantidad de oxígeno del dicromato usado, es determinada y expresada como DQO. En aquellos casos que la fórmula de los compuestos es conocida, la DQO puede ser derivada de la estequiometría. Se tiene que 1 g eq. de carbohidrato ó 1 g eq. de proteína corresponde 1 g eq. de CO 2. Se debe destacar que la DQO no incluye el oxigeno que convierte el nitrógeno reducido a nitrato. En cuanto al sulfuro reducido (R-SH S 2 ), sin embargo, es oxidado a sulfuro por los agentes químicos y por consiguiente se incluye en el valor de DQO. Una importante ventaja de este método es que cuantifica tanto la materia orgánica disuelta como la partículada. Considerando el hecho que el tratamiento de aguas residuales tiene que ver con la separación de ambos tipos de materia orgánica, la DQO medida es ampliamente usada como un parámetro cuantitativo. 6

8 A continuación se presentan algunos valores de DQO en relación a la concentración de sustrato: 1g/l de glucosa posee una DQO de 1,4 g/l (Henze,1995), 1g/l de grasa de cerdo corresponde 2,1 g/l de DQO y 1g/l de aceite girasol a 2 g/l de DQO (Cisterna, 1997). b. Demanda bioquimica de oxigeno La demanda bioquímica de oxigeno, DBO, se define como la cantidad de oxígeno usado por los microorganismos no fotosinteticos a una temperatura de 20ºC, para metabolizar los compuestos orgánicos degradables biológicamente. Carbohidratos microorganismos CO 2 + H 2 O + NH minerales Proteinas > + Hidrocarburos O 2 Biomasa microbiana Grasas y aceites Se tiene que el nitrógeno está libre en la forma de hidróxido de amonio y es susceptible de oxidación en presencia de oxígeno, pasando a nitrato. La nitrificación de este compuesto es inhibida si se utiliza un inhibidor selectivo, tal como Allylthiourea o nitrapyrin{ 2- cloro-6- tricloro metil- piridina}. Para obtener un resultado estable y reproducible, el oxígeno consumido es medido durante un periodo de cinco días. Durante los primeros dos días, los microorganismos rápidamente metabolizan los compuestos orgánicos disponibles y viables de degradar biológicamente. Tales cinéticas son obtenidas siempre que las condiciones medioambientales apropiadas para el ensayo esten aseguradas, tales como: - ph neutro - Presencia de un inóculo lo suficientemente aclimatado - Presencia de una cantidad adecuada de nutrientes minerales necesarios para el crecimiento microbiano (de particular imporatancia son N, P, Ca, Mg, Fe, S). - Incubación en la oscuridad. 7

9 En una investigación previa se ha demostrado que gran parte de los microorganismos metabolizan aeróbicamente los sustratos orgánicos, tales como lípidos, azúcares, alcoholes o proteínas, tal que alcanzan un máximo rendimiento de producción celular de 0.4 g de células en peso seco por gramo de DQO eliminada (Sikes,1975). Este valor es de gran importancia ya que se relaciona con la cantidad de energía oxidable en el sustrato el cual es microbiólogicamente usable por las células para sus requerimientos de energía y su posterior síntesis. Por otra parte se tiene que el valor obtenido para este parámetro en la planta de tratamiento de aguas residuales industriales de Galicia es de 0,127 (Ortiz y Aguila, 1997), lo cual se sustenta en el origen industrial de estas, lo que se manifiesta en una menor fracción de compuestos biodegradables presentes en el influente. Esto implica que, cuando los microorganismos metabolizan aeróbicamente 1g de DQO, estos inmovilizan aproximadamente la mitad de la materia orgánica en la forma de biomasa y consumen oxígeno para oxidar la otra mitad, en la experiencia de Sikes y para el segundo caso solo inmovilizan un 13% en forma de biomasa. La anterior consideración relaciona el máximo rendimiento celular y no tiene en cuenta la manutención del metabolismo de la bacteria durante la segunda fase del ensayo. La respiración endogena constante para los cultivos microbianos promedio es aproximadamente 10 g de oxigeno consumido por gramo de biomasa peso seco por día. Consecuentemente se pueden escribir las siguientes aproximaciones para compuestos biodegradables: DBO 5 = O 2 (para crecim.1-2 dias) + O 2 para respiración de biomasa formada (3-4 dias) = [DQO 0,5] + [DQO 0,4] 0,1 3,5 DBO 5 = DQO*0,65 Bajo incubación prolongada, las células mineralizan completamente y la llamada demanda biológica de oxígeno infinita se aproxima al valor inicial de DQO. Para compuestos orgánicos en general se puede escribir: 8

