OPERACIÓN Y MANTENIMIENTO DE PLANTAS DE TRATAMIENTO DE LODOS ACTIVADOS 27 al 31 de julio de 2009 Cuernavaca, Morelos
OPERACIÓN Y MANTENIMIENTO DE PLANTAS DE TRATAMIENTO DE LODOS ACTIVADOS Material tecnodidáctico PROGRAMA PARA EL FORTALECIMIENTO DE CAPACIDADES DEL SECTOR HÍDRICO 2009 Proyecto DP-0916.3 EDICIÓN TECNOLÓGICA Autores: Dra. Gabriela Moeller Chávez M. en I. Luciano Sandoval Yoval M. en I. Esperanza Ramírez Camperos M. en C. Lina Cardoso Vigueros M. en C. Violeta E. Escalante Estrada M. en C. Ana Cecilia Tomasini Ortiz EDICIÓN TECNOLÓGICO EDUCATIVA Tratamiento pedagógico: Mtro. Joaquín Flores Ramírez DISEÑO GRÁFICO Diseño editorial: Téc. Rodrigo Vargas Tapia Diseño de portada: Iltmo. D. Óscar Alonso Barrón Septima edición: julio 2009 Instituto Mexicano de Tecnología del Agua Reservados todos los derechos. Prohibida su reproducción parcial o total por cualquier medio, mecánico, eléctrico, de fotocopia, térmico u otros sin permiso del editor. Paseo Cuauhnáhuac Núm. 8532, Progreso, Jiutepec, Morelos, México C.P. 62550 Tel. (777) 329-3600 Ext. 111 Fax (777) 329-3672 Hecho en México Printed in Mexico
PROGRAMA DIDÁCTICO OPERACIÓN DE PLANTAS DE TRATAMIENTO DE LODOS ACTIVADOS OBJETIVOS GENERALES: Al término del curso taller el participante: Comprenderá los tipos de contaminantes que hay, los parámetros de calidad, los aspectos básicos de la microbiología y los diferentes procesos de tratamiento de agua residual. Comprenderá los tipos, características y dinámica de la población microbiana existente en el tratamiento biológico de aguas residuales. Comprenderá los métodos, técnicas y condiciones que debe tomar en cuenta para la adecuada operación de una planta de lodos activados. Comprenderá las características y propiedades de los equipos y sistemas de aereación que se pueden utilizar en el tratamiento de aguas residuales. Comprenderá la importancia, características, normatividad vigente, así como diversos tratamientos sobre lodos residuales. FECHA: 27 al 31 de julio 2009 HORAS: 40 SEDE: Instituto Mexicano de Tecnología del Agua INSTRUCTOR (ES): M. en I. Luciano Sandoval Yoval M. en I. Esperanza Ramírez Camperos M en C. Ana Cecilia Tomasini REQUISITOS: Personal con conocimientos en plantas de tratamiento. DIRIGIDO A: Gerentes de mantenimiento, ingenieros y técnicos responsables de la operación de plantas de tratamiento, jefes de protección ambiental y/o ecológica. CONTENIDO OBJETIVOS PARTICULARES Al finalizar el tema el participante será capaz de: 1. ASPECTOS GENERALES DEL TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES. 2. INTRODUCCIÓN AL TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES POR EL PROCESO DE LODOS ACTIVADOS. 3. MICROORGANISMOS Y FACTORES AMBIENTALES. Comprenderá los tipos de contaminantes, los fenómenos que se presentan y los métodos para su control. Comprenderá los parámetros físicos, químicos y biológicos que se deben considerar en el análisis de agua residual. Comprenderá los tipos de metabolismo y microorganismos que se presentan en aguas residuales. Comprenderá la clasificación y características de los tres procesos de tratamiento de agua residual. El participante conocerá, de manera breve, los antecedentes históricos sobre el proceso de lodos activados. Conocerá los diferentes tipos de microorganismos existentes en los procesos biológicos de tratamiento de aguas residuales. Comprenderá la dinámica de la población microbiana en un reactor de lodos activados. Aplicará los conocimientos adquiridos en la observación de diferentes microorganismos.
CONTENIDO 4. CONCEPTOS BÁSICOS Y VARIANTES AL PROCESO DE LODOS ACTIVADOS. 5. DESCRIPCIÓN DE LOS EQUIPOS DE PROCESO. 6. FUNDAMENTOS Y CONTROL DE LA OPERACIÓN. OBJETIVOS PARTICULARES Conocerá los componentes, características y variantes de operación del proceso de lodos activados. Comprenderá los factores que ha de considerar para la correcta operación de una planta de lodos activados. Conocerá las principales características de los equipos que se utilizan en los sedimentadores primarios y secundarios. Comprenderá la importancia, las características y las formas de operación de los sistemas de aereación que se utilizan en las de lodos activados. Comprenderá los métodos que se deben utilizar para un adecuado monitoreo del proceso biológico de tratamiento. Comprenderá las diferentes técnicas que le permitan un adecuado control del proceso de tratamiento. 7. MANUAL DE OPERACIÓN Y MANTENIMIENTO. Conocerá los registros de operación para llevar un control de las actividades que se realizan en la planta de tratamiento para cumplir con los requerimientos establecidos. Conocerá los elementos que se deben tener en cuenta al implementar un programa adecuado de mantenimiento de las instalaciones y del equipo electromecánico de una planta de tratamiento. 8. NORMATIVIDAD APLICADA A EL TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES. Al término del tema, el participante conocerá la legislación, criterios, requerimientos y normas referentes a aguas residuales en México. 9. HIGIENE Y SEGURIDAD. Al término del tema, el participante comprenderá las diferentes acciones que deben llevarse a cabo para implementar medidas de seguridad e higiene en una planta de tratamiento de lodos activados. 10. MANEJO DE LODOS RESIDUALES. Conocerá los tipos y las características del lodo residual, así como la normatividad vigente para su uso o disposición. Comprenderá los métodos de espesamiento y las diversas tecnologías que se pueden utilizar para la estabilización de los lodos residuales para su uso como biosólido.
