Aguas Residuales

Aguas Residuales: Determinación de la demanda

bioquímica de oxígeno (DBO) y la demanda química

de oxígeno (DQO) Miguel Delgado Zumbado1; Adolfo Morera Rodríguez1

1Laboratorio de Química Aguas, Profesor: MSc. Roy Pérez Salazar

Universidad Nacional, Costa Rica

21 de agosto del 2015

Fundamento Teórico

Para la determinación del DBO se emplea el método

Winkler, el cual es un método yodométrico, el cual

consiste en hacer reaccionar el oxígeno disuelto con

hidróxido de manganeso II, formando un precipitado

insoluble de manganeso IV debido a su oxidación.

Posteriormente se acidula la disolución y se agrega un

exceso de KI/alcalino, liberando el yodo en

cantidades equivalentes al oxígeno disuelto en la

muestra original. Este yodo se valora con una

solución patrón de tiosulfato de sodio, empleando

almidón como indicador. La DBO se reporta como

mg/L de O.D y la lectura se realiza el dia 1 y el dia 5,

incubando las muestras a una temperatura de 20 °C.

𝑀𝑛+2 + 2𝑂𝐻− → 𝑀𝑛(𝑂𝐻)2 (↓ 𝐵𝑙𝑎𝑛𝑐𝑜)

2𝑀𝑛(𝑂𝐻)2 + 𝑂2 → 2𝑀𝑛𝑂(𝑂𝐻)2 (↓ 𝑐𝑎𝑓𝑒)

𝑀𝑛𝑂(𝑂𝐻)2 + 4𝐻+ + 3𝐼− → 𝑀𝑛2+ + 𝐼3− + 3𝐻2𝑂

𝐼3− + 2𝑆2𝑂3

−2 + 3𝐻2𝑂 → 3𝐼− + 𝑆4𝑂6−2

En cuanto al método para la determinación del DQO

este se basa en la oxidación química de la materia

orgánica e inorgánica que se encuentra en la muestra

de agua, esta oxidación se realiza empleando

dicromato de potasio y ácido sulfúrico a ebullición,

provocando el que el cromo pase de su estado

hexavalente (Cr+6) a su estado trivalente (Cr+3). Al

realizar el método lo que se determina es el exceso de

dicromato ya sea por medio de una titulación con

sulfato ferroso de amonio o por espectrofotometría a

420nm o 600nm. La cantidad de materia oxidable se

mide como oxigeno equivalente y es proporcional al

oxigeno consumido, reportándose el DQO como

mg/L de DQO

𝐶𝑟2𝑂72− + 14𝐻+ + 6𝑒− → 2𝐶𝑟+3 + 7𝐻2𝑂

Marco Teórico

Aguas residuales

Según el decreto 33601-MINAE-S define las aguas

residuales como aquella agua que ha recibido un uso,

y divido a esto, su calidad ha sido modificada por la

incorporación de agentes contaminantes. En Costa

Rica las aguas residuales se clasifican en dos tipos,

aguas de tipo ordinario, en la cual se genera por

actividades de origen doméstica y aguas especiales,

en la que se incluye cualquier proceso que sea

diferente a las de origen ordinario1.

Las aguas residuales son una mezcla de compuestos

orgánicos e inorgánicos muy compleja, por lo cual

para poder realizar su tratamiento es necesario

caracterizarla; de esta manera se conocerá su calidad,

y posibles problemas que pudieran existir al realizar

su tratamiento o en el sistema depurador 2,3.

Los parámetros básicos para su caracterización son:

temperatura, conductividad, turbidez, solidos

disueltos totales, solidos sedimentales, grasas y

aceites, sustancias activas al azul de metileno y

demanda química de oxígeno y demanda bioquímica

de oxígeno1,2. Para este documento los dos últimos

parámetros mencionados son los que se van a

desarrollar.

