Medición de la Materia Orgánica en las Aguas

Materia Orgánica

Los compuestos orgánicos presentes en un líquido residual consisten en una amplia variedad de compuestos orgánicos.

Desde el punto de vista del tratamiento, no es necesario la discriminación de los diferentes tipos. No sólo no es necesario, sino que no existen equipos que permitan su caracterización. Es injustificable desde el punto de vista de la ingeniería, técnicamente imposible y económicamente prohibitivo.

La determinación del contenido orgánico (cantidades de materia orgánica, en general, mayores a 1 mg/L) de las aguas residuales se estima en forma indirecta, mediante diversos métodos: DBO5, DQO, COT y Demanda de oxígeno al permanganato.

Estas técnicas permiten obtener una estimación de la materia orgánica contenida en el líquido residual. Los resultados obtenidos para una misma muestra, dados por las diferentes técnicas no serán los mismos. Esto no me permite hablar de valores absolutos de materia orgánica, dado que se trata de diferentes procesos y diferentes grados de oxidación.


Demanda bioquímica de oxígeno (DBO)

La DBO es el método usado con mayor frecuencia en el campo de tratamiento de las aguas residuales. El parámetro de contaminación orgánica es la DBO a 5 días (DBO5). La determinación del mismo está relacionada con la medición del oxígeno disuelto que consumen los microorganismos en el proceso de oxidación bioquímica de la materia orgánica, dado que éstos utilizan oxígeno en la respiración para la obtención de energía.

En la prueba estándar de DBO, una pequeña muestra de agua residual se coloca en una botella de DBO (volumen de 300 ml), la cual se completa a volumen usando agua saturada con oxígeno y con los nutrientes requeridos para crecimiento biológico. Antes de tapar la botella se mide la concentración de oxígeno. Después de incubar la botella por cinco días a 20ºC, la concentración de oxígeno disuelto se mide de nuevo. La DBO de la muestra es la diferencia entre los valores de concentración de oxígeno disuelto, expresado en miligramos por litro, dividido por la fracción decimal del volumen de muestra usada.

El tiempo de incubación se fija para poder estandarizar, y realizar comparaciones entre muestras. Si el tiempo es mayor o menor, la demanda de oxígeno variaría de un caso a otro.

La temperatura afecta significativamente el crecimiento y el metabolismo de los microorganismos. Pequeñas variaciones de este parámetro afectan apreciablemente el crecimiento de los mismos.

Se debe eliminar toda la luz para evitar la posibilidad de producción fotosintética de OD, y asegurar que no halla una fuente externa de oxígeno que altere el resultado.
Debe asegurarse la disponibilidad de nutrientes y oxígeno durante el período de incubación. La DBO en la mayoría de las aguas residuales supera la concetración de OD disponible en una muestra saturada de aire. Si la cantidad de materia orgánica en el líquido residual es alta, puede consumirse todo el oxígeno disuelto antes de los 5 días, dando resultados erróneos. Por tanto, es necesario diluir la muestra antes de incubarla para equilibrar de forma adecuada el requerimiento y el suministro de oxígeno. Ya que el crecimiento bacteriano requiere nutrientes tales como nitrógeno, fósforo y metales traza, se añaden éstos al agua de dilución.

Normalmente se suelen preparar diversas disoluciones para cubrir todo el intervalo de posibles valores de la DBO. El agua de dilución se prepara a partir de agua destilada libre de materia orgánica, a la cual se le agregan sales para que ésta sea apta para el ensayo de DBO. El agua de dilución debe estar saturada de OD y contener nutrientes y microorganismos, antes de efectuar el ensayo, dependiendo de las condiciones de la muestra de agua residual.

Cuánto mayor es la concetración de la muestra original mayor es la cantidad de sustancias que inhiben la degradación biológica. Es por ello que disminuye la DBO, a medida que aumenta la concentración de la muestra. También se puede apreciar que cuánto mayor es la dilución, mayor es el rango de incertidumbre (menor precisión) y mayores son los errores en la determinación.
En el caso de muestras con gran población de microorganismos no es necesario inocular las muestras. Caso de ser necesario, cuando la muestra a analizar contiene bajas concentraciones de microorganismos, se puede inocular el agua de dilución con un cultivo bacteriano ya aclimatado a la materia orgánica y otros compuestos presentes en el agua residual.

El agua residual doméstica, los efluentes no clorados o desinfectados por otros medios, de las centrales de tratamiento biológico de los residuos, y las aguas de superficie que reciben descargas de agua residual contienen poblaciones microbianas satisfactorias. Algunas muestras no contienen una población microbiana suficiente (por ejemplo, algunos residuos industriales no tratados, residuos desinfectados, residuos de alta temperatura o con valores de pH extremos). Para tales residuos, es necesaria la siembra del agua de dilución añadiendo una población de microorganismos. La simiente preferida es el efluente de un sistema de tratamiento biológico procesador de residuos. Cuando no se disponga ésta, utilizar el sobrenadante del agua residual doméstica después de dejarlo reposar a temperatura ambiente durante al menos 1 hora, pero no más de 36 horas. Cuando se utiliza el efluente de un proceso de tratamiento biológico, se recomienda inhibir la nitrificación.

Se recomienda una gran diversidad de microorganismos, dado que hay microorganismos mejor adaptados que otros para degradar ciertos compuestos. Las velocidades de degradación son distintas por lo tanto se obtendrán diferentes valores de DBO5.
La medición de oxígeno disuelto se hace antes y después del período de incubación:
- Cuando el agua de dilución no ha sido inoculada: DBO, mg/L = (D1 – D2) / P
- Cuando el agua de dilución ha sido inoculada: DBO, mg/L = (D1 – D2) (B1 – B2) f / P
Donde, D1: OD de la muestra diluida inmediatamente después de la preparación de la misma; D2: OD de la muestra diluida tras 5 días de incubación; B1: OD en el agua de dilución con inóculo antes de la incubación; B2: OD en el agua de dilución con inóculo antes de la incubación; f: proporción de la simiente en la muestra diluida con respecto a la del control de simiente; P: fracción en volumen de agua residual contenida en la muestra.

Nitrificación en el ensayo de DBO


Una demanda adicional puede ocurrir como consecuencia de la oxidación biológica del amoníaco a nitrito y, a continuación, a nitrato. Se conoce con el nombre de demanda bioquímica de oxígeno nitrogenada (DBON) a la demanda de oxígeno asociada al proceso de oxidación de amoníaco a nitrato. El grado de oxidación de los compuestos nitrogenados durante el período de incubación de 5 días depende de la presencia de microorganismos capaces de realizar dicha oxidación.

Los microorganismos responsables de la nitrificación, son microorganismos autótrofos. Mientras que los microorganismos responsables de la demanda carbonacea son heterótrofos.

La DBO5, representa una fracción de la demanda carbonácea. Para conocer la demanda carbonácea, se debe inhibir la nitrificación.

Normalmente, es necesario un período de entre 6 y 10 días para que las bacterias nitrificantes ejerzan una demanda de oxígeno medible, debido a la lentitud del proceso de reproducción de las mismas y al tiempo necesario para alcanzar una población suficiente. Sin embargo, si la población es suficientemente grande desde el principio, las interferencias con los procesos que se dan durante los 5 días de duración del ensayo de la DBO pueden ser significativas.

Tales organismos no suelen estar presentes en las aguas cloacales sin tratar o en efluentes primarios en número suficiente para oxidar cantidades significativas de formas reducidas de nitrógeno en la prueba de DBO5. Muchos efluentes de las instalaciones de tratamiento biológico contienen cantidades significativas de organismos nitrificantes. Debido a que es probable que en dichas muestras exista una oxidación de los compuestos del nitrógeno, se recomienda inhibir la nitrificación.
Si el cálculo se realiza suponiendo que no se produce una nitrifiación que sí está teniendo lugar en la realidad, se pueden cometer interpretaciones erróneas de los datos y el error de creer que la eficacia del proceso de tratamiento no es buena, cuando en realidad puede ser bastante efectivo.