PROGRAMA DE ACTIVIDADES LUNES 27 DE JULIO Registro de participantes Todos 09:00 09:15 Inauguración Representantes del IMTA 09:15 09:25 Dinámica de grupo Todos 09:25 09:45 Video del IMTA 09:45 10:10 Aspectos generales del tratamiento de aguas residuales. Contaminación del agua y su control MC. Cecilia Tomasini 10:10 11:11 Parámetros de calidad del agua 11:00 12:00 RECESO 12:00 12:15 Aspectos básicos de la microbiología del agua residual MC. Cecilia Tomasini 12:15 13:15 Video de tratamiento de aguas residuales Todos 13:15 13:30 13:30 14:30 COMIDA Procesos de tratamiento del agua residual. Fisicoquímicos 14:30 15:00 MC. Cecilia Tomasini Procesos de tratamiento del agua residual. Biológicos aerobios 15:00 16:15 RECESO 16:15 16:30 Procesos de tratamiento del agua residual. Biológicos aerobios 16:30 18:00 MARTES 28 Introducción al tratamiento de aguas residuales por el proceso de lodos activados Microorganismos y factores ambientales MC. Cecilia Tomasini 09:00 09:30 09:30 11:00 11:00 11:15 RECESO Práctica y análisis de resultados MC. Cecilia Tomasini 11:15 12:30 Descripción del proceso IMTA 12:30 13:00 M.I. Luciano Sandoval Descripción de procesos 13:00 13:30 13:30 14:30 COMIDA Conceptos básicos y variantes del proceso de lodos activados 14:30 15:00 M.I. Luciano Sandoval Factores relacionados con el proceso 15:00 16:00 16:00 16:15 RECESO Indicadores visuales 16:15 17:00 M.I. Luciano Sandoval Indicadores analíticos 17:00 18:00
MIÉRCOLES 29 Tipos de lodos 09:00 09:45 M.I. Esperanza Ramírez Generación de lodos 09:45 11:00 11:00 11:15 RECESO Espesamiento y deshidratación de lodos 11:15 12:45 M.I. Esperanza Ramírez Métodos de estabilización 12:45 13:30 13:30 14:30 COMIDA Práctica de composteo M.I. Esperanza Ramírez 14:30 17:00 17:00 17:15 RECESO Discusión de práctica M.I. Esperanza Ramírez 17:15 18:00 JUEVES 30 Descripción de equipos 09:00 09:30 M.I. Luciano Sandoval Muestreo 09:30 10:30 10:30 10:45 RECESO Práctica de indicadores visuales 10:45 12:00 M.I. Luciano Sandoval Práctica de muestreo 12:00 13:30 13:30 14:30 COMIDA Análisis de resultados 14:30 15:30 M.I. Luciano Sandoval Control del proceso 15:30 16:00 16:00 16:15 RECESO Taller de cálculos M.I. Luciano Sandoval 16:15 18:00 VIERNES 31 Análisis de los resultados del taller de cálculos 09:00 09:30 M.I. Luciano Sandoval Problemas comunes y acciones correctivas 09:30 10:30 RECESO 10:30 10:45 Manual de operación y mantenimiento 10:45 12:00 Elaboración de manuales M.I. Luciano Sandoval 12:00 13:00 Análisis de manuales 13:00 14:00 COMIDA 14:00 15:00 Higiene y seguridad M.I. Luciano Sandoval 15:00 15:30 Normatividad aplicada a el tratamiento de aguas residuales Dra. Gabriella Moeller 15:30 17:00 Clausura Todos 17:00 17:30
1 2 3 4 5 6 CONTENIDO TEMÁTICO 7 8 ASPECTOS GENERALES DEL TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES INTRODUCCIÓN AL TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES POR EL PROCESO DE LODOS ACTIVADOS MICROORGANISMOS Y FACTORES AMBIENTALES CONCEPTOS BÁSICOS Y VARIANTES AL PROCESO DE LODOS ACTIVADOS DESCRIPCIÓN DE LOS EQUIPOS DE PROCESO FUNDAMENTOS Y CONTROL DE LA OPERACIÓN MANUAL DE OPERACIÓN Y MANTENIMIENTO NORMATIVIDAD APLICADA A EL TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES 9 HIGIENE Y SEGURIDAD 10 MANEJO DE LODOS RESIDUALES ANEXOS BIBLIOGRAFÍA
ÍNDICE 1. ASPECTOS GENERALES DEL TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES... 17 1.1 Contaminación del agua y su control... 17 1.1.1 Tipos de contaminantes... 17 1.1.2 Vertido de aguas residuales... 20 1.1.3 Autodepuración de lagos... 21 1.1.4 Control de la contaminación... 22 1.2 Parámetros de calidad del agua... 24 1.2.1 Características físicas... 25 1.2.2 Características químicas... 26 1.2.3 Características biológicas... 28 1.3 Aspectos básicos de la microbiología del agua residual... 28 1.3.1 Tipos de metabolismo... 28 1.3.2 Tipos de microorganismos... 29 1.3.2.1 Virus... 30 1.3.2.2 Bacterias... 31 1.3.2.3 Hongos... 32 1.3.2.4 Algas... 32 1.3.2.5 Protozoarios... 34 1.3.2.6 Formas superiores de vida... 35 1.4 Procesos de tratamiento del agua residual... 35 1.4.1 Clasificación de métodos de tratamiento... 36 1.4.1.1 Procesos físicos... 36 1.4.1.2 Procesos químicos... 38 1.4.1.3 Procesos biológicos... 40 Sistemas aerobios... 41 Sistemas anaerobios... 71 1.4.1.4 Ventajas y desventajas de los procesos aerobios anaerobios... 86 AUTOEVALUACIÓN DE L CAPÍTULO 1... 90 2. INTRODUCCIÓN AL TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES POR EL PROCESO DE LODOS ACTIVADOS... 93 2.1 Historia del proceso de lodos activados... 95 2.2 Lodos activados en México... 95 AUTOEVALUACIÓN DEL CAPÍTULO 2... 99 3. MICROORGANISMOS Y FACTORES AMBIENTALES... 101 3.1 Tipos de microorganismos... 102 Virus... 102 Bacterias... 103 Morfología bacteriana... 103 Protozoarios... 105 Protozoarios flagelados... 105 Sarcodina... 105 Ciliados... 105 Rotíferos... 107 Nemátodos... 109 Hongos... 112
3.2 Dinámica de la población...112 3.3 Uso del microscopio...114 Microscopio compuesto...115 Procedimientos para el uso del microscopio...117 Recomendaciones para su manejo...118 AUTOEVALUACIÓN DEL CAPÍTULO 3...119 4. CONCEPTOS BÁSICOS Y VARIANTES AL PROCESO DE LODOS ACTIVADOS...121 4.1 Descripción del proceso...121 Componentes del sistema de lodos activados...121 4.2 Variantes al proceso de lodos activados...122 Flujo pistón...122 Completamente mezclado...123 Estabilización contacto...123 Aeración extendida...124 Zanjas de oxidación...125 Alimentación escalonada (a pasos)...125 Aeración reducida...126 Oxígeno puro...126 Proceso Graus...127 4.3 Factores relacionados con el proceso...128 Concentración del agua cruda...128 Nutrientes...129 Oxígeno disuelto (OD)...129 Tiempo de retención...129 ph...130 Toxicidad...130 Temperatura...131 Mezcla...132 Gasto...132 AUTOEVALUACIÓN DEL CAPÍTULO 4...133 5. DESCRIPCIÓN DE LOS EQUIPOS DE PROCESO...135 5.1 Equipos en sedimentadores...135 Sedimentadores primarios y secundarios...135 Sedimentadores circulares...135 Sedimentadores rectangulares...137 Rastra de cadenas...138 Puentes viajeros...139 5.2 Sistemas de aeración...139 Aeradores mecánicos...139 Consideraciones en la operación y mantenimiento...143 Aeración por difusión...144 Difusores porosos...145 Difusores no porosos...145 Otros sistemas de difusión...146 Sopladores...148 AUTOEVALUACIÓN DEL CAPÍTULO 5...151
