1. INTRODUCCIÓN A partir de 2004, la Comisión Nacional del Agua (CNA) dejó de reportar el Índice de Calidad del Agua y anunció la sustitución de éste por un nuevo índice que considere la mayoría de las condiciones de las estaciones de medición de la Red Nacional de Monitoreo Actualmente, CNA está utilizando como indicadores de la calidad del agua, la Demanda Bioquímica de Oxígeno a cinco días (DBO5) y la Demanda Química de Oxígeno (DQO). La demanda bioquímica de oxígeno (DBO) se usa como una medida de la cantidad de oxígeno requerido para la oxidación de la materia orgánica biodegradable presente en la muestra de agua y como resultado de la acción de la oxidación bioquímica aerobia (Ramalho, 1996). Comparando la DBO de las aguas servidas entrantes con la DBO del efluente de la planta de tratamiento, puede ser determinada la eficacia del proceso de tratamiento residual (Hach et al., 1997). La medición de este importante parámetro parte de su definición: la cantidad de oxígeno remanente en un tiempo determinado es la DBO a ese tiempo; además, se sabe que la reacción de biodegradación aerobia global de aguas residuales urbanas sigue una cinética de primer grado (Gil, (Gil, 1998). La cantidad de oxígeno consumido durante ese intervalo de tiempo permite estimar la cantidad de oxígeno que será necesario para estabilizar biológicamente la materia orgánica contenida en el efluente. Sin embargo, para conocer el impacto que puede producir el vertido de ese residuo sobre el cuerpo receptor no es suficiente con conocer la DBO5, sino que es importante conocer la velocidad de oxidación biológica y la cantidad de oxígeno que se requiere para oxidar la totalidad de la materia orgánica presente (Moore,1950 et. all y Orford, Ingram, 1953). Para obtener esta información sería necesario incubar la muestra durante un intervalo de tiempo muy prolongado, lo cual dejaría de tener aplicaciones prácticas. Por ello es que se utilizan modelos matemáticos en los cuales se estiman los parámetros cinéticos k y L. Si bien se existen diferentes modelos cinéticos, lo más frecuente es describir el ejercicio de la DBO en función del tiempo mediante una cinética de primer orden (dL/dt = - k L), donde se supone que la velocidad a la cual ocurre la estabilización de la materia orgánica (dL/dt) es proporcional a la concentración de la materia orgánica contenida en la muestra (L) (Moore, 1950). Entonces, si se expresa la concentración de oxígeno en función de la DBO y se analiza su variación con respecto al tiempo, se puede llegar a una ley de velocidad para un solo reactante. Así, se puede realizar un estudio cinético de la Demanda bioquímica de Oxígeno.
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2. MARCO TEÓRICO La DBO es la cantidad de oxígeno que necesitan los microorganismos del suelo para descomponer aeróbicamente la materia orgánica biodegradable que lleva el agua de riego. Generalmente, en el laboratorio se mide durante 5 días, a 20°C y pH neutro, obteniéndose el valor de DBO5 en mg/L. La DBO5 es un parámetro muy importante ya que indica el O2 necesario para estabilizar la materia orgánica y sirve de ayuda para dimensionar una instalación o determinar la eficacia de los procesos. La oxidación bioquímica es un proceso lento: en 5 días la oxidación de la materia carbonosa se produce en un 60-70%, requiriéndose 20 días para alcanzar el 9599%(Casas, 2012). Existen dos formas principalmente de llevar a cabo el ensayo de la DBO: mediante el método de dilución y siembra, y el método manométrico. Mediante el primer método se neutraliza una muestra del agua a analizar y se diluye con cantidades variables de una disolución rica en oxígeno disuelto y microorganismos aerobios. Luego se incuba durante 5 días en la oscuridad y a una temperatura controlada, en un frasco completamente lleno y tapado. Para poder calcular la DBO5, se determina la concentración de oxígeno disuelto antes y después de la incubación. Para el segundo método, se utilizan botellas en las que se encuentra la muestra en agitación, estas botellas están unidas a manómetros con mercurio, los cuales a su vez se comunican con una escala graduada. El O2 consumido da lugar a una liberación de CO2, el cual es absorbido por el KOH que se encuentra en el tapón de la botella. Dicha absorción crea una depresión en la botella, pudiendo realizarse directamente la lectura del oxígeno consumido. Al estar midiéndose el metabolismo de una población de microorganismos, y ya que este depende de la temperatura, de la concentración de materia orgánica a descomponer y del número de microorganismos empleados, los valores de los ensayos no podrán ser idénticos a pesar de que se analice una misma agua residual (Mendoza y Palomares, 1998). Para la determinación de DBO se realizó con la ecuación: DBO (mg/L)=(D1 -D2)/P …(1) Df =OD de muestra diluida inmediatamente
después de preparación (mg/L) Df =OD de muestra diluida después de t días preparación (mg/L) incubado a 20°C. P=fracción decimal volumétrica dela muestrausada.