Demanda bioquímica de oxígeno

La DBO es una medida del oxígeno disuelto (mg)

consumido por microorganismos durante la

oxidación de sustancias reducidas en un litro de agua

durante cinco días. Esto se realiza midiendo el

oxígeno presente en el agua el primer día y al quinto

día, almacenando la muestra en un lugar oscuro a

20°C. Cuanto mayor es el contenido de sustancias

bioquímicas oxidantes, mayor es el consumo de

oxígeno. En la práctica, las personas suelen utilizar la

DBO520 es decir una prueba que dura 5 días a una

temperatura de 20°C, esto no significa que después de

5 días todos los compuestos vayan a estar

completamente oxidados por las bacterias, ya que

para lograr esto se necesita más tiempo. En la

siguiente imagen se puede observar la demanda de

oxigeno con respecto al tiempo a 20°C 4.

Figura 1. Curva característica de la demanda

bioquímica de oxígeno con el pasar del tiempo.4

El proceso se da en dos etapas, la primera se

denomina la etapa de carbono y muestra la oxidación

de este elemento; la segunda etapa se denomina la

etapa del nitrógeno o de nitrificación en la que se da

la oxidación de diversos compuestos nitrogenados y

es la que, dura mucho más tiempo 4.

Demanda química de oxigeno

La demanda bioquímica de oxigeno es un parámetro

analítico de contaminación, el cual determina el

material orgánico contenido en una muestra liquida,

empleando una oxidación química. Específicamente

representa el contenido orgánico total que es oxidable

empleando una solución acida de dicromato, siendo

dado el resultado en mgO2/L. La ventaja de este

ensayo en comparación con el anterior es que este es

mucho más rápido y no presenta tantas variables

como el anterior 3.

Comparación de DBO y DQO

A pesar de que el resultado de ambos se expresa en

gramos de mg O2/L y son una medición de la

concentración de materia orgánica, tienen diferentes

significados. La DQO representa la concentración

exacta de materia orgánica, debido a que la oxidación

química es completa. Por lo tanto la DQO es

extremadamente útil para la formulación de un

balance de masas; lo complicado es que algunas

sustancias inorgánicas presentes como por ejemplo el

sulfuro, también se oxidan químicamente. La DQO

también es útil para determinar la materia orgánica no

biodegradable, ya que ésta también se va a oxidar 4.

En cuanto a la DBO, ésta es más

representativa para los componentes biodegradables

ya que la medición es basada en el oxígeno

consumido a través de microorganismos aeróbicos,

durante la descomposición de los compuestos. Un

punto especial a tomar en cuenta es que algunos

compuestos inorgánicos de amonio pueden oxidarse

bioquímicamente a través de ciertos

microorganismos, aumentando por ende la DBO. La

utilidad de la DBO es limitada, ya que la oxidación

bioquímica de la materia no siempre es completa; los

microorganismos también utilizan una parte de los

compuestos orgánicos para generar nuevas células.

Por estas razones, la DBO obtenida a partir de una

muestra de agua residual es siempre inferior al DQO4.

La comparación DBO520/DQO es utilizada a

menudo como indicador para la trazabilidad

biológica de las aguas residuales: una relación de 0,5

o mayor muestra que el agua puede ser tratada

fácilmente, pero una relación menor de 0,4 indica que

el agua puede contener componentes tóxicos 4.

Sección experimental

Muestreo

Para el análisis se realizó un muestreo puntual de

cuatro sitios, los cuales fueron etiquetados como S7

(entrada STAR), PTE2 (salida STAR), PTS3 (Rio

Cloaca), PTE5 (rio abajo) y su ubicación espacial se

visualiza a continuación:

Figura 2: Representación geográfica de los puntos de

muestreo, seleccionados para el análisis.