6. FUNDAMENTOS Y CONTROL DE LA OPERACIÓN... 153 6.1 Monitoreo del proceso... 153 Indicadores visuales... 154 Color... 154 Olor... 154 Espuma... 154 Algas... 155 Rocío en aeradores... 155 Turbiedad del efluente... 155 Burbujeo... 155 Material flotante... 155 Acumulación de sólidos... 156 Trayectoria de flujos... 156 Turbulencia... 156 Tacto... 157 Indicadores analíticos... 158 Oxígeno disuelto (OD)... 159 DBO 5... 160 DQO... 160 Prueba de consumo de OD... 161 SS y SSV... 161 Prueba de sedimentabilidad de 30 minutos... 162 Nutrientes... 163 ph... 163 Grasas y aceites... 163 Temperatura... 163 Observaciones microscópicas... 163 Profundidad del manto de lodos... 164 Acidez y alcalinidad... 164 Gastos... 165 Tiempo de retención... 166 Dosificación de productos químicos... 166 Niveles y alturas de tanques... 166 6.2 Control del proceso... 167 Índice volumétrico de lodos (IVL)... 167 Cargas: orgánica y de sólidos suspendidos... 168 Relación alimento/microorganismos (A/M)... 168 Edad de lodos (tiempo medio de retención celular)... 172 Control del gasto de recirculación... 174 Control de la purga... 175 6.3 Taller de cálculos... 176 6.3.1 Cálculos con referencia de S.R. Ramalho... 177 6.3.1.1 Sistema convencional... 177 6.3.1.2 Sistema de aeración extendida... 180 6.3.2 Cálculos con referencia de Metclaf & Eddy... 184 6.3.2.1 Sistema convencional... 184 6.3.2.2 Sistema de aeración extendida... 187 6.3.3 Índice volumétrico de lodos... 190 6.3.4 Consumo de oxígeno... 191 6.3.4.1 Sistema convencional... 191
6.3.4.2 Sistema de aeración extendida...192 6.3.5 Nutrientes...193 6.3.5.1 Convencional...193 6.3.5.2 Aeración extendida...194 6.3.6 Resumen de resultados...195 6.4 Problemas comunes y acciones correctivas...195 Introducción...195 Técnicas generales...196 6.5 Arranque de una planta de tratamiento de aguas residuales en su modalidad de lodos activados...197 Preparación previa al arranque...197 Análisis del agua residual...197 Revisión del equipo electromecánico...198 Revisión hidráulica de los tanques...200 Arranque...200 Arranque de una PTAR de Lodos Activados sin inóculo....200 Arranque de una PTAR de Lodos Activados con inóculo...204 Transición del arranque...207 Problemas típicos en el arranque...208 Espuma...208 Problemas de sedimentación de lodos biológicos...208 Baja remoción de DBO 5...209 Temperatura y condiciones climáticas desfavorables...209 Equipos, materiales y reactivos para realizar la puesta en marcha...209 Demanda bioquímica de oxígeno...209 Demanda química de oxígeno...210 Oxígeno disuelto...210 ph...210 Turbiedad...211 Determinación de sólidos...211 Índice volumétrico de lodos...211 AUTOEVALUACIÓN DEL CAPÍTULO 6...212 7. MANUAL DE OPERACIÓN Y MANTENIMIENTO...215 7.1 Registro de operación...215 7.2 Mantenimiento...220 AUTOEVALUACIÓN DEL CAPÍTULO 7...226 8. NORMATIVIDAD APLICADA A EL TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES...227 8.1 Desarrollo de la legislación en México. Criterios y normas...227 8.2 Normativa vigente (1997-2004)...233 8.2.1 NOM-001-SEMARNAT-1996...233 8.2.2 NOM-002-SEMARNAT-1996...241 8.2.3 NOM-003-SEMARNAT-1997...245 9. HIGIENE Y SEGURIDAD...251 Programas...251 Medidas de higiene...252 Sustancias peligrosas...253 Espacios confinados...254
Medidas de protección... 254 AUTOEVALUACIÓN DEL CAPÍTULO 9... 256 10. MANEJO DE LODOS RESIDUALES... 257 Introducción... 257 10.1 Tipos y características de los lodos residuales... 258 10.1.1 Características físicas... 259 10.1.2 Características químicas... 260 10.1.3 Características microbiológicas... 261 10.2 Normatividad sobre lodos residuales... 263 10.3 Tratamiento de lodos residuales... 265 10.3.1 Espesamiento y deshidratación de lodos... 266 10.3.2 Estabilización... 276 BIBLIOGRAFÍA... 303 AUTOEVALUACIÓN DEL CAPÍTULO 10... 306 ANEXOS... 309 ANEXO A. TÉCNICAS DE MUESTREO... 309 Introducción... 309 Objetivos de un programa de muestreo... 309 Preparación... 311 Envases y preservadores químicos... 311 Revisión del equipo de muestreo de campo... 312 Ubicación de la estación de muestreo... 315 El muestreo... 315 Registro en campo... 315 Colecta de muestras... 316 Muestreo de ríos y arroyos... 318 Muestreo en tomas... 320 Muestreo en descargas libres... 320 Muestreo en canales y colectores... 320 Muestreo en tanques y lagos... 321 Procedimientos de muestreo... 321 Muestreo manual... 321 Muestreo automático... 322 Preservación de muestras... 322 Control y aseguramiento de calidad en campo... 323 Blancos de equipo... 323 Blancos de viaje... 323 Blancos de campos... 324 Muestras dobles... 324 Muestras divididas... 324 ANEXO B. PRÁCTICA DE MUESTREO... 325 Generalidades... 325 Procedimiento... 326 ANEXO C. CÁLCULO DE LA RECIRCULACIÓN Y PURGA DE LODOS... 337
ANEXO D. CALENDARIOS DE ACTIVIDADES...340 Arranque de una PTAR de Lodos Activados sin inóculo....340 Arranque de una PTAR de Lodos Activados con inóculo....341 ANEXO E. FORMATOS DE CONTROL DE ARRANQUE Y UESTA EN MARCHA...343 BIBLIOGRAFÍA...349 RESPUESTA A LAS AUTOEVALUACIONES...353 Capítulo 1...353 Capítulo 2...353 Capítulo 3...353 Capítulo 4...354 Capítulo 5...354 Capítulo 6...355 Capítulo 7...355 Capítulo 9...355 Capítulo 10...356 INSTRUCTORES...357
INTRODUCCIÓN Este curso-taller de operación de plantas de tratamiento de lodos activados fue diseñado para formar al personal involucrado en este tipo de tratamientos. Con este material se proporcionan las herramientas básicas del proceso de tratamiento mediante la presentación del texto con ayudas didácticas, prácticas de campo que proporcionan un marco completo del proceso. El texto se estructuró de tal manera que, primero se presentan los antecedentes del proceso de lodos activados, cómo surgieron y dónde se aplica, un resumen de su aparición en México, y su vigencia. Después de la presentación del proceso se dan las bases biológicas del tratamiento; esto es, la descripción de los microorganismos responsables de la degradación de la materia orgánica y demás que conviven en el sistema, así como la dinámica de dicha población. Se presenta el tema de lodos activados con la descripción del proceso, las unidades previas requeridas, los componentes básicos del sistema y su interrelación. Enseguida se aborda el tema de modificaciones al proceso, el cual resulta interesante por presentarse de manera sencilla y clara, con diagramas de su funcionamiento. Una vez conocidos los principios básicos del proceso, se muestran los equipos para el sistema, como son los de sedimentación y los equipos para proporcionar el oxígeno demandado por los microorganismos. La responsabilidad del buen funcionamiento de la planta generalmente recae en el operador; por eso, la parte más importante del curso-taller hace referencia a los fundamentos y control de la operación. En la primera parte se dan las herramientas para el control de proceso, así como la práctica directa del cálculo de parámetros e índices de este control mediante un taller de cálculos donde se realizarán operaciones sencillas, pero de suma importancia para el operador. Se ejemplifican los problemas típicos del proceso y su acción correctiva mediante el uso de matrices que son de gran práctica.