10 DBO 5 = DQO Fb 0,65 = (b DQO) 0,65 Tal que la demanda química de oxígeno ya sea calculada tanto teóricamente, si el compuesto es conocido o determinado experimentalmente por el procedimiento del dicromato de potasio, Fb es la fracción de materia orgánica que es biodegradable, valor que está entre 0 y 1, y b DQO la demanda química de oxígeno biodegradable. Luego se tiene: b DQO = DQO Fb = DBO5/0.65 = L DBO 5 c. Relaciones entre parámetros Para diseñar una planta de tratamiento de fangos activos, es necesario saber cuanta materia orgánica biodegradable está presente en el efluente de aguas residuales, por consiguiente se necesita determinar la DBO 5, sin embargo es aconsejable medir también en paralelo la demanda química de oxigeno DQO, de esta forma se obtiene información acerca de la biodegradabilidad de los compuestos orgánicos presentes en el efluente. Además, la razón DBO 5 /DQO, una vez establecida, se utiliza para controlar y operar la planta de tratamiento. El concepto de DQO biodegradable tiene la ventaja, que el coeficiente Fb es experimentalmente determinado de los Ensayos de DBO 5 y DQO sobre el mismo tipo de aguas residuales, se puede entonces calcular la cantidad de materia orgánica para ser biológicamente eliminada, basada sobre el DQO medido antes. El valor de bdqo corresponde a lo que se denomina Demanda bioquímica de oxígeno última Una aproximación cuantitativa de la biodegradabilidad de un efluente va a estar dada por la relación de la demanda bioquímica de oxígeno a la demanda química de oxígeno. De este índice se tiene una referencia acerca de la biodegradabilidad de un efluente determinado (Hernandez, 1992). Así se tiene que, cuando: (DQO/DBO 5 ) < 2.5 9

11 es un efluente o compuesto biodegradable, pudiéndose utilizar sistemas biológicos como fangos activos o lechos bacterianos. Y cuando 2.5 < (DQO/DBO 5 ) < 5 es biodegradable siendo recomendable el empleo de lechos bacterianos Por lo tanto, para medir de forma especifica la biodegradabilidad de los aceites y grasas ya mencionados, se harán medidas de DBO utilizando un mismo inóculo de cultivo bacteriano, para un volumen de agua que contiene distintos porcentajes de éstas, en un rango de concentraciones a determinar a ph estable, por otra parte también se medirá la DQO, datos con los cuales se evaluará la biodegradabilidad intrínseca de los tipos de grasas y aceites en estudio. Es preciso mencionar que la biodegradabilidad de las aguas residuales no es una propiedad intrínseca de éstas, sino que depende en gran medida de la población microbiológica a la que este se enfrente, ya que son estos últimos los que realizan la tarea degradadora en el correspondiente análisis de DBO, es en atención a esto que se han desarrollado otros métodos de análisis experimental que lleven a cabo una evaluación más precisa y certera acerca de la biodegradabilidad como es la respirometría electrolitica (Gonzalez,1994). Aunque la biodegradabilidad no es una propiedad que dependa exclusivamente de los compuestos que van en el agua residual correspondiente, las enzimas que participan en la biodegradación y los productos derivados de la misma si dependen del sustrato: En la Tabla 4 se expone un listado de compuestos quimicos y las respectivas enzimas que participan en la biodegradación y los productos 10

12 Tabla 4. Degradación biológica de los constituyentes de aguas residuales (Nemerow,1977) Sustancia Tipo de enzimas Descomposición Descomposición a degradar Anareobia Aerobia Proteínas Proteinasas Aminoácidos Amoniaco Amoníaco Nitritos Sulfidrico Nitratos Metano Sulfídrico Dióxido de Ácido sulfúrico carbono Hidrógeno Alcoholes Alcoholes Ácidos orgánicos Ácidos orgánicos Dióxido de carbono Fenoles Agua Índoles Hidratos de Carboxidasas Dióxido de Alcoholes carbono carbono Hidrógeno Ácidos grasos Alcoholes Dióxido de carbono Ácidos grasos Agua Grasas Lipasas Ácidos grasos Ácidos grasos y Dióxido de Glicerina carbono Hidrógeno Alcoholes Alcoholes Agua Dióxido de carbono 11

13 Metodologias Utilizadas. 1- Método de winckler azida para DBO 5. Demanda bioquímica de oxígeno (DBO 5 ) Método de Winkler, Standard Methods for the examination de waste and wastewater 14th Ed. Method 507. Los valores de este ensayo representa la cantidad de oxígeno en mg/l necesario para que los microorganismos estabilicen la materia orgánica por acción bioquímica aeróbica en una muestra de agua incubada por cinco días en la oscuridad. 2- Método de microdigestión y colorimetria Hach para DQO. Demanda Química de Oxígeno Se utilizo el método del dicromato, la DQO se ha determinado utilizando un método que es una variación del método normalizado ( Huertas J., 1984), pero que mantiene el fundamento del método normalizado. Presenta la ventaja que usa una cantidad de muestra y reactivos mucho menor. Se oxida la muestra químicamente a través de la acción del dicromato de potasio a una temperatura de 150ºC, durante dos horas. Se utiliza sulfato de plata como catalizador y sulfato de mercurio para evitar las posibles interferencias de cloruro. Posteriormente se lleva a cabo la determinación por espectrofotometria. Este método permite estimar la medida de oxígeno necesario para oxidar químicamente la materia orgánica contenida en el agua. Puesto que por medios químicos la oxidación de esta materia es más completa. Para obtener los valores de este ensayo se utilizando la técnica de espectrofotometría de absorción dando una lectura directa en mg/l de oxígeno. 12