Figura 3: Foto del punto de muestreo nombrado como

PTS3 (Rio Cloaca)


S7 (entrada STAR)


PTE5 (rio abajo)


PTE2 (salida STAR)

Determinación de DBO

Reactivos

Disolución de Sulfato de Manganeso

Disolución de Yoduro alcalino

Ácido Sulfúrico 18M

Disolución de Sulfato de Magnesio

Disolución de Cloruro de Calcio

Disolución de Cloruro de Hierro (III)

Disolución amortiguadora de pH 7

Disolución de Tiosulfato de Sodio

0,019542±0,000369 mol/L

Disolución de almidón 0,5%

Equipo

Incubadora Incubator 815

Método empleado

El método que se empleó fue el método Winkler el

cual consistió primero en preparar un agua de

dilución con nutrientes y luego burbujearla treinta

minutos y dejarla reposar durante 20 minutos.

Realizado lo anterior se procedido a tomar tres

volúmenes diferentes de cada muestra por duplicado

y agregarlas a las botellas de DBO de 300 mL,

seguidamente se completó el volumen de las botellas

con el agua de dilución y un juego de muestras se

prosiguió a incubar a 20°C durante 5 días,

transcurrido el tiempo se prosiguió como se muestra

a continuación.

Al otro juego de muestras se le adicionó dos goteros

de sulfato de magnesio y el yoduro alcalino en ese

orden y se dejó reposar durante una hora, transcurrido

ese tiempo se le adicionó ácido sulfúrico concentrado

para disolver el sólido formado y se prosiguió a titular

las muestras con la disolución de tiosulfato de sodio

hasta un amarillo paja, en ese momento se le adicionó

5ml de la disolución de almidón y se siguió titulando

hasta que la muestra llegara a incolora.

Determinación de DQO

Reactivos

Disolución de Dicromato de Potasio

0,0166667±0,0000042M

Disolución de ácido sulfúrico sulfato de plata

(H2SO4/Ag2SO4)

Disolución Indicadora de Ferroina

Ácido Sulfúrico 18M

Disolución estándar de Sulfato de Amonio

Ferroso (FAS) 0,15±0,01M

Equipo

Bloque de digestión Bioscience inc

Método empleado

Para la determinación de la demanda química de

oxigeno se utilizó el método titrimétrico, con flujo

cerrado. Este consistió en adicionar en tubos de

16x100mm, 1,5ml de disolución de dicromato de

potasio 0,0166667±0,0000042M, posteriormente

2,5ml de la muestra y de último 3,5mL de la

disolución catalizadora. Realizado esto se colocaron

las tapas de los tubos, se mesclo y se colocaron en el

bloque de digestión por dos horas, transcurrido el

tiempo se dejaron enfriar por un periodo adecuado y

se prosiguió a titular con FAS, empleando indicador

de ferroina para ver el punto final de verde azulado a

café. Para mayor detalle del método referirse a la

sección 5220 del Estándar Methods for the

Examination of Water and Wasterwater.

Resultados

Figura 7. Curva de calibración para la determinación

de DQO empleando el método micro a rango alto.

Figura 8. Curva de calibración para la determinación

de DQO empleando el método micro a rango bajo.

y = 0,0003x + 0,0141R² = 0,9879

0,000

0,050

0,100

0,150

0,200

0,250

0,00 200,00 400,00 600,00 800,00

abso

rban

cia

(±0,0

01)n

m

concentración (±0,22)mg/L O2

y = -0,0022x + 0,1552R² = 0,997

0,000

0,050

0,100

0,150

0,200

0,000 20,000 40,000 60,000 80,000

abso

rban

cia

(±0,0

01)n

m

concetración (±0,082) mg/L O2

Cuadro 1: Resultados obtenidos para los parámetros

analizados.