Se dan las bases para el arranque de una planta de tratamiento de lodos activados, con todas las implicaciones que presenta: prueba a unidades, equipos, inoculación, arranque, control del proceso durante los primeros días y problemas que se pueden presentar. Entre los temas del curso-taller también esta el referente a higiene y seguridad dentro de la planta; un tema que requiere mucha atención pues pocas instalaciones en el país observan esas normas. Finalmente, el último tema se refiere al tratamiento de lodos residuales, en donde se trata el composteo y vermicomposteo. OBJETIVOS GENERALES Al término del curso taller, el participante: Comprenderá los tipos de contaminantes que hay, los parámetros de calidad, los aspectos básicos de la microbiología y los diferentes procesos de tratamiento de agua residual. Comprenderá los tipos, características y dinámica de la población microbiana existente en el tratamiento biológico de aguas residuales. Comprenderá los métodos, técnicas y condiciones que debe tomar en cuenta para la adecuada operación de una planta de lodos activados. Comprenderá las características y propiedades de los equipos y sistemas de aereación que se pueden utilizar en el tratamiento de aguas residuales. Comprenderá la importancia, características, normatividad vigente, así como diversos tratamientos sobre lodos residuales. DIRIGIDO A: Gerentes de mantenimiento. Ingenieros y técnicos responsables de la operación de Plantas de Tratamiento. Jefes de protección ambiental y/o ecología.
1 ASPECTOS GENERALES DEL TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES AUTORES: Gabriela Moeller Chávez Violeta E. Escalante Estrada Ana Cecilia Tomasini Ortiz Objetivos particulares: Al término del tema, el participante: Comprenderá los tipos de contaminantes, los fenómenos que se presentan y los métodos para su control. Comprenderá los parámetros físicos, químicos y biológicos que se deben considerar en el análisis de agua residual. Comprenderá los tipos de metabolismo y microorganismos que se presentan en aguas residuales. Comprenderá la clasificación y características de los tres procesos de tratamiento de agua residual. 1.1 Contaminación del agua y su control Debido a la importancia que tiene el agua en la vida del hombre, si está contaminada se convierte en un medio con gran potencial para transmitir una amplia variedad de enfermedades. En los países desarrollados las enfermedades hídricas son raras, lo que se debe esencialmente a la presencia de sistemas eficientes de abastecimiento de agua y de tratamiento del agua residual. Sin embargo, en los países en vías de desarrollo cerca de 2000 millones de personas, no cuentan con abastecimiento de agua segura y saneamiento adecuado. Como resultado, las enfermedades hídricas en estos alcanzan cifras alarmantes. Actualmente hay una gran preocupación por los posibles riesgos para la salud que pueden surgir a largo plazo por la presencia de pequeñas concentraciones de impurezas en el agua para beber, en especial de compuestos potencialmente cancerígenos. También existen varios contaminantes, de origen natural o producidos por el hombre, que tienen efectos conocidos en la salud de quienes los consumen. Por tanto, es muy importante que se conozca la relación que existe entre la calidad del agua y la salud. 1.1.1 Tipos de contaminantes Es importante tener presente que todas las aguas naturales contienen varios contaminantes que provienen de la erosión, la lixiviación y los procesos de degradación a la intemperie. A esta contaminación natural se agrega aquella causada por las aguas residuales de origen doméstico o industrial, que por lo común se eliminan descargándolas, por ejemplo, en el mar, en estratos subterráneos o, más comúnmente, en aguas superficiales. 17
Cualquier cuerpo de agua es capaz de asimilar cierta cantidad de contaminantes, sin mostrar efectos serios, debido a los factores de dilución y autopurificación que están presentes. Si hay contaminación adicional, se altera la naturaleza del cuerpo de agua receptor y deja de ser adecuado para sus diferentes usos. Por lo anterior, es importante conocer los efectos de la contaminación, así como las medidas de control disponibles para el manejo eficiente de los recursos hidráulicos. Los contaminantes que afectan la calidad del agua también se pueden clasificar de la siguiente forma: a) Compuestos infecciosos y tóxicos. b) Materiales que afectan el balance de oxígeno en el agua. c) Compuestos orgánicos persistentes. d) Nutrientes. e) Materia suspendida. f) Temperatura. g) ph a) Compuestos infecciosos y tóxicos Aquí se incluye una amplia variedad de sustancias que han demostrado tener impacto negativo en el ser humano al estar presentes en el agua potable a la cual utilizan como vehículo de transporte. Las bacterias son las representativas de los compuestos infecciosos relacionándolas con grandes epidemias, también se encuentran los virus, protozoarios, helmintos, gusanos y otros organismos patógenos. El arsénico, plomo, mercurio, cadmio, otros metales en su mayoría pesados, y algunos compuestos orgánicos pueden provenir de operaciones de acabado y cromado de metales, repelentes de polilla utilizados en la manufactura de textiles, herbicidas y plaguicidas, etc. El efecto que causan en el ser humano es tan importante que pueden llegar a modificar el material genético en las células de los seres vivos. b) Materiales que afectan el balance de oxígeno en el agua Algunos compuestos orgánicos son utilizados por los microorganismos presentes en la corriente como fuentes de energía y crecimiento. El proceso metabólico en estas transformaciones causa el rompimiento de los compuestos orgánicos generando estructuras más sencillas y residuos. De esta forma, las reacciones bioquímicas llevadas a cabo emplean el oxígeno disuelto en el agua, limitando la disponibilidad de éste en la corriente. El valor de la DBO depende del tipo y cantidad de compuestos orgánicos presentes, número y tipo de organismos en el agua, temperatura, ph, presencia de nutrientes y elementos traza necesarios para el crecimiento. La presencia en exceso de organismos y/o materiales puede causar el agotamiento del oxígeno disuelto y la muerte de los organismos superiores (peces). Además, la ausencia de oxígeno disuelto afecta el crecimiento de los microorganismos aerobios y favorece el predominio de los organismos anaerobios que generan subproductos causantes de olores desagradables. 18