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Se considera que la cinética que presenta la DBO es la de una reacción de primer orden (Baird, 2001), como se puede apreciar en el siguiente gráfico:
Fig. 1. GRÁFICO DE DBO. Donde: Lt: DBO remanente a un tiempo t L0: DBO inicial o cuanto t=0. Esta se considera la máxima demanda bioquímica de oxígeno. Y: DBO ejercida a un tiempo t.
Además, la ecuación de velocidad sería:
= K.L …….(2) Lo que finalmente quedaría en la forma:
Lt=L0e-kt
……..(3)
Donde k: constante específica de velocidad de reacción Pero como L no se puede determinar directamente en funcióndel tiempo , por ello : Y=L0 – L …………..(4) “Y” reemplazando y dando le forma a la ecuacuación 3 : Y=L0 (1- e-kt ) ……(5) Con la ecución 5 podremos hallar la contante K.
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3. MATERIALES Y MÉTODOS En esta sección se describen los materiales empleados durante el experimento y los procedimientos seguidos para determinar la DBO de la muestra. El experimento se dividió en 2 fases: preparación de las muestras y blancos y titulación. a. MATE R I AL E S
Fase 1: Preparación de las muestras y blancos
Muestra problema (agua de estanque) Frascos Winkler de 300 mL Pipetas Sulfato de magnesio Cloruro de Hierro Cloruro de calcio Buffer fosfato Agua destilada
Fase 2: Titulación
Bureta y soporte universal Matraz Pipetas Reactivo Álcali-Yoduro-Ázida Sulfato manganoso Ácido sulfúrico concentrado Tiosulfato de sodio 0.025 M Almidón Agua destilada
CONSIDERACIONES: Debido a que nuestro experimento fue errado, se nos proporcionó datos resultantes para analizarlos , no podemos describir el procedimiento.
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4. RESULTADOS Los datos de DBO medidos diariamente que fueron proporcionados por la profesora se muestran a continuación: día mL de Na2S2O3 gastados = mg OD/L
R1
R2
promedio
0
7,9
7,8
7.85
2
7,7
7,5
7.6
3
7,8
7,5
7.65
4
7,2
7,5
7.45
5
7,0
6,9
6.95
6
6,8
6,6
6.7
7
6,2
6,3
6.25
blanco
8
8.1
8.05
Tbal N°1. Según a estos datos podemos decir que el experimento se realizó por 8 días. Y que el DBO máximo fue 7.85 mg/ml. En lo siguiente se muestra la curbade DBO en función del tiempo (gráficaN°2):
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Por lo que la ecuación: Y = 7.85*(1-e-kt). Para hallar la constante se modificó la ecuación las ecuaciones ya mencionados en K= - 1/7 x [Ln (1- (Y/7.85)] y se representó en una gráfica. Día
Y (R1)
Y (R2)
K (R1)
K (R2)
promedio
2
0.2
0.3
0.025
0.038
0.032
3
0.1
0.3
0.008
0.025
0.017
4
0.7
0.3
0.048
0.020
0.034
5
0.9
0.9
0.050
0.050
0.050
6
1.1
1.2
0.053
0.059
0.056
7
1.7
1.5
0.079
0.067
0.073
0.044
0.043
0.043
Obteniendo la gráfica N°3 :
Donde la K resulta ser : K= 0.043d-1
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5. DISCUSIONES El DBO máximo promedio a los 7 días fue de 7.85 mg/ml. con los datos proporcionados para reducir al mínimo el efecto de estas interferencias existen varias modificaciones del método Yodométrico como los sistemas automáticos para la detección del DBO5 entre estos podemos encontrar al Oxitop-C que genera un gran cantidad de datos confibles lo cual permite realizar experimentos con tatos mas confiables y evitando errores de procedimiento. Entre los procedimientos más comunes se encuentra la modificación de ázida (Quelal, 2012). El fundamento químico es que el NaN3 en un medio ácido reacciona para dar NaH3, el cuál reacciona con los nitritos evitando la acción de estos compuestos. Por ello se empleo ésta precaución (con el uso del reactivo Álcali- Yoduro- Ázida que aportó el NaN3 y el ácido sulfúrico que aportó el medio ácido), así que, al menos el incremento de Yoduro por presencia de nitritos no podría explicar la diferencia inicial observada. Además es importante considerar que todo el método realizado es efectivo, siempre y cuando el oxígeno disuelto se encuentre en exceso para ser consumido por los microorganismos de modo tal que toda la materia orgánica sea degradada. Chica et al . (2007) recomiendan que el agua sea aireada por aproximadamente 2 horas con aireadora o con compresor. Otro punto en contra fue que las titulaciones a partir de la segunda medición fue a los tres días . Chica y grupo (2007) Afirman que bajo ningún concepto se debe iniciar el análisis después de 24 horas de haber tomado la muestra . Según a los datos proporcionados se demostró que aproximadamente entre el 70% al 80% de la DBO se ejerce en cinco días, es por eso que históricamente la prueba se ha desarrollado en este periodo (Chica et al ., 2007). Por ello sería recomendable realizar la prueba sólo para 5 días. En la gráfica N°2 , se muestra la relación de DBO con el tiempo , donde se observa en una curva lo que indica que es una cinetica de primer orcen, persiviendose también en la gráfica N° 3 con que se determinó la constante de velocidad (K= 0.043 d-1 ) , como la pendiente positiva de la recta, pero para dicha recta se hizo ciertas modificaciones a la ecuación Y = 7.85*(1-e-kt) en la forma K= - 1/7 x [Ln (1- (Y/7.85)] Baird (2001) reafirma éste ultimo enunciado.
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6. CONCLUSIÓN Se puede afirmar que los valores de DBO proporcionados son válidos, ademas se hace notar que el cambio de la ecuación permite que se puedan generar los datos requeridos para la estimación del K. Por otro lado se determinó la DBO máxima y la constante de velocidad para el agua de estanque, las cuáles fueron de 7.85 mg/L y de 0.043 d-1 y que siguen una cinética de primer orden según lo contatado por la fuentes consultadas.
CUESTIONARIO 1. ¿Por qué es importante mantener la temperatura a 20°C? Es importante mantener la temperatura de incubación constante debido a que ésta influye en la velocidad de desoxigenación (velocidad de reacción). 2. ¿Qué sucedería si variamos la temperatura a 37°C? Según Raffo y Ruiz (2014), si se realiza la comparación de las constantes de velocidad de reacción: K T= k 20°C x Ɵ(T-20) Dónde: “Ɵ(T-20)” es una constante que depende de la temperatura, “K T” es una constante para una temperatura T (37 °C) y “K 20°c“ es una constante para una temperatura de 20°C.
Se puede deducir que si se aumenta la temperatura, el valor de K T también aumentará. Debido a esto, la velocidad de reacción a la temperatura de 37°C será mayor y la DBO será mucho mayor que a 20°C. 3. Determinar las gráficas que se generan: 4. Para la determinación de la DBO última y la constante cinética para la DBO de un agua residual se ha realizado un ensayo obteniéndose los siguientes datos Día DBO (mg/l)
0 0
1 32
2 57
3 84
4 106
5 111
Si: Y=DBO= L0 (1-e-kt)
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5. En la tabla se presentan los resultados de un ensayo de DBO para una muestra de agua diluida 100 veces y que ha sido inoculada. También se muestran los valores de O.D. para un blanco incubado con el inóculo. Determinar la DBO5 de la muestra y la DBO última. Tiempo (d) 0 1 2 3 4 5 O.D. 7.95 3.75 3.45 2.75 2.15 1.80 muestra O.D. 8.15 8.10 8.05 8.00 7.95 7.90 blanco Para el cálculo de la DBO5: DBO5 (mg/L) = A lo que, adicionalmente en el numerador, se le debería restar la diferencia de O.D. de los blancos como factor de corrección. Por lo que finalmente quedaría: DBO5 (mg/L) =
= 590
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7. BIBLIOGRAFÍA BAIRD, C. 2001. Química Ambiental . Editorial Reverté. Primera Edición. Impreso en España. pp. 437-438. CASAS, R. 2012. El suelo de cultivo y las condiciones climáticas. Editorial Paraninfo. Primera Edición. Impreso en España. pp. 218. CHICA, O. GALVIS, N. MADRID, J. 2007. Validación métodos analíticos (µDQO, HIERRO, H 2O2 , COT) en aguas. Universidad de Medellín. pp. 21, 23. CHRISTIAN, G. 2009. Química Analítica. Sexta Edición. Editorial Mc Graw Hill. Impreso en México. p. 427. GIL, M. 1998. Demanda Bioquímica de Oxígeno de Efluentes con Productos Xenobióticos. Artículo publicado en Ingeniería del Agua. Vol. 5, N° 4. HACH, C., KLEIN, R., GIBBS, C. 1997. Introduction to Biochemical oxygen demand . Technical Information Series. Folleto N° 7. Impreso en USA. p. 3. MENDOZA, J., PALOMARES, A. 1998. Ciencia y Tecnología del medio ambiente. Editorial Politécnica de Valencia. Primera Edición. Impreso en España. pp. 18-19 PENN, M., PAUER, J., MIHELCIC, J. 2002. Biochemical oxygen demand . Artículo del Volumen II de la Enclyclopedia of Life Support Systems (EOLSS): Enviromental and ecological chemistry. p. 2. RAMALHO, R. 1996. Tratamiento de aguas residuales. Traducción de la Segunda edición en inglés. Editorial Reverté. Impreso en España. p. 34. QUELAL, L. 2012. Documentación del procedimiento de laboratorio para la DBO5 en el laboratorio de control de calidad de la empresa de acueducto y alcantarillado de Pereira S.A. E.S.P. “Proyecto de grado”. Facultad de tecnología. Universidad Tecnológica de
Pereira. p. 16. Moore, E., Thomas, H., Snow, W. 1950. Simplified method for analysis of B.OD. data. Sewage and industrial wastes. 22 (10): 1343 – 1353. Orford, H, Ingram, W. 1953. Deoxygenation of sewage. Critical Review of the monomolecular formula. Sewage and industrial wastes. 25 (4): 419 – 424.
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