Ciclo de vida del agua: el agua es un sistema complejo desde el punto de vista biológico, ya que conviven organismos vivos (flora y fauna).Los organismos vivos pueden ser:

- Autótrofos: su metabolismo lo logran a través de la síntesis, proceso endotérmico (el medio le cede energía), fotosíntesis redox, se producen sustancias complejas.- Heterótrofos: descomposición de sustancias complejas, proceso exotérmico, liberan sustancias simples.

Fotosíntesis

6CO2  + 6 H2O + 650 kcal/mol →  C6H12O6  + 6 O2 

Aeróbico: la descomposición de la materia orgánica se produce en presencia de oxígeno. La aerobiosis es el proceso más eficiente para liberar la energía de la materia orgánica. Por ejemplo, la aerobiosis de la glucosa (C6H12O6) se puede representar mediante la ecuación química:

C6H12O6  + 6 O2 →  6 CO2  +  6 H2O                   ΔH = 650 kcal/mol

Anaeróbico: descomposición de la materia orgánica en ausencia de oxígeno.

C6H12O6  → 3 CO2 + 3 CH4                  ΔH = 34,4 kcal/mol

Fundamentalmente los procesos son aerobicos.

Cerca del 75% de los sólidos en suspensión y del 40% de los sólidos filtrables de un agua residual de concentración media son de naturaleza orgánica. Estos sólidos provienen de los reinos animal y vegetal, así como de las actividades humanas relacionadas con la síntesis de compuestos orgánicos.Los compuestos orgánicos están formados normalmente por combinaciones de carbono, hidrógeno y oxígeno, con la presencia, en determinados casos, de nitrógeno. También pueden estar presentes otros elementos cono azufre, fósforo o hierro. Los principales grupos de sustancias orgánicas presentes en el agua residual son las proteínas, 40-60%, hidratos de carbono, 25-50%, y grasas y aceites, 10%.La demanda de oxígeno de un agua residual es la cantidad de oxígeno que es consumido por las sustancias contaminantes que están en el agua durante un cierto tiempo, ya sean sustancias contaminantes orgánicas o inorgánicas. Las técnicas basadas en el consumo de oxígeno son la demanda química de oxígeno DQO, la demanda biológica de oxígeno (DBO) y el carbono orgánico total, COT o TOC, y se utilizan para poder evaluar el daño que pueden llegar a producir las aguas residuales.

Tipo de sustancias en el agua:- Hidratos de carbono- Grasas/lípidos- Proteínas- Harinas

En el agua hay carga orgánica que frente a un organismo heterótrofo va a reaccionar con oxigeno, liberando calor y formando dióxido de carbono, agua y otros compuestos.

Carga orgánica (kg) + O2 → CO2 + H2O + …..Carga orgánica:- Biodegradables (ensayo de DBO)

- No biodegradable (ensayo de DQO)

Demanda biológica de oxígeno: DBO

Es la cantidad de oxígeno (medido en el mgO2/l) que es requerido para la descomposición de la materia orgánica mediante la acción de los microorganismos aerobios presentes en el agua, bajo condiciones de prueba. Se utiliza para medir la cantidad de contaminación orgánica en aguas residuales como también en aguas superficiales continentales (ríos, lagos, acuíferos, etc.) o cualquier agua que pueda contener una cantidad apreciable de materia orgánica. No es aplicable para las aguas potables. También puede definirse como la cantidad de oxigeno disuelto en agua que una población heterogénea de bacterias (heterótrofas y aeróbicas) necesita para degradar en determinadas condiciones a la materia orgánica presente en el liquido residual. El DBO es una medida de la carga orgánica, parámetro que cuantifica la concentración de materia orgánica en el efluente, es decir, mide la concentración de los contaminantes orgánicos. Hay una cierta carga orgánica en el efluente y el análisis del ensayo del efluente indica cuanto DBO hay, y por lo tanto, cuanta carga orgánica tiene el efluente. Siempre es mejor reducir al máximo posible la carga orgánica del efluente. Si hay mucha demanda de oxigeno (DBO) significa que hay mucha carga orgánica. Si DBO>0 afecta a la fauna El ensayo de DBO es de tipo biológico, se realiza en un plazo fijo de tiempo de tiempo usando un equipo para la prueba de oxígeno disuelto.