La reducción del oxígeno disuelto (OD) en la corrientes de agua, ha recibido especial atención en los estándares de calidad, por esta razón la prueba de la DBO es una medida para evaluar las características de las descargas de aguas residuales; este método es práctico y directo para medir el oxígeno consumido por los organismos durante la estabilización bioquímica de la materia orgánica. Otro tipo de sustancia que entorpece la transferencia de oxígeno a través de la interfase aire-agua son las grasas y aceites, ya que forman películas que no permiten la transferencia de oxígeno. c) Compuestos orgánicos persistentes Estos compuestos no se descomponen a través de la acción biológica, por lo que pueden permanecer durante largos periodos o indefinidamente. Se ha encontrado que los pesticidas y los hidrocarburos clorados, que son resistentes al ataque bioquímico, pueden generar problemas crónicos o agudos en la salud. d) Nutrientes Los microorganismos requieren de elementos que son necesarios para su crecimiento y reproducción. Estos elementos incluyen carbón, oxígeno, hidrógeno, nitrógeno, fósforo, azufre y algunos otros, presentes en cantidades traza, cuando alguno de ellos no existe, el crecimiento y reproducción se afectan. Un exceso de N y P debido a descargas residuales sin tratar pueden causar problemas de eutroficación en cuerpos de agua ya que favorecen el crecimiento excesivo de algas y malezas acuáticas, y ya que algunas algas pueden fijar el nitrógeno atmosférico, se acepta generalmente que el fósforo es el nutriente limitante en el agua. Los fosfatos se encuentran en el agua residual, debido en parte, a excretas humanas y al uso en los detergentes sintéticos. e) Materia suspendida La materia suspendida tiene un tamaño de partícula mayor que las moléculas disueltas y los iones, dividiéndose en partículas suspendidas y coloidales. La materia suspendida presenta efectos desagradables en la calidad del agua. Por ejemplo, el incremento de la turbiedad restringe los usos que se pueden obtener del agua tratada. Además, las partículas interfieren con la penetración de la luz, causando un impacto considerable a los organismos acuáticos que dependen de ella para crecer y reproducirse. Por lo que tienen una gran influencia sobre el balance ecológico de los cuerpos de agua. La materia suspendida está presente en las corrientes y lagos debido a que es arrastrada en el agua superficial de campos de cultivo y áreas urbanas, o por la descarga de residuos industriales o municipales. Por ejemplo, los compuestos de hierro presentes en los efluentes de las fábricas de acero o minas de carbón abandonadas reaccionan con la alcalinidad y el oxígeno presentes en la corriente formando precipitados que impactan en diferente forma el estado natural de la corriente. 19
Por otro lado, la materia suspendida puede estar formada por los sólidos suspendidos y por los sedimentables. Los cuales sedimentan en el fondo de los ríos, lagos, lagunas, o estanques creados con ese fin. Cuando los sólidos sedimentados contienen gran cantidad de materia orgánica su descomposición crea problemas de olor, pero el efecto más importante es la reducción de la capacidad de los cuerpos de agua debido a la sedimentación, provocando así la destrucción de la vida acuática. f) Temperatura La temperatura es el principal ejemplo de la complejidad del agua ya que puede ser dañina o benéfica dependiendo de las circunstancias. El mayor impacto del incremento de la temperatura en las corrientes es que abate el valor de la fuente para sus usos posteriores. Asimismo, intensifica los problemas de sabor y olor en el agua potable. El valor de la DBO se incrementa sustancialmente con el aumento en la temperatura, por las siguientes razones: la rapidez de la reacción bioquímica en la corriente se acelera con el incremento de la temperatura, lo cual reduce el oxígeno disuelto (OD) disponible del sistema. las altas temperaturas abaten el reabastecimiento del oxígeno consumido en las reacciones, al aumentar la temperatura de la corriente se acelera la muerte de algunas especies. 1.1.2 Vertido de aguas residuales En las corrientes de agua en estado natural, existe un equilibrio entre la vida vegetal y animal, mediante una gran interacción entre las diversas formas de vida que aseguran el proceso de autodepuración (Figura 1.1). Las aguas de buena calidad se caracterizan por una gran diversidad de especies sin predominio de unas o de otras. La materia orgánica vertida a un cauce es descompuesta por bacterias a nitrógeno amoniacal, nitratos, sulfatos, bióxido de carbono, etc., los cuales son utilizados por plantas y algas para producir carbohidratos y oxígeno. Las especies vegetales sirven de alimento a animales microscópicos (rotífero, etc.), los cuales a su vez, sirven de alimentos a crustáceos, insectos, gusanos y peces. Algunos animales se alimentan de los residuos producidos por otros, ayudando de esta manera a la degradación bacteriana. Sustancias naturales e inorgánicas Agua residual Hombre Bacterias Algas Protozoarios Peces FUENTE: Noyola-Robles, A., et al, 2000 Figura 1.1 Ciclo de autopurificación Si la concentración de materia orgánica vertida es grande, el crecimiento bacteriano será muy alto con una disminución del oxígeno disuelto (OD) lo cual afecta el equilibrio mencionado. 20
Como se dijo, los efluentes líquidos son eliminados mediante su vertido a aguas superficiales, tanto directamente como a terrenos que drenen a las mismas; por descarga en aguas subterráneas, de forma directa mediante inyección en pozos profundos o indirecta por percolación, o por evaporación a la atmósfera. Cualquiera que sea la forma de eliminación final utilizada, los efluentes deben tratarse previamente hasta por lo menos, un nivel equivalente al del tratamiento secundario de manera que se cumpla con la legislación vigente y no altere negativamente el ecosistema donde se descarga. Cuando la descarga de agua residual se realiza en un cuerpo de agua pueden presentarse los siguientes fenómenos: dilución, dispersión, sedimentación, desinfección y temperatura. Dilución: la dilución con un gran volumen de agua que contenga una cantidad importante de OD ayuda a reducir la posibilidad de ocurrencia de efectos contaminantes. Por el contrario, los efluentes vertidos a corrientes de agua de poco caudal, necesitan de tratamiento intensivo si se quiere cumplir con las normas de calidad del agua. Dispersión: las corrientes colaboran en la dispersión del agua residual en el agua, lo que disminuye la posibilidad de crear zonas con altas concentraciones de contaminantes. La existencia de remolinos y retrocesos de las aguas pueden dar lugar a la sedimentación de los sólidos suspendidos, provocando la formación de bancos de lodo y la producción de malos olores. Las corrientes rápidas favorecen la reaeración, a la vez que reduce el tiempo de recuperación; pero puede aumentar la longitud