14 RESULTADOS. Los valores de la DBO y DQO, están expresados en mg/l o ppm. AFLUENTE DE LA LAGUNA DE HUALQUI (CONCEPCION) Nª de población abastecida de agua potable = FECHA DBO DQO DQO/DBO , , , , , , , , , ,7 PROMEDIO DQO/DBO = 1.66 DESV. ESTÁNDAR = 0.21 AFLUENTE DE LA LAGUNA DE EL CARMEN (BIOBIO) Nª de población abastecida de agua potable = FECHA DBO DQO DQO/DBO , , , , , , , , , , ,5 PROMEDIO DQO/DBO = 1,48 DESV. ESTÁNDAR =

15 AFLUENTE DE LA LAGUNA DE CURANILAHUE (ARAUCO) Nª de población abastecida de agua potable = FECHA DBO DQO DQO/DBO , , , , , , , , , , , , , , ,9 PROMEDIO DQO/DBO = 1,94 DESV. ESTÁNDAR = 0.23 AFLUENTE DE LAGUNA NINHUE (ÑUBLE) Nª de población abastecida de agua potable = FECHA DBO DQO DQO/DBO , , , , , , , , , ,4 PROMEDIO DQO/DBO = 1.50 DESV. ESTÁNDAR =

16 AFLUENTE DE LA LAGUNA DE FLORIDA (ÑUBLE) Nª de población abastecida de agua potable = FECHA DBO DQO DQO/DBO , , , , , , , , , , ,4 PROMEDIO DQO/DBO = 1.44 DESV. ESTÁNDAR = 0.15 AFLUENTE DE LA LAGUNA DE CABRERO (BIOBIO) Nª de población abastecida de agua potable = FECHA DBO DQO DQO/DBO , , , , , , , , , , , , , , ,5 PROMEDIO DQO/DBO = 1.67 DESV. ESTÁNDAR =

17 AFLUENTE DE LA LAGUNA DE CONTULMO (ARAUCO) Nª de población abastecida de agua potable = FECHA DBO DQO DQO/D BO , , , , , , , , , , , , , , ,6 PROMEDIO DQO/DBO = 1.83 DESV.ESTDANDARD =

18 CONCLUSIONES Los valores obtenidos de la relación DQO/DBO 5 para las aguas residuales estudiadas sugieren que están pueden ser depuradas a través de tratamiento biologicos tales como fangos activos o sistemas de lagunaje. Los cuocientes DBO/DQO obtenidos en las distintas localidades tienen una dispersión estadística discreta, lo que valida los resultados obtenidos a excepción de Cabrero que es claramente mas alta. La comuna de Curanilahue es la que posee una relación DQO/DBO mas alta y coincide este resultado con ser la de mas alta población. 17

19 BIBLIOGRAFIA GONZALEZ V., Estudios de Biodegradabilidad de Efluentes Industriales, Ingenieria Quimica, Año 25, pp97-101, SIKES R.M., Theoretical heterotrophic yields, J. Water Pollut. Control Fed. 47(3), pp , ORTIZ J Y AGUILA L., La depuracion biologica de efluentes industriales, Ingenieria Quimica, Año 29, pp , 1997 NEMEROW L., Aguas residuales industriales. Teorías, Aplicaciones y Tratamiento, Editorial Hermann Blume, Barcelona, SCHÖNBORN W., Biotechnology: Microbial Degraadation, vol.8, VCH Verlagsgesellschaft, Weinheim, Germany,1986 HERNANDEZ A., Depuracion de Aguas Residuales, Colegio de Ingenieros de Caminos,Canales y Puertos, Madrid, 1992 METCALF - EDDY, Ingenieria Sanitaria: tratamiento, evacuación, y reutilización de aguas residuales, Editorial Labor, 2ª edicion, Barcelona, 1985 CISTERNA O. PEDRO, Trabajo de investigación: Efectos de grasas y aceites en el tratamiento biológico por Fangos activos, Universidad de Oviedo, 1997 HENZE M., Wastewater,volumes and composition: Biological and chemical process, Wastewater Treatment, Springer- Verlag, Berlin,1995 MÉTODOS NORMALIZADOS, Editorial Diaz de Santos, Madrid,