El ensayo consiste en hacer 2 mediciones. Permite:

- Definir la carga orgánica en el efluente- Definir el volumen para el diseño del reactor biológico

Las bacterias irán oxidando la materia orgánica de la disolución, con el consecuente gasto de oxígeno del interior del frasco. Estas bacterias, debido al proceso de respiración, emitirán dióxido de carbono. El nivel de DBO se determina comparando el nivel de OD de una muestra de agua tomada inmediatamente (oxigeno inicial) con el nivel de OD de una muestra de agua que ha sido incubada en un lugar oscuro normalmente transcurridos 5 días (oxigeno final). La diferencia entre los dos niveles de OD representa la cantidad de oxígeno requerido para la descomposición de cualquier material orgánico en la muestra y es una buena aproximación del nivel de la DBO.

O2C = O2o - O2F

O2C = oxigeno consumidoO2o = oxigeno inicialO2F = oxigeno final

La cantidad de oxigeno se expresa en mg/dm3. Valores por encima de 30 mg O2/litro pueden ser indicativos de contaminación en aguas continentales, aunque las aguas residuales pueden alcanzar una DBO de miles de mg O2/litro.

DBO5: método de dilución por triplicado

Existen distintas variantes de la determinación del DBO, entre ellas las que se refieren al período de incubación. El método DBO más frecuentemente utilizado consiste en mantener una muestra durante un período de 5 días (DBO5) en un frasco herméticamente cerrado a temperatura controlada 20ºC y en condiciones de oscuridad para no permitir que la luz penetre en la muestra evitando la fotosíntesis. El Oxígeno Disuelto (OD) de la muestra se mide antes y después del período de 5 días de incubación, y se calcula entonces la DBO5 como la diferencia entre las mediciones inicial y final de O.D. El método DBO5 puede considerarse como un test más "natural" para determinar el oxígeno necesario para oxidar la materia orgánica.La cantidad de oxigeno se expresa en mg/dm3 consumido en dichas condiciones.

Material a utilizar

- Frascos para DBO de 200 a 300 cm3 de capacidad, probetas, buretas de 3 vías, matraces, pipetas, frascos de precipitados. - Medidor de O2 + accesorios (embudo porta electrodo)- Agitador magnético- Bomba de aireación- Incubadora- Bidón para el caldo

Insumos

Caldo de cultivo: se hace con agua libre de cloro (agua de pozo libre de cloro), se le agrega nutrientes en las concentraciones que indica la técnica (fosforo, nitrógeno, carbono), regulador buffer de pH, inoculo de bacterias de un cuerpo receptor (como ríos, lagunas, cloacal). Se airea con bomba de diafragma en recipiente plástico incorporando O2 disuelto a la disolución. Blanco: siembra con el caldo sin la muestra Standard: patrón de referencia, glucosa o bisulfato de potasio por ejemplo. Para tal disolución patrón se tiene un cierto DBO ya indicadoPara elementos de limpieza se utiliza HCl 3%.

Procedimiento

Se tiene que tener especial cuidado en la limpieza del material de vidrio.Se toman 10 muestras, se hace 4 diluciones por muestra y 3 determinaciones por muestra.Se realizan de ser necesario 3 o 4 diluciones.Se usan 3 frascos para el blanco y 3 frascos para el estándar, en total 126 frascos

10 muestras x 4 diluciones/muestra x 3 + 3 frascos blanco + 3 frascos standard = 126 frascos

La muestra podría necesitar filtración. Se empieza con la 1°disolucion (la más diluida). Entre muestra y muestra se enjuaga la bureta con el caldo, pero no se hace entre disolución y disolución.Teniendo el caldo se inicia la siembra. Siembra: muestra + caldo de dilución + medidor de O2 + sistema de agitaciónSe calibra el cero con pastillas de bisulfito de sodio (reductor)Se tiene que ver el máx. saturando agua con aire (O2) según tablas.Hay que ver algún valor estimativo de carga orgánica. De cada muestra se hace 4 diluciones por triplicado = 12 frascos. Hay 12 muestras iniciales diluidas.