Parámetro

Muestras Máximo

Permisible

según

decreto

33601-

MINAE-S

S7 PTE2 PTS3 PTE5

pH(±0,01) 7,48 7,02 7,17 7,17 5-9

Conductividad

(±1)µs/cm 595 722 480 390 N.A

Turbiedad

(±0,1) NTU 27,0 14,0 50,0 24,5 N.A

DBO(Winkler),

(mg/L)OD 168±28 21,5±0,5 184±31 61±4 50

DBO (Oxitop)

(mg/L)OD 150±2,5 38±1 155±2,5 70±5 50

DQO (R. Alto)

(mg/L)DQO - -

803,6

±2,4

592,2

±1,1 150

DQO (R. Bajo)

(mg/L)DQO

455,6

±1,7 N.C - - 150

DQO (FAS)

(mg/L)DQO N.C 15,5±1,9 N.C 47±7 150

N.C.= No cuantificables

N.A.= No aplica

Cuadro 2: Relación de DBO/DQO para las muestras

analizadas.

Muestras DBO/DQO

S7 0,33-0,37

PTE2 1,39-2,45

PTS3 0,19-0,23

PTE5 0,10-0,12

Figura 9. Curvas obtenidas para la determinación del

DBO520 empleando el método por Oxitop

Discusión

En algunas ciudades de países en vías de desarrollo,

donde la infraestructura municipal tiene muchos

atrasos respecto al crecimiento urbano, las personas

que habitan las mismas, han efectuado medidas poco

sensatas en cuanto a las disposición de las aguas

residuales domésticas como es la conexión de

tuberías ilegales de aguas negras y grises a los

sistemas de alcantarillado pluvial, convirtiendo los

mismos en ríos municipales y deteriorando las

cuencas de los ríos naturales y aumentando la DBO

en un 10% si estas no son tratadas adecuadamente 5,6.

La muestra PTS3 que proviene del sistema de

alcantarillado de una zona de Santiago de San Rafael

de Heredia, según el cuadro 1, presenta una turbiedad

de 50,0±0,1 NTU, lo que indica que contiene un alto

contenido de material en suspensión posiblemente de

la materia orgánica presente en ella. Además, posee

una conductividad 480±1 µs/cm, una DBO de

184±31 mg/L, una DQO 803,6±2,4 mg/L y un pH de

7,17±0,01. La conductividad que presenta hace

referencia a que en la misma, se encuentran gran

cantidad de sólidos disueltos. Su DBO, DQO y la

relación de las mismas que esta entre 0,19-0,23,

indican que se trata de aguas superficiales con fuerte

impacto de descargas de aguas residuales crudas

municipales y tóxicas, por la presencia de aguas

negras en las mismas 7.

Sin embargo, al analizar PTE5, que es la zona en

donde ya las aguas de PTE3 están mezcladas con el

agua del rio, las condiciones son diferentes. La misma

presenta una turbiedad de 24,5±0,1 NTU, una

conductividad 390±1 µs/cm, una DBO de 61±4 mg/L,

una DQO 592,2±1,1 mg/L y un pH de 7,17±0,01;

indicando una dilución del caudal del mismo en el

caudal del rio el cual es mayor, y esto provoca que los

valores en los parámetros disminuyan. Su DBO,

DQO y la relación de las mismas que esta entre 0,10-

0,12 indica la presencia de aguas superficiales

contaminadas con descargas de aguas residuales

crudas.7

0

50

100

150

200

0 1 2 3 4 5

DB

O(±

5)m

g/L

Dias a 20°C

S7

PTE2

PTE5

PTS3

Por otro lado, esta la relación de las aguas que entran

y salen a la planta de tratamiento de aguas residuales.

Las aguas que entran en un sistema de tratamiento de

aguas residuales, tienen un rango de pH entre 7,40-

7,80 8.