del tramo de la corriente afectado por el vertido. Sedimentación: los sólidos suspendidos y los sedimentables elevan la demanda de oxígeno, estos pueden ser eliminados por sedimentación si la velocidad de la corriente es menor que la de arrastre de las partículas. Tal eliminación mejora la calidad del agua después de la zona de sedimentación, pero no cabe duda que es perjudicial en el punto donde los sólidos se acumulan. Desinfección: la luz solar actúa como desinfectante y estimula el crecimiento de las algas. Estas producen oxígeno durante el día, pero lo consumen durante la noche. Las aguas que contienen grandes desarrollos de algas pueden llegar a sobresaturarse de OD durante las horas de sol y tornarse anaerobias durante la noche. Temperatura: la temperatura afecta a la solubilidad de oxígeno en el agua, a la actividad de las bacterias y a la velocidad de reaeración. La condición crítica se alcanza en épocas de altas temperaturas en las que el consumo de oxígeno es elevado y su disponibilidad reducida. 1.1.3 Autodepuración de lagos La autodepuración de los lagos la efectúan los mismos agentes que actúan en las corrientes. Sin embargo, en los lagos las corrientes son menos pronunciadas y a menudo la sedimentación originará grandes acumulaciones de lodo en el fondo, algas muertas y otros tipos de vegetación. La inevitable descomposición que puede ser lenta debido a las bajas temperaturas del agua profunda, empleará todo el oxígeno de dichas capas más profundas. 21
No es raro descubrir en los embalses y lagos, que las capas de aguas superiores contengan mucho OD, plancton y peces propios de aguas limpias, mientras que los estratos inferiores presentan las características de ausencia de oxígeno, bacterias anaerobias y olores desagradables. Un lago poco profundo presenta condiciones favorables para la rápida autodepuración: gran superficie de agua en comparación con el volumen y mucho contacto con las algas tanto en las masas flotantes como en las fijas sobre plantas acuáticas o en las orillas. El efecto de los vertidos de aguas residuales en lagos y estuarios puede estudiarse empleando modelos matemáticos y su aplicación queda fuera de los alcances de este curso. 1.1.4 Control de la contaminación Debido a la necesidad de conciliar las diferentes demandas de los recursos hidráulicos, la mayoría de los países tienen leyes para controlar la contaminación, conservar y, tal vez mejorar, la calidad del agua. En este contexto es útil citar la definición de la Comunidad Económica Europea (CEE): La contaminación del agua es la descarga efectuada por el hombre de sustancias diversas al medio ambiente acuático, que pone en riesgo la salud humana, daña los recursos vivos y los ecosistemas acuáticos, impide su uso para fines recreativos o interfiere otros usos legítimos del agua. Se concluye que para que una descarga se denomine contaminante, debe haber evidencia de deterioro o daño. Cuando se establecen métodos para el control de la contaminación del agua, los patrones se pueden basar ya sea en calidad del agua requerida por el cuerpo receptor (enfoque de objetivos de calidad del río) o bien pueden aplicarse directamente al afluente sin referencia a la calidad del agua del cuerpo receptor (enfoque de patrones de emisión). El método de objetivos de calidad resulta lógico pero puede ser causa de problemas cuando se agrega una nueva descarga al sistema, ya que todos los niveles de descarga existentes deben revisarse río abajo o la nueva descarga y se puede enfrentar un estándar de calidad para el agua muy alto, imposible de lograr. Podría ser desigual el grado de tratamiento requerido para aguas residuales similares que se descargan en diferentes tramos de un mismo río. Un efluente aguas abajo podría requerir más tratamiento debido a que el agua de dilución sería de una calidad inferior como resultado de la descarga aguas arriba. Desde el punto de vista administrativo, el concepto de patrones de emisión es conveniente en el sentido que el estándar se aplica a todas las descargas similares, pero tiene la desventaja que no se toman en cuenta las características de autopurificación del agua receptora ni de su uso aguas abajo. El compromiso de adoptar patrones de emisión basados en el uso del agua receptora tiene el mérito de ser más fácil de implantar que los patrones para agua receptora, pero no asegura por sí mismo la conservación de la calidad del agua en condiciones cambiantes de descarga del efluente. 22
El control de la contaminación del agua en el Reino Unido está apoyando principalmente en el trabajo pionero de la Royal Commision on Sewage Disposal, que en su octavo informe (1992) propuso la adopción de normas para efluentes relacionados con la calidad y volumen del agua de dilución. Según estos estudios, la Comisión sugirió que una DBO de 4/mg/l en un curso de agua era un límite que, si era excedido, indicaría un grado significativo de contaminación. Un esquema de cobro alienta a los usuarios industriales a tomar acciones para reducir el volumen y la concentración del agua residual por medio de un mejor control de los procesos y, si es posible, una modificación de los mismos. Si los desechos industriales se descargan al sistema de drenaje principal, es importante asegurarse que el agua residual no contenga material que dañe el alcantarillado, a los trabajadores del drenaje o a los procesos de tratamiento de agua residual. Por esto en algunos casos puede ser necesario dar un pretratamiento en la industria antes de hacer una descarga al alcantarillado. La política de el que contamina paga, algunas veces invocada para tratar las descargas de desecho industrial, puede ser no totalmente satisfactoria a no ser que las cuotas se fijen racionalmente. En algunas situaciones un industrial podría preferir considerar como gasto de operación y pagar el costo de causar contaminación en vez de invertir capital en una planta de tratamiento. Tal enfoque tendría efectos directamente perjudiciales en la calidad del agua del cuerpo receptor. Consideraciones similares a las descritas se aplican para el control de la contaminación del agua subterránea aunque aquí, debido a la dificultad de rectificar el daño causado al acuífero, se prefiere el empleo de factores de seguridad mayores que los usados para la descarga en agua superficial. Se debe tener un cuidado especial para proteger acuíferos importantes y en algunos casos la eliminación subterránea de los desechos líquidos y los tiraderos de desechos sólidos con problemas de lixiviación, sólo se permiten si sabe que el acuífero está completamente aislado de la fuente potencial de contaminación. En el caso de aguas de mar, las descargas se pueden reglamentar de acuerdo a los parámetros normales físicos y químicos que se usan para las descargas tierras adentro, con ajustes adecuados que tomen en cuenta la dilución disponible. Así, en situaciones con una dilución adecuada, la descarga de agua residual con desechos cribados o triturados puede ser aceptable. Cuando la principal preocupación es en relación con playas o banco de moluscos, es probable que los efectos bacteriológicos de la contaminación por agua residual sean de los más significativos. Aunque las implicaciones en la salud por contaminación bacteriológica de las aguas de mar son difíciles de cuantificar, las diferentes autoridades han fijado los patrones de calidad para el agua para bañarse de acuerdo con los recuentos de coliformes, que varían de 100/100 ml en California a 10 000 /100 ml en la CEE. De esta manera las normas locales, ajustadas a condiciones particulares climáticas y ambientales, son más apropiadas que los patrones universales. 23