X1 → X11, X12, X13

X2 → X21, X22, X23

X3 → X31, X32, X33

X4 → X41, X42, X43

Y1 → Y11, Y12, Y13

Y2 → Y21, Y22, Y23

Y3 → Y31, Y32, Y33

Y4 → Y41, Y42, Y43

B → B10, B20, B30 S → S10, S20, S30

X, Y = muestrasB = BlancosS = standard

Se incuba por 5 días a 20°C y se mide el valor final de O2.Se determina la cantidad de carga orgánica a través de diferencias de oxigeno disuelto. Cuanto > es el DBO > es la carga orgánica. Lo ideal es que el blanco no consuma mas oxigeno, de ser así, por ejemplo de tener un valor de 3 en el 5°dia significa que los procedimientos utilizados para preparar el blanco esta mal. Cuanto mas concentrada esta la muestra, mas bajo puede dar el DBO y en este caso puede deberse a la presencia de algún toxico que incide sobre las bacterias.

El valor de DBO se halla:

[(Pi – PF) – (Bi – BF)]/ volumen de la muestra x 100

ΔP = Pi – PF

Pi = concentración de oxigeno inicial

PF = concentración de oxigeno final

Para que sea valido el ensayo se tienen que cumplir dos condiciones:

- ΔP ≥ 2mgO2/L - PF ≥ 2 mgO2/L

Una DBO grande indica que se requiere una gran cantidad de oxígeno para descomponer la materia orgánica contenida en el agua y por lo tanto indica contaminación y mala calidad del agua. Las aguas subterráneas suelen contener menos de 1ppm; contenidos superiores son indicativos de contaminación. En las aguas residuales domésticas se sitúa entre 100 y 350 ppm, y en las industriales depende del proceso de fabricación, pudiendo alcanzar varios miles de ppm.El agua potable tiene una DBO de 0.75 a 1.5 ppm de oxígeno y se considera que el agua está contaminada si la DBO es mayor de 5 ppm.

Valores típicos de Demanda Bioquímica de Oxígeno para aguas de diferente calidad.

Tipo de agua   DBO mg/LAgua potable 0.75 a 1.5Agua poco contaminada 5 a 50Agua potable negra municipal 100 a 400Residuos industriales 5 00 a 10 000

Demanda química de oxígeno: DQO

Es la cantidad de oxígeno (medido en mgO2/l) que es consumido en la oxidación de materia orgánica y materia inorgánica oxidable, bajo condiciones de prueba determinadas. Es decir, es un parámetro que mide la cantidad de materia orgánica como inorgánica susceptible de ser oxidada por medios químicos que hay en una muestra líquida, mediante un oxidante fuerte. Al igual que el ensayo de DBO, también es usado para medir la cantidad total de contaminantes orgánicos presentes en aguas residuales, en aguas continentales (ríos, lagos, acuíferos, etc.), o cualquier agua que pueda contener una cantidad apreciable de materia orgánica y no es aplicable para las aguas potables. En contraposición al DBO, con el DQO prácticamente todos los compuestos son oxidados. A menudo se prefiere el método DQO para análisis diarios ya que es más reproducible debido a que oxida tanto la materia orgánica como inorgánica y requiere poco tiempo para su medición.

El procedimiento se basa en la oxidación de la materia orgánica utilizando oxidantes químicos como el dicromato de potásico Cr2O7K2 como oxidante en presencia de ácido sulfúrico (200°C, 2 hs). Debido a sus propiedades químicas únicas, el dicromato de potasio (Cr2O7K2) es el oxidante especificado en la mayoría de los casos. En estos tests el ión Cr2O7

2- se reduce a ión crómico (Cr3+). Permite definir cuanto es el oxigeno en el cual:

Materia orgánica + Cr2O7K2 → Cr+3 + CO2 + H20

El método mide la concentración de materia orgánica. Sin embargo, puede haber interferencias debido a que haya sustancias inorgánicas susceptibles de ser oxidadas (sulfuros, sulfitos, yoduros, cloruros, etc.). Para eliminar las interferencias de cloruro se usa AgNO3 y sales de mercurio como catalizador. De esta manera precipita el cloruro de plata.

Cl- → se oxida a Cl2

Micrométodo: usa 2 ml de muestra en vez de los 50 ml del macrométodo. Para esto se usan viales con reactivos: se les agrega 2 ml de la muestra (diluida), se lleva a 280 o 300°C en el reactor.

Cr+6→Cr+3

Se puede utilizar la espectroscopía ultravioleta-visible, mediante mediciones fotométricas del color producido por la reducción del dicromato a ion cromo 3 (Cr+3) posterior a la digestión. De esta manera se analiza el grafico de transmitancia & concentración.

Las aguas no contaminadas tiene valores de DQO de 1 a 5 ppm, o algo superiores. Las aguas residuales domésticas suelen contener entre 250 y 600 ppm, y en las residuales industriales las concentraciones dependen del proceso de fabricación.

Comparación de los métodos de DBO y DQO

El DBO y DQO permiten caracterizar la carga orgánica. Nunca en la practica el DBO>DQO. El valor obtenido de DQO es siempre superior al DBO (aproximadamente el doble), ya que se oxidan por este método también las sustancias no biodegradables. La relación entre los dos parámetros es indicativa de la calidad del agua. En las aguas industriales puede haber una mayor concentración de compuestos no biodegradables.

La relación entre los valores de DBO y DQO es indicativo de la biodegradabilidad de la materia contaminante. En aguas residuales un valor de la relación DBO/DQO menor de 0,2, se interpreta como un vertido de tipo inorgánico y orgánico sí es mayor de 0,6.

Total de Carbono Orgánico: TCO

Este parámetro es la medida del contenido total de carbono de los compuestos orgánicos presentes en las aguas. Se refiere tanto a compuestos orgánicos fijos como volátiles, naturales o sintéticos. Es la expresión más correcta del contenido orgánico total y la materia se descompone por combustión.El carbono presente en las aguas naturales y residuales está formado por una variedad de compuestos orgánicos en diversas fases de oxidación. Algunos pueden oxidarse aún más mediante procesos químicos o biológicos, y los métodos de Demanda Química de Oxígeno (DQO) y Demanda Biológica de Oxígeno (DBO) pueden utilizarse para distinguir estos compuestos. La presencia de carbono orgánico que no responda a las pruebas de DBO o DQO hace que éstas no sean una determinación adecuada para estimar el contenido total en materia orgánica. Aún cuando el Carbono Orgánico Total (COT) expresa de forma más conveniente y directa que los métodos DQO o DBO, el contenido de carbono orgánico total no ofrece el mismo tipo de información. Si se puede establecer una relación repetible entre el método COT y bien DQO o DBO, se podrá usar COT como un cálculo aproximado para DQO o DBO para una fuente concreta de agua. Las correlaciones deben establecerse independientemente para cada conjunto de condiciones incluyendo varios puntos en el proceso de tratamiento. Dado que el COT es independiente de la fase de oxidación de la materia orgánica y no mide la materia inorgánica que puede contribuir a la DQO, el método COT no puede sustituir a los métodos DQO o DBO.

Para medir el TOC o COT, Carbono Orgánico Total, se emplean aparatos que usan la oxidación en fase gaseosa. Se inyecta una cantidad conocida de muestra en un horno de alta temperatura que contiene 2 tubos en los cuales hay un gas carrier. En presencia de un catalizador, el carbono total que circula por el tubo relleno con oxido de cobre (a 900°C) se oxida a CO2 y el carbono inorgánico que

circula por el tubo que contiene perlas de vidrio embebidas en acido fosfórico (a 150°C) también se oxida a CO2. La producción de CO2 proveniente de cada tubo se mide cuantitativamente por separado con un analizador infrarrojos.

Por lo tanto se tiene un horno con 2 tubos en los cuales hay un gas carrier.

1) Empaque de oxido de cobre2) Perlas de vidrio embebidas en acido fosfórico

En 1) el carbono se descompone a CO2 el cual es registrado en un infrarrojo que da la lectura en mg CO2/lEn 2) se descompone todo el carbono inorgánico. El CO2 que se desprende es detectado por un infrarrojo y se lee en mg CO2/l.

Por lo tanto CO + CI = CT → TCO = CT – CI

Efluentes líquidos

Desde el punto de vista de su origen, resultan de la combustión de los líquidos o desechos arrastrados por el agua, procedentes de viviendas, instituciones y establecimientos comerciales e industriales, mas las aguas subterráneas, superficiales o de precipitación que pueden agregarse. Todas estas aguas afectan de algún modo la vida normal de sus receptores.Cursos de agua: arroyos, lagunas, ríos, mar, subterránea, etc. El agua de los cursos no es agua pura.

Contaminantes del agua: - Físicos: aspecto, color, olor, sabor, temperatura, volumen, caudal- Químicos: pueden ser orgánicos o inorgánicos, como pH, carga orgánica, cantidad de hidrocarburos, metales pesados- Biológicos: virus, bacterias

Con el vuelco de contaminantes a los cursos de agua se provoca la degradación de estos junto con su flora y fauna. En general una contaminación se encuentra en el orden de ppm y con pocas de estas en los cursos de agua. Ejemplos de contaminantes: fenoles, cianuro, mercurio, plomo. Si hay exceso de cloro libre, se asegura que no hay bacterias. Demanda de Cl2 <0,5 mg/l

Parámetros del efluente

- Temperatura (°C): se mide con un termómetro. La máxima permitida es 45°C porque a temperaturas más altas se perjudica el ecosistema. Al aumentar la T disminuye el O 2 disuelto. Para

medir la T del efluente es necesario medirla inmediatamente, ya que si la muestra se traslada la T cambia.

- pH: se mide con un peachímetro. El pH del agua es aproximadamente 7. El rango admisible es 6,5-10. Si el pH es <6,5 se produce corrosión en cañerías de Fe por ejemplo, las bacterias mueren o se generan gases por desplazamiento acido (sulfuro de hidrógeno) los cuales son tóxicos a partir de 7 ppm. Se es >10 se produce degradación de la vida bacteriana o corrosión. - Color: no debe impactar con el color del receptor.- Sulfuros- Cianuros: tóxicos. En medio acido forman HCN. Debe ser < 0,1 ppm- Carga orgánica: se usan los métodos DBO, DQO y TOC.- SSEE: grasas y aceites en éter etílico en un medio sulfúrico (pH= 2,8)- Hidrocarburos: se miden de acuerdo a la obsorbancia IR (espectrofotometría)

- Sólidos sedimentables: no se permiten porque producen obstrucción o generan un manto de material. Se analizan con el cono de Inhoff. Cuando se toma la muestra hay que tener la precaución que en la cañería no se este produciendo la sedimentación. Luego de la toma de la muestra, se vuelve a mezclar para obtener una solución homogénea. Se mide el tiempo de sedimentación, es decir, cuando aparezca el solido (10 minutos o 2 hs). No debe haber sedimentación para ser aceptable, no puede haber sedimentación rápida.

Fracción no filtrable Fracción filtrable Cono de InhoffDisueltos Coloidales Suspendidos Sedimentables

10-5μm10-4μm 10-3μm 10-2μm 10-1μm 1μm 10μm 100μm grandes

Sólidos suspendidos: pasan a ser residuos especialesSólidos coloidales: se eliminan por coagulación, se usan coagulantes. Generan turbidez. Sólidos disueltos: no son separables por métodos físicos, se usan tratamientos químicos.

Sólidos totales: se tienen todos los sólidos + agua. Se lleva a estufa 103°C y se evapora el agua. Se sabe que no hay agua cuando se pesa 2 veces la muestra y el peso es el mismo. Otro método es filtrar, llevar a una mufla (600-700°C) para no descomponer los carbonatos inorgánicos, en una capsula de cerámica. Los sólidos totales pueden ser volátiles (orgánicos) o fijos (inorgánicos).