Demanda química de oxigeno (DQO)


Para medir el contenido de materia orgánica de las aguas residuales se puede realizar un ensayo de la DQO (demanda química de oxígeno), en el cual se emplea un agente químico fuertemente oxidante en medio ácido para la determinación del equivalente de oxígeno del contenido de materia orgánica susceptible de oxidación. El dicromato potásico proporciona excelentes resultados en este sentido. Para facilitar la oxidación de determinados tipos de compuestos orgánicos es preciso emplear un catalizador (sulfato de plata.

El procedimiento se basa en la oxidación de la materia utilizando dicromato de potasio como oxidante en presencia de sulfato de plata como catalizador. La disolución acuosa se calienta bajo reflujo durante 2 horas a 148 ºC, sometiéndola a un exceso conocido de dicromato potásico (K2Cr2O7). En el caso de emplear dicromato como agente oxidante, la principal reacción química que tiene lugar puede expresarse, de manera esquemática, del siguiente modo:
Materia orgánica + Cr2O7-2 à 2Cr+3 + CO2 + H2O + Cr2O7-2
(Conocidos)
Luego se evalúa la cantidad del dicromato sin reaccionar titulando con una disolución de Fe+2 (SAF, Sulfato Amonio Ferroso, Fe(NH4)2(SO4)2). La demanda química de oxígeno se calcula a partir de la diferencia entre el dicromato añadido inicialmente y el dicromato encontrado tras la oxidación.

mmoles Fe+2 à equivalenes a CrO7-2 en exceso
mmoles CrO7-2totales – mmoles CrO7-2en exceso = mmoles CrO7-2 (equivalentes a MO)
1 mmol de CrO7-2 @ 1,5 mmoles O2.

Existen 2 alternativas:

• Tradicional: reflujo abierto. Éste es adecuado para una amplia gama de residuos en los que se prefiere un gran tamaño de muestra (500 ml). El tiempo estándar de reflujo es de 2 horas. El instrumental para el reflujo consiste en matraces erlenmeyer de 500 a 250 ml.

• Reflujo cerrado: son más económicos en cuanto al uso de sales metálicas como reactivos, pero requieren homogeneización de las muestras que contengan sólidos suspendidos para obtener resultados reproducibles. 10 ml de volumen útil. Cantidad de muestra muy pequeña, comparado con “reflujo abierto”, por lo que requiere menor cantidad de reactivos, dando lugar a residuos más peligrosos (menor volumen). Mayor cantidad de mediciones en espacio reducido. Se fija la temperatura de digestión en 150 ºC.

DBO/ DQO:

proporción de materia orgánica biodegradable sobre materia orgánica total. Si es bajo, la materia orgánica biodegradable es baja. Cuanto más chico, más difícilmente biodegradable es la materia orgánica. Si la relación es igual a 1, significa que “toda” la materia orgánica es biodegradable.

El dicromato de potasio es un oxidante muy fuerte, por lo que si la relación es mayor a 1, esto significa que el ensayo fue mal realizado, dado que toda la materia orgánica que pueda ser degradada biológicamente, va a ser oxidada por dicho oxidante.
Carbono orgánico total (COT).

Designa a un grupo de diversos compuestos orgánicos en varios estados de oxidación. Algunos de los cuales son susceptibles de oxidación química o bioquímica (DQO, DBO)
Las moléculas deben romperse en unidades de carbono simples y ser convertidas en una forma molecular sencilla que pueda medirse cuantitativamente, sometiéndolas a procesos oxidantes. Generalmente son convertidas a dióxido de carbono.

El ensayo se lleva a cabo inyectando una cantidad conocida de la muestra en un horno a alta temperatura o en un medio químicamente oxidante. En presencia de un catalizador, el carbono orgánico se oxida a dióxido de carbono, la producción del cual se mide cuantitativamente con un analizador de infrarrojos; o titulado químicamente; o mediante la conversión de CO2 a CH3, detectado por ionización de llama.