1.2 Parámetros de calidad del agua Aunque normalmente se considera el agua como una molécula formada por dos átomos de hidrogeno y uno de oxigeno, H 2 O, todas las aguas naturales contienen cantidades variables de otras sustancias disueltas en concentraciones que fluctúan de unos cuantos miligramos por litro en agua de lluvia a cerca de 35,000 mg/l en agua de mar. Por lo general, las aguas residuales contienen la mayoría de los constituyentes del agua de abastecimiento, más las impurezas adicionales provenientes del proceso productor de desechos (Foto 1.1). Foto 1.1 El agua residual es el agua suministrada, más las impurezas adicionales provenientes del proceso productor de desechos El agua residual cruda promedio contiene alrededor de 1000 mg/l de sólidos en solución y suspensión, o sea que cerca del 99.9% es agua pura. Claro que medir simplemente el contenido total de sólidos de una muestra es insuficiente para especificar su condición ya que el agua subterránea, clara y brillante, puede tener el mismo contenido total de sólidos en solución que el agua residual cruda. Para obtener una imagen verdadera de la naturaleza de una muestra en particular, es necesario cuantificar diferentes propiedades mediante un análisis que determine sus características físicas, químicas y biológicas; sin embargo, no se investigan todas las características de una muestra dada. En la tabla 1.1 se relacionan los parámetros o características que con más frecuencia se miden en los diferentes tipos de muestras y según su procedencia. Tabla 1.1 Parámetros importantes para caracterizar el agua de diferentes muestras según su procedencia PARÁMETROS AGUA DE RÍO AGUA POTABLE ph Temperatura Color Turbiedad Sabor Olor Sólidos totales Sólidos sedimentables Sólidos suspendidos Conductividad Radioactividad Alcalinidad Acidez Dureza OD DBO DQO o COT Nitrógeno orgánico Nitrógeno amoniacal Nitrógeno de nitritos Nitrógeno de nitratos 24 X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X AGUA RESIDUAL CRUDA X X X X X X X X X X X X X EFLUENTE DE AGUA RESIDUAL TRATADA X X X X X X X X X X X X X
PARÁMETROS AGUA DE RÍO AGUA POTABLE Cloruros Fosfatos Detergente sintético Análisis bacteriológicos X X X X 1.2.1 Características físicas X AGUA RESIDUAL CRUDA X X X EFLUENTE DE AGUA RESIDUAL TRATADA X X X Las principales consideraciones para establecer a primera vista la calidad del agua se basan más en las características físicas que en las químicas y biológicas. De esta forma se desea un agua incolora, insípida e inodora. Las propiedades físicas más comúnmente empleadas para determina las impurezas en el agua residual se reportan en la tabla 1.2. La temperatura es un parámetro importante por su efecto en otras propiedades, por ejemplo, aceleración de reacciones químicas, reducción en la solubilidad de los gases, intensificación de sabores y olores. Los sólidos pueden clasificarse según su tamaño y estado en sedimentables, suspendidos, coloidales o disueltos. Los sólidos disueltos totales (SDT) se deben a materiales solubles, mientras que los sólidos en suspensión (SS) son partículas discretas que se miden al filtrar una muestra a través de un papel filtro de poro fino. Los sólidos sedimentables son aquellos removidos en un procedimiento estándar de sedimentación con el uso de un cono Imhoff después de ½ hora. Por sus características químicas, los sólidos, se clasifican como no volátiles (sólidos fijos) y volátiles. Los últimos se volatilizan a temperaturas de 550 C y son considerados como materiales orgánicos. Tabla 1.2 Análisis físicos empleados para determinar las impurezas en el agua y agua residual Turbiedad PRUEBA ABREVIACIÓN USO UTN Para asegurar la claridad del agua. Sólidos Sólidos totales Sólidos totales volátiles Sólidos suspendidos Sólidos suspendidos volátiles Sólidos disueltos totales (ST-SS) Sólidos sedimentables Color Olor ST STV SS SSV SDT SSel Para asegurar el reúso potencial de un agua residual y para determinar los procesos empleados para su tratamiento. Para determinar los sólidos que pueden sedimentar en un tiempo específico; los valores de la prueba se usan para facilitar el diseño de los sedimentadores. Varios tonos de luz amarilla, luz café, gris, negra. Para determinar la presencia de agentes coloridos sintéticos y naturales en el agua. Define la condición del agua residual (fresca o séptica). Determina si el nivel de olor puede ser un problema. LMCO* 25
PRUEBA ABREVIACIÓN USO Temperatura ºC Para diseñar los procesos de tratamiento; determina la concentración de saturación de los gases. * LMCO = Límite Mínimo de la Concentración de Olor detectado. La tabla 1.3 resume las formas en las que se encuentran los diferentes tipos de sólidos. Tabla 1.3 Tipos de sólidos presentes en las aguas residuales SÓLIDOS FRACCIÓN TOTAL FRACCIÓN VOLÁTIL FRACCIÓN FIJA (MATERIA ORGÁNICA) (MATERIA INORGÁNICA) Totales STT STV STF Suspendidos SST SSV SSF Disueltos SDT SDV SDF Como se puede ver si se suman la fracción volátil a la fija se obtiene el total. Por ejemplo; STF+STV=STT. Por otro lado, la diferencia entre los sólidos totales (ya sean STT, STV o STF) y los suspendidos (SST, SSV O SSF) es igual a los sólidos disueltos (SDT, SDV, SDF). Todos los sólidos se reportan en mg/l, excepto los sedimentables que se reportan en ml/l. 1.2.2 Características químicas Las características químicas tienden a ser más específicas que algunos de los parámetros físicos y por eso más útiles para evaluar las propiedades de una muestra. A continuación se describen algunas características químicas importantes del agua: 1. ph. La intensidad de acidez o alcalinidad de una muestra se mide en la escala de ph, que en realidad mide la concentración de iones de hidrógeno presentes en una solución. El ph tiene una escala de 0 a 14, por lo que, un valor de 7 es neutro. Por arriba o por debajo de 7.0 el ph es alcalino; o por debajo de 7 el ph es ácido. El ph controla muchas reacciones químicas y la actividad biológica normalmente se restringe a una escala de ph entre 6 y 8. Las aguas muy ácidas o muy alcalinas son indeseables debido a que son corrosivas o presentan dificultades en su tratamiento. 