Las muestra S7 entra al sistema con una turbiedad de

27,0±0,1 NTU indicando la presencia de materia

orgánica en suspensión, una conductividad 595±1

µs/cm, una DBO de 168±28 mg/L, una DQO

455,6±1,7 mg/L y un pH de 7,48±0,01, su DBO,


0,37 indica que es un agua superficial con un fuerte

contaminada de descargas de aguas residuales negras,

y debido a que presenta un valor que puede ser

inferior a 0,4, es un indicativo que pueden haber

sustancias toxicas disueltas en él. Sin embargo, la

salida de la misma, la muestra PTE2 sale del sistema

con una turbiedad de 14±0,1 NTU, una conductividad

722±1 µs/cm, una DBO de 21,5±0,5 mg/L, una DQO

15,5±1,9 mg/L y un pH de 7,02±0,01;, presentando

valores propios de aguas residuales tratadas y dado a

su disminución, se comprueba que las planta presenta

una eficiencia de 87% en cuanto a remoción del DBO

y mayor al 90% en lo que respecta al DQO. Su DBO,


2,45 indica la presencia de aguas superficiales con

capacidad muy alta de biodegradación 4,7,9.

En cuanto al cumplimiento del reglamento de vertido

de aguas residuales, se observa que la muestra PTE3

que proviene del sistema de alcantarillado no cumple

con los valores máximos permisibles. Debido a que

supera el DBO por 134 mg/L y el DQO por 653,6

mg/L. Además, la muestra PTE2 que proviene del

sistema de tratamiento, si cumple con los valores

máximos permisibles del reglamento de vertido1.

Con respecto a los métodos empleados para la

determinación de DBO se puede mencionar que el

método de Oxitop presentó muchas ventajas sobre el

método Winkler, ya que este es mucho más rápido de

realizar y determina el valor de DBO al quinto día de

forma automática, a diferencia del Winkler en el cual

hay que esperar una hora antes de poder realizar las

titulaciones para determinar el oxígeno que hay en las

muestras. Además el Oxitop almacena la información

del DBO por día permitiendo graficar los datos, con

el fin de terminar si el volumen tomado es el correcto,

como se muestra en la figura 9, para las muestras S7

y PTS3, las cuales muestran gráficos similares al de

la figura 1.4,10

En el caso de la Demanda Química de Oxigeno, los

métodos empleados demostraron que para el FAS, su

límite de cuantificación son muestras con un DQO

menor a 100 mg/L aproximadamente, en el caso del

método para DQO micro rango alto no se puede

cuantificar muestras con un DQO menor a 10 mg/L y

por último el DQO micro a rango bajo no detecta

muestra con un DQO mayor a 60mg/L

aproximadamente. Lo anterior debido a que son las

concentraciones máximas o mínimas de analito que

pueden ser detectadas con una exactitud y precisión

aceptables. Esto se puede visualizar en las curvas de

calibración representadas en las figuras 7 y 8.11

Conclusiones

1- Debido a que la muestra Río cloaca está

disminuyendo su concentración de DBO y

DQO por acción del rio, se puede mencionar

que la dilución es un método de tratamiento,

aunque no es el método más apto, debido a

que no se está solucionando el problema.

2- Se pudo comprar que la planta de tratamiento

está funcionando adecuadamente ya que está

realizando una remoción de DBO y DQO

mayor al 80%.

3- El efluente que sale de la planta está beneficio

al Rio Pirro, ya que el aporte de caudal del

STAR permite diluir los contaminantes que

trae este, además al salir con una baja DBO y

DQO el aporte de contaminantes por el

sistema es mínimo

4- Se determinó que solo la muestra PTE2

cumple con el reglamento de vertido de aguas

residuales, debido a que las concentraciones

determinadas son menores a los parámetros

máximos permisibles establecidas por el

decreto 33601-MINAE-S.

5- Se determinó que el método más práctico para

realizar la determinación de DBO es el

método de por Oxitop, debido a su sencillez y

rapidez de utilización.

6- Se determinó que los métodos de DQO

presentan límites diferentes de cuantificación

debido a que estas son las concentraciones

que pueden ser calculadas manteniendo una

exactitud y precisión confiables.

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Salud; Ministerio de Ambiente y Energía.

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