ANÁLISIS DE LA DEMANDA QUÍMICA DE OXÍGENO (DQO) Y DE LA DEMANDA BIOQUÍMICA DE OXÍGENO (DBO) EN AGUAS RESIDUALES DE LA EMPRESA DE ALIMENTOS Y CONSERVAS

SNOB Calderón Evelyn, Díaz Juan, González Andrea

___________________________________________________________________ Facultad de Ciencias de la Vida, Ingeniería en Biotecnología, Escuela Politécnica del Ejército, Sangolquí Ecuador, Noveno Nivel,

Biotecnología Ambiental.

INTRODUCCIÓN

Las aguas residuales o servidas, son aquellas que han sido usadas en la actividad doméstica o industrial, y presentan alteraciones en las características propias de su fuente natural, o a su vez cargas contaminantes (Orozco, 2005).

Los principales contaminantes son: sólidos en suspensión, materia orgánica refractaria, nutrientes, metales pesados, compuestos tóxicos, patógenos y principalmente materia orgánica biodegradable (Sans & Ribas, 1989).

La materia orgánica biodegradable, se mide en términos de DBO y DQO, en donde existe una relación directa entre carga orgánica y contaminación existente, pudiendo llevar al agotamiento de recursos naturales de oxígeno y desarrollo de condiciones sépticas, en caso de que exista un vertido de aguas residuales con elevada DBO y DQO en entornos acuáticos (Sans & Ribas, 1989) (Ramalho, Domingo, & Lora, 2003).

La demanda bioquímica de oxígeno (DBO5), es un parámetro empleado para estimar la degradación de la materia oxidable biológicamente en relación al oxígeno consumido durante procesos aerobios de degradación, sin embargo este parámetro requiere de cinco días para la obtención de su resultado (Veritas, 2008).

Por otro lado, la Demanda Química de Oxígeno (DQO), se considera como la medida del material oxidable, biodegradable o no, presente en aguas residuales, en donde su principal ventaja, es el poco tiempo (pocas horas) requerido para la obtención de resultados. No obstante, el inconveniente presentado es la falta de diferenciación existente en este ensayo tanto para materia orgánica biodegradable como no biodegradable (Veritas, 2008) (Castro, 1980)

La determinación de DQO, se realiza mediante el uso de un fuerte agente oxidante en medio ácido, con ayuda de un catalizador a altas temperaturas, mientras que la DBO se evalúa en base al consumo de oxígeno por parte de las bacterias encargadas de realizar la degradación de la materia, las mismas que toman a la materia orgánica como sustrato y agente donador de electrones (Orozco, 2005) (Aguila, Sáez, Lloréns, Soler, & Ortuño, 2002)

En general, las aguas residuales provenientes de empresas alimenticias tienen alta cantidad de materia orgánica, ya sea disuelta o en estado coloidal, presentando diversas concentraciones, pH, nitrógeno, etc, de acuerdo a la procedencia del efluente (Da Cámara, Hernández, & Paz, 2004)

Debido a las características de las aguas residuales alimenticias y con el afán de buscar el tratamiento más eficaz para aguas con alto contenido orgánico, se han desarrollado relaciones entre DBO/DQO, que permitan verificar la posibilidad de efectuar un tratamiento biológico o físico-químico a dichas aguas. Cuando la relación DBO/DQO< 0.2, se recomienda un tratamiento físico químico; si DBO/DQO >0.4 se considera una fuente biodegradable, y si DBO/DQO >0.65, entonces los vertidos se consideran orgánicos y aptos para tratamientos biológicos (Veritas, 2008)

El objetivo del presente trabajo, es determinar la cantidad de DBO y DQO de las aguas residuales producidas por la empresa de alimentos y conservas SNOB para la posterior evaluación y diseño de una planta de tratamiento de aguas residuales.

MATERIALES Y MÉTODOS

Muestra

La muestra de agua se obtuvo del efluente principal de la empresa de alimentos en conserva

Snob, el cual provine exclusivamente del proceso industrial. Se utilizó botellas Winckler de 500ml. Para evitar la oxigenación excesiva de la muestra esta se tomó por sumergimiento completo de la botella hasta observar la formación del sello de agua y se cubrió inmediatamente con parafilm. Se conservó la muestra a baja temperatura hasta su análisis.

Previo al ensayo se realizó diluciones de la muestra basadas en una evaluación cualitativa de sus características físicas como turbidez y presencia de sólidos sedimentables. Las diluciones realizadas fueron de 1:3 y 1:10.

Determinación DQO:

Para determinar la Demanda Química de Oxígeno se utilizó el método colorimétrico de flujo cerrado descrito por Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater 5220D (1998). El cual se basa en la cuantificación de la oxidación de la muestra causada por el Ion dicromato, que se expresa por el cambio de estado del cromo de (IV) a (III) y se mide por la diferente absorbancia de cada uno de estas especies.

Se tomó 2,5 ml de cada dilución y se colocó en dos viales de digestión (Tubos Hatch), posteriormente se añadió 1,5ml de la solución de digestión (K2Cr2O7, H2SO4, Hg2SO4), y 3,5 ml del reactivo de ácido sulfúrico (H2SO4 y Ag2SO4). Se homogenizó la mezcla y se dejó reposar por dos horas a una temperatura de 150°C, para facilitar la reacción de digestión.

Para determinar la concentración final de DQO en la muestra, se corrió una curva de calibración de concentraciones estándares, utilizando diluciones de una solución stock de ftalato de potasio en la cual se establece la relación de 425 mg de ftalato de potasio = 1176 mg de DQO/mg de materia; además se preparó una muestra blanco. Los estándares y el blanco fueron sometidos al procedimiento previamente descrito.

La medición de la absorbancia de las muestras, los estándares y el blanco se realizó a una

longitud de onda de 600 nm, rango en el cual el Ión crómico (Cr +3) absorbe mucho más que el Ión dicromato (Cr+6), por lo que se cuantifica de forma proporcional toda la materia que ha sido oxidada.

Determinación de DBO:

Para la determinación de la Demanda Biológica de Oxígeno se utilizó el equipo OxiTop®, el cual se basa en el principio de variación de presiones dentro de un sistema cerrado, causado porque los microorganismos de la muestra consumen el oxígeno y liberan CO

2, que es absorbido por el

NaOH, creando una presión de vació la cual es detectada y medida como un valor proporcional de DBO en mg/l.

El volumen de la muestra utilizado en el ensayo determina la cantidad de oxígeno disponible y es fijado utilizando el valor de DQO previamente obtenido, de acuerdo a la relación presentada en el inserto del equipo. Se utilizó un volumen de 43.5 ml, el cual se colocó en una botella, junto con un agitador y dos pastillas de NaOH. Se colocó en el plato de agitación durante 5 días.

RESULTADOS

Demanda Química de Oxígeno (DQO)

Las disoluciones de ftalato de potasio preparadas (en función a la equivalencia 425 mg de ftalato de potasio = 1176 mg de DQO/mg de materia) luego de sertratadas con la metodología indicada se llevaron al espectrofotómetro donde se midió la absorbancia a 600 nm. Los resultados de estas mediciones se observan en la Tabla 1, donde B es el blanco y el resto son las 4 disoluciones utilizadas.

Tabla 1. Concentraciones de soluciones estándar de

ftalato de potasio y sus absorbancias respectivas.

Concentración (ppm)

Absorbancia (600 nm)

B 0 0

E1 143 0,034

E2 294 0,061

E3 588 0,080

E5 1176 0,136

En base a estos datos se estableció la curva de calibración (Gráfico 1) y su respectiva ecuación con un coeficiente de correlación (R) de 0,992.

Gráfico 1. Curva de calibración de DQO. Absorbancia vs. Concentración (ppm).

Simultáneamente, se midió las absorbancias de la muestra procedente de la industria de alimentos SNOB de acuerdo a las diluciones realizadas. Con estos datos se interpoló el valor de absorbancia en la curva de calibración para calcular la concentración de DQO usando la ecuación (y=9,39052E

-05x+0,026078658). Los

resultados se muestran en la Tabla 2.

Tabla 2. Concentraciones de las diluciones de la muestra y sus absorbancias respectivas.

Dilución Absorbancia Concentración (ppm)

1:10 0,026 -0,837

1:3 0,070 467,719

Se obtuvo un dato de 468 ppm aproximadamente, que corresponde a la dilución 1:3, y se aplicó la fórmula (1):

fCC DR (1)

Donde,

CR = Concentración real

CD = Concentración diluida

f = factor de dilución

El cálculo final de la DQO real corresponde a 1404 ppm.

Demanda Biológica de Oxígeno (DBO)

En base al manual de operación de OxiTop, donde la DBO5 de una muestra de agua residual puede representar el 80% de la DQO, es decir 1123 ppm para la muestra de SNOB, se ha seleccionado un volumen de trabajo de 43,5 ml con un factor de 50.

Tras los 5 días de medición (resultados mostrados en Tabla 3 y Gráfico 2), se tuvo que el oxígeno consumido al quinto día fue de 9 ppm. Este valor corregido con el factor de 50 dado en el manual arroja un resultado de DBO5 de 450 ppm.

Tabla 3. Niveles de oxígeno consumido durante los 5 días de medición con OxiTop, para 43,5 ml de muestra no diluida.

Día Oxígeno consumido (ppm)

1 4

2 7

3 7

4 8

5 9

Gráfico 2. Curva oxígeno consumido (ppm) vs. Tiempo (días), para el cálculo del DBO5.

DISCUSIÓN

En base a los resultados obtenidos de DQO y DBO para la muestra de agua residual tomada de la planta de producción de Alimentos SNOB, 1404 ppm y 450 ppm respectivamente, y comparando con los parámetros especificados en el Texto Unificado de Legislación Ambiental Secundaria (2003), Libro IV, Anexo I, en el punto referente a límites de descarga al sistema de alcantarillado público, los cuales estipulan límites máximos permisibles de 500 ppm para DQO y 250 ppm para DBO5, se puede ver que el efluente de la industria es descargado directamente al alcantarillado a pesar de no cumplir con los requisitos.

Por otra parte, con la ayuda del método gráfico de Thomas (Saracho et al., 2011) se pudo estimar la constante cinética de la DBO y por

0,034

0,061

0,08

0,136

y = 9E-05x + 0,0261R² = 0,9847

0

0,02

0,04

0,06

0,08

0,1

0,12

0,14

0,16

0 200 400 600 800 1000 1200 1400

Ab

sorb

anci

a

Concentración DQO

Curva de Calibración DQO

4

7 7

8

9

y = 2,8506ln(x) + 4,2705R² = 0,9377

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

0 1 2 3 4 5 6

Oxí

gen

o c

on

sum

ido

(p

pm

)

Tiempo (días)

OD consumido

medio de esto establecer la DBOÚltima. La Tabla 4 presenta los datos para la elaboración del Gráfico 3.

Tabla 4. Cálculo de los valores necesarios para el método gráfico de Thomas para hallar la constante cinética de la DBO (k).

t (días) y = O2 (ppm)

(t/y)1/3

1 4 0,630

2 7 0,659

3 7 0,754

4 8 0,794

5 9 0,822

Con la ecuación de la recta del Gráfico 3 se calculó la constante cinética por medio de:

)(61,2 abk . Donde b es la pendiente y a es

el corte en el eje Y (Saracho et al., 2011). El resultado fue: k = 0,235d

-1 y DBOU = 651 ppm.

Gráfico 3. Método gráfico de Thomas para estimar k. De la ecuación de la curva: b=0,0519 y a=0,5759.

Adicionalmente, en la toma de muestra se midió el caudal del efluente de la industria, el cual fue de 32 m

3/día. Según los resultados y este caudal

se calculó que el flujo de materia orgánica carbonácea biodegradable es de 21 kg diarios y la no biodegradable es de 45 kg diarios. Para este caso, la relación DQO/DBO5 es de 3,12. Según Cisterna et al., (s/a), si esta relación es mayor a 2,5 y menor a 5, el efluente es biodegradable recomendándose el uso de lechos bacterianos su tratamiento. De forma análoga se cumple con la relación establecida por Veritas 2008, donde si DBO/DQO >0.65 también se considera a los vertidos aptos para tratamientos biológicos. Esta información es importante ya que permite establecer que las aguas de la industria

de Alimentos SNOB son tratables biológicamente mediante lodos activados.

Terminando con el análisis de los resultados obtenidos cabe destacar que la DQO es superior a la DBOU, lo cual podría estar relacionado al hecho de que el efluente analizado procede de una industria alimenticia que básicamente se dedica a la generación de productos envasados como mermeladas, vegetales en conserva y otros. Este tipo de productos se caracterizan por presentar conservantes como el ácido ascórbico, ácido benzoico y sus sales de calcio, potasio y sodio, los cuales actúan como agentes antibacterianos y antifúngicos (EUFIC, 2013). Otra causa puede ser la existencia de elementos recalcitrantes como la celulosa y la lignina que surgen del procesamiento del palmito entre otros productos vegetales (Mansilla et al., s/a; CSIC, s/a).

Por lo expuesto, sería importante la implementación de una planta de tratamiento de aguas residuales por lodos activados en lecho, de este modo se aseguraría una descarga dentro de las normas existentes.

CONCLUSIONES

El análisis de la DQO y la DBO de aguas residuales son importantes ya que constituyen no solo un parámetro que permite caracterizar de forma general la composición del agua, sino que son la base de fundamentación para evaluar que tipo de tratamiento es necesario aplicar para la remediación del agua estudiada.

De acuerdo a los datos obtenidos de DBO5 para el agua proveniente de la empresa SNOB (450 ppm) se concluye que este efluente industrial requiere un tratamiento previo antes de su descarga en la alcantarilla para cumplir con la normativa vigente. Con la determinación del DBOu se puede conocer la cantidad de materia orgánica total del agua que debe ser degradada, este análisis será de utilidad en los siguientes pasos de diseño de un tratamiento para el efluente.

La DQO es un equivalente de la materia orgánica biodegradable y no biodegradable presente en la muestra, este parámetro se obtienen en menor tiempo pero su información no es completa ya que no diferencia la porción de materia orgánica que puede ser tratada directamente por acción microbiana, sin embargo es una buena

y = 0,0519x + 0,5759R² = 0,9564

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

-1 0 1 2 3 4 5 6

(t/y

)^(1

/3)

Tiempo

Método de Thomas

aproximación para la caracterización del agua y en base a este dato se puede concluir que el agua residual de la industria SNOB contiene un porcentaje representativo de elementos no biodegradables que deberán tomados en cuenta en el diseño posterior..

De acuerdo a los resultados obtenidos se puede determinar, de forma preliminar, que el agua estudiada es apta para someterse a un tratamiento biológico para su restauración.

REFERENCIAS

Aguila, M., Sáez, J., Lloréns, M., Soler, A., & Ortuño, J. (2002). Tratamiento físico-químico de aguas residuales: COAGULACIÓN-FLOCULACIÓN. Murcia: Universidad de Murcia

Castro, M. (1980). Parámetros Físico-Químicos en el tratamiento de aguas residuales mediante lagunas de estabilización. Lima

Centro de Investigaciones Biológicas (CSIC). (s/a). "Biotecnología blanca" para la obtención de productos de valor añadido a partir de polímeros vegetales renovables: Diseño de biocatalizadores "a la carta" y nuevos procesos industriales. Disponible en http://www.cib.csic.es/es/detalle_linea_investigacion.php?idlinea_investigacion=144

Cisterna, P., Peña, D. (s/a). Determinación de la relación DQO/DBO5 en aguas residuales de comunas con población menor a 25.000 habitantes en la VIII región. Disponible en http://www.bvsde.paho.org/bvsaidis/chile13/trab-12.pdf

Da Cámara, L., Hernández, M., & Paz, L. (2004). Manual de Diseño para plantas de tratamiento de aguas residuales alimenticias

European Food Information Council (EUFIC). (Mayo, 2014). Conservantes para aumentar la seguridad y la duración de los

alimentos. Disponible en http://www.eufic.org/article/es/artid/conservantes-seguridad-duracion-alimentos/

Mansilla, H., Lizama, C., Gutarra, A., Rodríguez, J. (s/a). Tratamiento de residuos líquidos de la industria de celulosa y textil. 285-288. Disponible en http://www.cnea.gov.ar/xxi/ambiental/cyted/20cap13.pdf

Orozco, Á. (2005). Bioingeniería de Aguas Residuales: Teoría y Diseño. Bogotá: ACODAL.

Presidencia de la República del Ecuador. (2003). Norma de calidad ambiental y de descarga de efluentes: Recurso agua. (Libro VI, Anexo I). Texto Unificado de Legislación Ambiental Secundaria.

Ramalho, R., Domingo, J., & Lora, F. (2003). Tratamiento de Aguas Residuales. Sevilla: Reverté.

Sans, R., & Ribas, J. (1989). Ingeniería ambiental: Contaminación y tratamientos. Barcelona: PRODUCTICA

Saracho, M., Romero, K., Flores, M., Rodriguez, C. (2011). Coeficiente cinético para diseño de unidades de tratamiento biológico de efluentes cloacales. Avances en Energías Renovables y Medio Ambiente. 15. 71-78. Disponible en http://www.asades.org.ar/modulos/averma/trabajos/2011/2011-t001-a009.pdf

Standard Methods for the Examination of Water and Waswater. (1998) D5220. Chemical Oxygen Demand (COD #1). Disponible en: www.kpatco.com

Veritas, B. (2008). Manual para la formación en Medio Ambiente. Valladolid: LEX NOVA.