2. Potencial de óxido-reducción (Potencial REDOX). El potencial REDOX permite, de manera indirecta, mostrar hacia donde se desplaza el equilibrio en las reacciones de óxido-reducción que suceden en los cuerpos de agua ó en los reactores de las plantas de tratamiento de aguas residuales. Valores positivos de REDOX muestran una oxidación de materia orgánica a dióxido de carbono (CO 2 ) en un medio aerobio y valores negativos son originados por su reducción en un ambiente anaerobio. Es así que, las reacciones aerobias tienen valores mayores a +200 mv y las reacciones anaerobias ocurren a 300 mv. 26
3. Alcalinidad. La capacidad para neutralizar ácidos. La alcalinidad es útil, tanto en el agua natural como en las aguas residuales, porque proporciona un amortiguamiento para resistir los cambios en el ph. Normalmente, se divide en alcalinidad cáustica, por encima del ph 8.2 y alcalinidad total, por encima del ph 4.5. La alcalinidad puede existir hasta un ph de 4.5 debido a que el [HCO 3 - ] no se neutraliza completamente sino hasta que se alcanza este ph. La cantidad de alcalinidad presente se expresa en términos de mg/ 2 de CaCO 3. 4. Acidez. Es la capacidad del agua para neutralizar compuestos básicos. La mayoría de las aguas naturales y el agua residual doméstica son amortiguadas por un sistema CO 2 HCO 3 -. El ácido carbónico H 2 CO 3 no se neutraliza totalmente hasta un ph de 8.2 y no disminuye el ph por debajo de 4.5. Así la acidez del CO 2 ocurre dentro de un ph de 8.2 a 4.5, la acidez mineral (casi siempre debido a desechos industriales) se presenta por debajo de un ph de 4.5. La acidez se expresa en términos de CaCO 3. 5. Demanda de oxígeno. Los compuestos orgánicos por lo regular son inestables y pueden oxidarse biológica o químicamente para obtener productos finales estables, relativamente inertes, tales como CO 2 NO 3, H 2 O. La indicación del contenido orgánico de un desecho se obtiene de medir la cantidad de oxígeno que se requiere para su estabilización. a) Demanda bioquímica de oxígeno (DBO). Mide la cantidad de oxígeno que requieren los microorganismos en la descomposición de la materia orgánica. La determinación estandarizada tiene un período de duración de 5 días (DBO 5 ) y puede haber interferencias por el crecimiento endógeno de los microorganismos. En condiciones anaerobias, la cantidad de sustrato que puede ser degradado biológicamente es con frecuencia mayor que el representado por la concentración de la DBO 5 del agua residual. Por lo que en el diseño de los procesos anaerobios, se utiliza la demanda química de oxígeno (DQO) para caracterizar la descarga orgánica de una muestra. b) Demanda química de oxígeno (DQO). Es la cantidad de oxígeno que se consume, al oxidar la materia orgánica e inorgánica por medio de un oxidante fuerte (dicromato de potasio) en un medio ácido. La prueba, a diferencia de la DBO, es muy rápida pero también se oxidan compuestos inorgánicos elevando el valor de la DQO. Casi todas las sustancias orgánicas se oxidan en su totalidad. Otra manera para determinar el contenido de materia orgánica es por medio de la técnica del carbono orgánico total (TOC). En este caso se mide realmente el carbono orgánico ya sea biodegradable o no. El tiempo de determinación es mucho menor que para la DBO y la DQO, pero requiere de equipo muy especializado y costoso. 6. Nitrógeno. Es un elemento importante ya que las reacciones biológicas sólo pueden efectuarse en presencia de suficiente nitrógeno. Este se encuentra presente en las siguientes formas en el agua residual. a) Nitrógeno orgánico. Presente en proteínas, aminoácidos y urea. b) Nitrógeno amoniacal. Nitrógeno como sales de amoniaco; por ejemplo, carbonato de amonio (NH 4 ) 2 CO 3, o como amoniaco libre (NH 3 ) o hidróxido de amonio. 27
c) Nitrógeno de nitritos (NO 2 - ). Una etapa intermedia de oxidación que normalmente no se presenta en grandes cantidades. d) Nitrógeno de nitratos (NO 3 - ). Producto final de la oxidación del nitrógeno. La oxidación de los compuestos de nitrógeno llamada nitrificación, se expresa de la siguiente forma. N + O2 N NH3 + O2 N NO2 + O2 N 3 Org. NO La reducción del nitrógeno, que se llama desnitrificación, puede revertir el proceso: NO3 N2O N Las aguas residuales industriales tienen también otras características químicas específicas que se pueden evaluar, por ejemplo, la presencia de metales tóxicos, cianuro, fenoles, grasas y aceites, etc. 1.2.3 Características biológicas Casi todos los desechos orgánicos contienen grandes cantidades de microorganismos (patógenos y no patógenos); el agua residual contiene más de 10 6 células bacterianas /ml, pero los números reales presentes regularmente no se determinan. Después del tratamiento convencional del agua residual el efluente todavía contiene una gran cantidad de microorganismos, al igual que muchas aguas superficiales naturales, los microorganismos patógenos deben eliminarse. 28 1.3 Aspectos básicos de la microbiología del agua residual Las aguas naturales contienen una amplia variedad de microorganismos los cuales forman un sistema ecológico balanceado. Las características biológicas de éste se relacionan principalmente con la población residente en microorganismos y su impacto directo en la calidad del agua. Por esta razón, es necesario conocer los principios básicos de la microbiología y así comprender cómo participan los microorganismos en el proceso de la depuración del agua residual. 1.3.1 Tipos de metabolismo Para garantizar el crecimiento adecuado de un organismo, éste debe tener una fuente de carbono y de energía (nutrientes). De esta forma, elementos como nitrógeno, fósforo y elementos traza como azufre, potasio, calcio y magnesio deben estar disponibles en el agua. Las dos fuentes de carbón para la síntesis de tejido celular son el dióxido de carbón y el carbón presente en la materia orgánica. Si un organismo toma el carbón a partir del dióxido de carbono (carbón inorgánico), es llamado autótrofo, si usa carbón orgánico, es denominado heterótrofo. Los organismos autótrofos son capaces de sintetizar sus requerimientos orgánicos a partir de la materia inorgánica y pueden crecer independientemente de las substancias orgánicas externas. Emplean dos métodos para alcanzar este fin: