2012 - análisis de las correlaciones entre variables ambientales y biológicas en fangos activos

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Doctorado de Ingeniería del Agua y Medioambiental Título del Trabajo Investigación: ANÁLISIS DE LAS CORRELACIONES ENTRE LOS PARÁMETROS OPERACIONALES, FÍSICO-QUÍMICOS Y BIOLÓGICOS ASOCIADOS AL PROCESO DE FANGOS ACTIVOS Autor: ZORNOZA ZORNOZA, ANDRÉS MIGUEL Director/es: DR. ALONSO MOLINA, JOSÉ LUÍS DR. CUESTA AMAT, GONZALO DRA. SERRANO BARRERO, SUSANA Fecha: JULIO, 2012

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1. Doctorado de Ingeniera del Agua y Medioambiental Ttulo del Trabajo Investigacin: ANLISIS DE LAS CORRELACIONES ENTRE LOS PARMETROS OPERACIONALES, FSICO-QUMICOS Y BIOLGICOS ASOCIADOS AL PROCESO DE FANGOS ACTIVOS Autor: ZORNOZA ZORNOZA, ANDRS MIGUEL Director/es: DR. ALONSO MOLINA, JOS LUS DR. CUESTA AMAT, GONZALO DRA. SERRANO BARRERO, SUSANA Fecha: JULIO, 2012 2. Doctorado de Ingeniera del Agua y Medioambiental Ttulo del Trabajo de Investigacin: ANLISIS DE LAS CORRELACIONES ENTRE LOS PARMETROS OPERACIONALES FSICO-QUMICOS Y BIOLGICOS ASOCIADOS AL PROCESO DE FANGOS ACTIVOS Autor: ZORNOZA ZORNOZA, ANDRS MIGUEL Director Codirector1 Codirector2 Tutor DR. ALONSO MOLINA, JOS LUS DR. CUESTA AMAT, GONZALO DRA. SERRANO BARRERO, SUSANA Lugar de Realizacin Fecha de Lectura VALENCIA JULIO, 2012 Resumen: El tratamiento de aguas residuales por el sistema de fangos activos es un proceso biotecnolgico donde intervienen multitud de variables fsico-qumicas, biolgicas y operacionales. Los estudios realizados en plantas depuradoras a escala real son escasos, especialmente aquellos anlisis que integran todos los componentes, que interaccionan en el sistema. El conocimiento de estas variables bajo una perspectiva integrada permite aportar nuevos datos para la optimizacin y biomonitorizacin del proceso en las EDAR. El presente trabajo se realiz a partir de muestras de una EDAR con sistema de eliminacin biolgica de nitrgeno, siendo los objetivos principales: i) determinar la relacin entre la carga msica y la edad del fango, ii) investigar la asociacin de nuevas variables operacionales con la dinmica de los microorganismos y iii) estudiar la incidencia de distintas variables sobre el proceso de nitrificacin-desnitrificacin. Para ello se realiz en primer lugar un anlisis bivariante, establecindose de esta forma el grado de relacin entre dos variables dentro de la matriz de datos. Los resultados obtenidos mostraron que la carga msica y la edad del fango eran variables independientes de la composicin y densidad de protistas y metazoos. Por otro lado, se demostr la utilidad del fraccionamiento de la DQO y DBO5 para evitar asociaciones sesgadas dentro de la comunidad microbiana. En el proceso de nitrificacin, la influencia conjunta de distintas variables hizo posible alcanzar buenos rendimientos, con niveles de oxgeno por debajo de 2 mg/L, y sin que la temperatura en el reactor biolgico fuera un factor limitante. Se demostr asimismo la asociacin de la bacteria Microthrix parvicella con alta carga msica y baja edad del fango y del protista Trochilia minuta con una baja carga msica. Las expresiones de la edad del fango EF6 y EF7 se establecieron como las ms adecuadas para el control del proceso biolgico y la carga msica, expresada como DQO soluble, se present como una alternativa plausible frente a la expresada como DBO5. Summary: Wastewater Treatment by activated sludge system is a biotechnological process which involves different physico-chemical, biological and operational variables. Studies about full-scale plants are scarce, mainly those that include integrate analysis of all the interacting factors of the process. The knowledge about these variables under an integrated perspective provides new data for the biomonitoring in the WWTP. This study was performed in one WWTP with biological nitrogen removal system. The objectives were: i) to determine the relationship between the organic loading rate and the cellular retention time, ii) to investigate the association of new operational variables with 3. Doctorado de Ingeniera del Agua y Medioambiental the dynamics of microorganisms and, iii) to study the association between nitrification- denitrification process and other control parameters. The relationships between the different variables were firstly established using bivariate statistical analysis. The results showed statistical independence between loading rate and the cellular retention time with the composition and density of protists and metazoans. On the other hand, it has been also demonstrated the usefulness of the fractionation of COD and BOD to avoid mistakes in the association within microbial communities. The influence of different variables in the nitrification process allowed to obtain a good performance with oxygen levels below 2 mgL, whereas the temperature was not a limiting factor in the bioreactor. The filamentous bacteria Microthrix parvicella was associated with high organic loading rate and low cellular retention time and the protist Trochilia minuta with low organic loading properly factor for the control of biological process and the organic loading rate, expressed as soluble COD, being a plausible alternative to the BOD. Resum: El tractament d'aiges residuals pel sistema de fangs actius s un procs biotecnolgic on intervenen multitud de variables; fsic- qumiques, biolgiques i operacionals. Els estudis realitzats en plantes depuradores a escala real sn escassos, especialment aquelles anlisis que integren tots els components que interaccionen en el sistema. El coneixement d'estes variables davall una perspectiva integrada del sistema permet aportar noves dades per a l'optimitzaci i biomonitorizacin del procs en les EDAR. El present treball va ser realitzat en una EDAR amb sistema d'eliminaci biolgica de nitrogen, sent els objectius principals l'estudi de la relaci entre la crrega mssica i l'edat del fang, investigar l'associaci de noves variables amb la dinmica dels microorganismes i l'estudi del procs de nitrificaci. Per a aix es va realitzar una anlisi preliminar a travs d'una anlisi bivariant, establint-se d'esta manera el grau de relaci entre dos variables dins de la matriu de dades. Els resultats obtinguts van mostrar una independncia en l'associaci de la crrega mssica i edat del fang amb la comunitat de protistas i metazous. D'altra banda, es va demostrar la necessitat del fraccionament de la DQO i DBO5 per a evitar associacions esbiaixades dins d'esta comunitat. En el procs de nitrificaci, la influncia conjunta de les distintes variables va fer possible aconseguir bons rendiments amb nivells d'oxigen per davall de 2 mg/L i sense que la temperatura en el reactor biolgic fora un factor limiten-te. Microthrix parvicella va ser associada a una alta crrega mssica i baixa edat del fang i el protista Trochilia minuta a una baixa crrega mssica. Les expressions de l'edat del fang EF6 i EF7 es van establir com les ms adequades per al control del procs biolgic i la crrega mssica, expressada com DQO soluble, es va presentar com una alternativa plausible enfront de l'expressada com DBO5. Palabras clave: EDAD DEL FANGO, CARGA MSICA, NITRIFICACIN, PROTISTAS, METAZOOS Y BACTERIAS FILAMENTOSAS 4. i AGRADECIMIENTOS Ante todo quiero agradecer a mis directores Gonzalo Cuesta, Susana Serrano y Jos Luis Alonso por transmitirme su apoyo incondicional, sus consejos y su gran experiencia como investigadores. A Inma por guiarme por el buen camino y a la gran familia del Instituto Universitario de Ingeniera del Agua y Medio Ambiente (IIAMA) por acogerme y respaldar mis ideas. A la Entidad Pblica de Saneamiento de Aguas Residuales de la Comunidad Valenciana (EPSAR) por financiar este proyecto y a la EDAR Quart Benager (AVSA-EGEVASA) por conceder mi tiempo durante la toma de datos. Sin ellos este proyecto no habra sido posible. A todos mis amigos y en especial a Dianelys por su apoyo y grandes consejos. A mis padres, porque sin su esfuerzo, dedicacin, enseanza y sacrificio nunca habra llegado a escribir estas lneas. A mi hermana Ana y esposo Rubn por su ayuda incondicional y constante a mi trabajo. 5. NDICE ii NDICE CAPTULO I.- INTRODUCCIN 1 1. DEPURACIN DE AGUAS RESIDUALES.. 1 1.1 El proceso de fangos activos... 2 1.2 El flculo como unidad fundamental estructural del fango activo.. 3 1.3 Composicin de la microbiota.. 4 2. EL PAPEL DE LOS PROTISTAS.. 5 3. BACTERIAS FILAMENTOSAS.. 7 4. PARMETROS BSICOS DE CONTROL Y OPERACIN. 9 5. EL PROCESO DE NITRIFICACIN. 11 5.1 Bacterias nitrificantes 12 5.1.1 Bacterias Oxidantes de Amonio..................................................... 13 5.1.2 Bacterias Oxidantes de Nitrito........................................................ 13 5.2 Factores que afectan a la nitrificacin 14 5.2.1 Temperatura................................................................................... 14 5.2.2 Alcalinidad y pH.............................................................................. 15 5.2.3 Necesidades de oxgeno... 16 5.2.4 Concentracin de amonio y nitrito 17 5.2.5 La relacin DBO5/NKT.. 17 5.2.6 Compuestos txicos... 18 CAPTULO II.- OBJETIVOS 20 CAPTULO III.- MATERIALES Y MTODOS.. 21 1. TOMA DE MUESTRAS... 21 2. PARMETROS FSICO-QUMICOS Y BIOLGICOS... 22 3. PARMETROS OPERACIONALES. 24 4. IDENTIFICACIN Y RECUENTO DE PROTISTAS Y METAZOOS 25 5. IDENTIFICACIN Y RECUENTO DE BACTERIAS FILAMENTOSAS.......... 26 6. ANLISIS ESTADSTICO... 27 CAPTULO IV.- RESULTADOS. 31 1. PARMETROS OPERACIONALES. 31 2. PARMETROS FSICO-QUMICOS. 34 2.1 Licor mezcla 34 6. NDICE iii 2.2 Afluente 36 2.3 Efluente 42 3. EL PROCESO DE NITRIFICACIN. 44 4. BACTERIAS FILAMENTOSAS.. 50 5. PROTISTAS Y METAZOOS... 56 CAPTULO V.- DISCUSIN 63 1. PARMETROS OPERACIONALES......... 63 1.1 Edad del fango y carga msica... 63 2. PARMETROS FSICO-QUMICOS. 64 2.1 Licor mezcla 64 2.2 Afluente 65 2.3 Efluente 66 3. EL PROCESO DE NITRIFICACIN. 66 4. BACTERIAS FILAMENTOSAS.. 70 5. PROTISTAS Y METAZOOS... 73 CAPTULO VI.- CONCLUSIONES........ 76 CAPTULO VII.- BIBLIOGRAFA... 78 CAPTULO VIII.- ANEXOS.. 86 1. ATLAS FOTOGRFICO DE LOS MORFOTIPOS FILAMENTOSOS......... 86 2. ATLAS FOTOGRFICO DE PROTISTAS Y METAZOOS........... 89 7. NDICE iv NDICE FIGURAS Figura 1: Vista area de la EDAR QB 21 Figura 2: Diagrama de bloques de la EDAR QB.. 21 Figura 3: Esquema de la campaa de muestreo. 22 Figura 4: Evolucin del caudal de fangos en exceso.. 32 Figura 5: Evolucin de la EF3, EF4 y EF5 32 Figura 6: Evolucin de la CM3 frente a la EF4. 33 Figura 7: Evolucin de la CM......... 34 Figura 8: Representacin del IVF frente al IVF*.. 35 Figura 9: Evolucin del NTLM frente a la Tr 35 Figura 10: Fraccionamiento de la DQO y DBO5 afluente al reactor. 38 Figura 11: Evolucin de las fracciones de la DQO y DBO5 afluente al reactor.. 39 Figura 12: Fraccionamiento del N y P afluente al reactor.. 39 Figura 13: Evolucin de las fracciones del N y P afluente al reactor 40 Figura 14: Evolucin del N-orgs afluente al reactor frente a la Tr... 41 Figura 15: Comparacin entre la relacin DBO5, DBO5f, DQOs y PT, PTs, NT, NTs... 42 Figura 16: Fracciones de la DBO5 y DQO en funcin del rango de SST en el efluente 43 Figura 17: Fraccionamiento de la DQO en el efluente 43 Figura 18: Evolucin del rNKTs frente a la CM3 y DQOs1 47 Figura 19: Evolucin de la concentracin de TA del afluente frente al rNKTs 48 Figura 20: Evolucin de la relacin DBO5/NKT frente a rNKT.. 49 Figura 21: Evolucin de nocardioformes y Microthrix parvicella frente a la Tr.. 55 Figura 22: Evolucin de bacterias del tipo Nostocoida limcola, nocardioformes y Microthrix parvicella frente al NTLM..................................................... 56 8. NDICE v NDICE DE TABLAS Tabla 1: Efecto de la T en el proceso de nitrificacin 14 Tabla 2: T y TRC requerido para la nitrificacin. 15 Tabla 3: El pH y nitrificacin 16 Tabla 4: Influencia del OD en la nitrificacin. 16 Tabla 5: Concentraciones inhibidoras de algunos residuos inorgnicos y orgnicos. 19 Tabla 6: Parmetros fsico-qumicos y biolgicos determinados en el afluente al reactor y efluente decantador secundario.. 23 Tabla 7: Parmetros fsico-qumicos determinados en el licor mezcla 24 Tabla 8: Dimensiones utilizadas de los slidos suspendidos y coloidales.. 24 Tabla 9: Parmetros operacionales 24 Tabla 10: Escala criterio subjetivo de Eikelboom. 26 Tabla 11: Estimacin de la densidad de morfotipos filamentosos 27 Tabla 12: Intervalos de coeficientes de correlacin 29 Tabla 13: Valor medio, mnimo, mximo y desviacin estndar de los parmetros operacionales. 31 Tabla 14: Coeficientes de correlacin entre la EF y CM 33 Tabla 15: Valor medio, mnimo, mximo y desviacin estndar de los parmetros fsico-qumicos del licor mezcla... 34 Tabla 16: Coeficientes de correlacin entre la EF, Tr, SSVLM y NTLM, PTLM y DQOLM.. 36 Tabla 17: Coeficientes de correlacin entre la CM y NTLM, PTLM y DQOLM... 36 Tabla 18: Valor medio, mnimo, mximo y desviacin estndar de los parmetros fsico-qumicos del afluente al reactor 37 Tabla 19: Valor medio, mnimo, mximo y desviacin estndar de los rendimientos de eliminacin y distintos estados del N................... 44 Tabla 20. Coeficientes de correlacin entre la EF y los rendimientos de eliminacin del N y sus diferentes estados en el efluente 45 Tabla 21. Coeficientes de correlacin entre la CM y los rendimientos de eliminacin del N y sus diferentes estados en el efluente 45 9. NDICE vi Tabla 22: Coeficientes de correlacin entre el TRHr, Tr, OD y los rendimientos de eliminacin y diferentes estados del N del efluente.......................... 46 Tabla 23: Coeficientes de correlacin entre los TA, %DQOs y los rendimientos de eliminacin y diferentes estados del N del efluente.......................... 47 Tabla 24: Coeficientes de correlacin entre parmetros fsico-qumicos afluente al reactor y los diferentes rendimientos y estados del N del efluente... 48 Tabla 25: Coeficientes de correlacin entre parmetros fsico-qumicos del licor mezcla y los rendimientos de eliminacin y diferentes estados del N del efluente................................ 50 Tabla 26: Valor promedio deL ndice de filamentos y abundancia de morfotipos dominantes y secundarios.......................... 51 Tabla 27: Coeficientes de correlacin entre la CM y morfotipos filamentosos... 51 Tabla 28: Coeficientes de correlacin entre la EF y morfotipos filamentosos 52 Tabla 29: Coeficientes de correlacin entre el TRHr, OD, Tr y morfotipos filamentosos. 52 Tabla 30: Coeficientes de correlacin entre los diferentes rendimientos y estados del N del efluente y los morfotipos filamentosos. 53 Tabla 31: Coeficientes de correlacin entre los diferentes rendimientos y estados de la DQO, DBO5, SST del efluente y los morfotipos filamentosos. 53 Tabla 32: Coeficientes de correlacin entre los diferentes estados del N, P, TA afluente al reactor y los morfotipos filamentosos............................ 54 Tabla 33: Coeficientes de correlacin entre los parmetros fsico-qumicos del licor mezcla y los morfotipos filamentosos.. 55 Tabla 34: Promedio de la abundancia y valor mximo de protistas y metazoos 57 Tabla 35: Coeficientes de correlacin entre protistas, metazoos y la EF 58 Tabla 36: Coeficientes de correlacin entre protistas, metazoos y la CM... 59 Tabla 37: Coeficientes de correlacin entre protistas, metazoos y el OD, Tr y TRHr.. 60 10. NDICE vii Tabla 38: Coeficientes de correlacin entre protistas, metazoos y los diferentes rendimientos y estados del N del efluente.. 61 Tabla 39: Coeficientes de correlacin entre protistas, metazoos y las distintas fracciones de la DQO y DBO5................................................................ 62 Tabla 40: Coeficientes de correlacin entre parmetros operacionales y concentracin de coliformes fecales, E.coli y sus rendimientos de eliminacin en el efluente.. 62 11. NDICE viii ABREVIATURAS y ACRNIMOS %DQOs1 Porcentaje de la Demanda Qumica de Oxgeno soluble (< 0.45 m) del da anterior al muestreo de LM %DQOs2a Porcentaje de la Demanda Qumica de Oxgeno soluble (< 0.45 m) promedio de los das 2 y 3, anteriores al muestreo de LM %DQOs2b Porcentaje de la Demanda Qumica de Oxgeno soluble (< 0.45 m) promedio de los das 1 y 2, anteriores al muestreo de LM %DQOs3 Porcentaje de la Demanda Qumica de Oxgeno soluble (< 0.45 m) promedio de los 3 das anteriores al muestreo de LM %SSVLM Porcentaje de Slidos en Suspensin Voltiles del Licor Mezcla BOA Bacterias Oxidantes de Amonio AO Anxico-xico AOA Arqueas Oxidantes de Amonio BON Bacterias Oxidantes de Nitrito Cfec Coliformes fecales Cfecexp Exponencial de coliformes fecales CM Carga Msica CMdbo1 Carga msica del da anterior al muestreo de LM expresada como DBO5 CMdbo2a Carga msica promedio de los das 2 y 3, anteriores al muestreo de LM expresada como DBO5 CMdbo2b Carga msica promedio de los das 1 y 2, anteriores al muestreo de LM expresada como DBO5 CMdbo3 Carga msica promedio de los 3 das anteriores al muestreo de LM expresada como DBO5 CMdqos1 Carga msica del da anterior al muestreo de LM expresada como DQOs CMdqos2a Carga msica promedio de los das 2 y 3, anteriores al muestreo de LM expresada como DQOs CMdqos2b Carga msica promedio de los das 1 y 2, anteriores al muestreo de LM expresada como DQOs 12. NDICE ix CMdqos3 Carga msica promedio de los 3 das anteriores al muestreo de LM expresada como DQOs DBO5 Demando Bioqumica de Oxgeno total a los 5 das DBO5f Demando Bioqumica de Oxgeno filtrada (1.2 m) a los 5 das DQO Demanda Qumica de Oxgeno total DQOLM Demanda Qumica de Oxgeno del Licor Mezcla DQOp Demanda Qumica de Oxgeno particulada (>0.45 m) DQOpc Demanda Qumica de Oxgeno particulada coloidal (0.45-1.2 m) DQOps Demanda Qumica de Oxgeno particulada suspendida (>1.2 m) DQOs Demanda Qumica de Oxgeno soluble (< 0.45 m) Ecoli Escherichia coli Ecoliexp Exponencial de Escherichia coli EDAR Estacin Depuradora de Aguas Residuales EF Edad de Fango EPSAR Entidad Publica de Saneamiento de Aguas Residuales de la Comunidad Valenciana FISH Hibridacin in situ con sondas fluorescentes GALO Gordonia Amarae Like Organims IF ndice de Filamentos IVF ndice Volumtrico de Fango IVFD ndice Volumtrico de Fango Diluido LM Licor Mezcla MCRT Tiempo Medio de Retencin Celular NKT Nitrgeno Kjeldhal Total NKTs Nitrgeno Kjeldhal Total soluble (0.45 m) N-orgs Nitrgeno orgnico soluble (2 ppm) y expresados en porcentaje de tiempo (%). En el caso de la EDAR QB los datos correspondieron a medidores en lnea situados en la parte final del reactor biolgico. 4. IDENTIFICACIN Y RECUENTO DE PROTOZOOS Y METAZOOS El anlisis microscpico de las muestras se realiz en un intervalo de tiempo mximo de 24 horas despus de la toma de muestras, utilizando un microscopio de contraste de fases Zeiss (modelo Axiostar). La estimacin de la densidad de protistas y metazoos se llev a cabo por recuento directo de dos alcuotas de 25 L (Madoni, 1988); para el recuento de ciliados ssiles coloniales se realizaron cuatro rplicas adicionales. Su abundancia se expres como ind/mg SSLM para el estudio de asociacin con el resto de variables, a excepcin del estudio con Escherichia coli y coliformes fecales, la cual se expres como ind/mL e ind/mL.h (en funcin del TRHr1). La concentracin de E.coli y coliformes fecales fue expresada, adems de ufc, en una escala ordinal basada en el exponencial de la concentracin (Cfecexp y Ecoliexp). Para la estimacin de la densidad de pequeos flagelados se examinaron dos rplicas, tomando un volumen de 25 L, en la diagonal de la cmara Fuchs Rosenthal (Madoni, 1988). Los organismos fueron identificados en vivo usando las claves de Foissner et al. (1991; 1992; 1994; 1995; 1996), Rodrguez et al., (2008) y Serrano et al., (2008). Cuando fue necesario se utiliz para la identificacin la tcnica de impregnacin argntica (Fernndez-Galiano 1976; 1994) y tincin con Flutax-2 (Arregui et al., 2003). Se consideraron dos grupos de amebas desnudas segn el tamao celular; amebas grandes (>50 m) y pequeas ( 20 fil/floc. Se identific y estim la densidad de morfotipos filamentosos sobre muestras en vivo y fijadas en tinciones de Gram y Neisser, utilizando para ello microscopa de contraste de fases y campo claro (tabla 11). 44. CAPITULO III.- MATERIALES Y MTODOS 27 Tabla 11 Estimacin de la densidad de morfotipos filamentosos. Morfotipos Estimacin de la densidad Beggiatoa Tipo 1863 Tipo 0411 Tipo 1701 Thiothrix Tipo 021N Tipo 0914/0803 Tipo 0041/0675 Haliscomenobacter hydrossis Sobre muestras en vivo. Microscopia de contraste de fases Microthix parvicella Nocardioformes Sobre muestras fijadas en tincin Gram. Microscopa de campo claro Nostocoida limcola Sobre muestras fijadas en tincin Gram y Neisser. Microscopa de campo claro Tipo 0581 Sobre muestras fijadas en tincin Gram. Microscopa de campo claro Tipo 0092 Sobre muestras fijadas en tincin Neisser. Microscopa de campo claro 6. ANLISIS ESTADSTICO Se realiz un resumen donde se tabularon los valores mnimos, mximos, la media y la desviacin estndar de cada una de las variables operacionales, fsico- qumicas y biolgicas. Para evaluar la relacin entre pares de variables se realiz un anlisis bivariante, calculndose los coeficientes de Pearson y Spearman. Previamente se comprob la distribucin de la normalidad de los datos obtenidos de las distintas variables mediante los test de Curtosis y Asimetra. Las variables cuyos datos no siguieron una distribucin normal se transformaron a travs de un clculo logaritmico (variable = Ln [variable + 1]) (Esteban et al., 1991). El tratamiento estadstico se llev a cabo con el programa SPSS versin 18. Coeficiente de correlacin lineal de Pearson. El coeficiente de correlacin de Pearson, calculado en funcin de la varianza y covarianza entre ambas variables corresponde a la vertiente paramtrica de las medidas de asociacin y es calculable siempre que ambas variables se distribuyan normalmente. Este coeficiente se utiliza para variables cuantitativas y es un ndice de la precisin de la dependencia lineal entre variables linealmente relacionadas X e Y. Este coeficiente se calcula con la siguiente frmula: 45. CAPITULO III.- MATERIALES Y MTODOS 28 donde: : media de X. : media de Y. Coeficiente de Correlacin de Spearman El coeficiente de correlacin de Spearman o por rangos, tambin llamado rs, corresponde a la vertiente no paramtrica, y se calcula, como otras pruebas de este tipo, en base a una serie de rangos asignados. Este coeficiente es tambin aplicable cuando se desea evaluar la asociacin entre dos variables ordinales o entre una variable ordinal y otra continua. La metodologa para calcular el coeficiente de Spearman consiste en ordenar todos los casos para cada una de las variables de inters y asignar un rango consecutivo a cada observacin de cada una de las variables por separado. Si la asociacin lineal entre ambas variables fuera perfecta, esperaramos que el rango de la variable X fuera exactamente igual al rango de la variable Y, por lo tanto el coeficiente se calcula en base a las diferencias registradas en los rangos entre ambas variables, esperando que estas diferencias fueran 0. Conforme mayores son las diferencias observadas en las ordenaciones de ambas variables, ms se alejara la relacin de ser perfecta. Para evitar que las diferencias positivas anularan las diferencias negativas y comportaran la toma de decisiones equivocadas, el estadstico se calcula en funcin de la suma de las diferencias elevadas al cuadrado. donde: di: diferencia entre los dos rangos N: nmero de valores de la muestra Ambos coeficientes evalan si existe una relacin lineal, creciente o decreciente, entre ambas variables. Tanto el coeficiente de correlacin de Pearson como el de Spearman nicamente pueden adoptar valores comprendidos entre -1 y 46. CAPITULO III.- MATERIALES Y MTODOS 29 1, identificando el valor de -1 una relacin decreciente perfecta, mientras que por el contrario, el valor 1 identificara una relacin lineal creciente perfecta. Intuitivamente, el coeficiente de correlacin debe examinar la relacin lineal de dos variables por lo que imaginemos que si la relacin es muy evidente, los puntos se separarn muy poco de la lnea de puntos imaginaria y si, por el contrario, la relacin es muy dbil, entonces la nube de puntos se ensanchar tanto que ser imposible extraer conclusiones sobre algn tipo de relacin. Como se ha indicado, el coeficiente de correlacin es un valor comprendido entre -1 y 1. Aunque no existen valores estandarizados, a ttulo indicativo se presenta la interpretacin de sus valores por intervalos (tabla 12). Tabla 12 - Intervalos de coeficientes de correlacin. Coeficiente Interpretacin 0 Relacin nula 0 0.2 Relacin muy baja 0.2 0.4 Relacin baja 0.4 0-6 Relacin moderada 0.6 0.8 Relacin alta 0.8 - 1 Relacin muy alta 1 Relacin perfecta La prueba de significacin asociada a ambos coeficientes, nicamente prueba la hiptesis nula de que el coeficiente pueda ser igual a 0, es decir, que no exista ninguna relacin lineal entre ambas variables. El nivel de significacin p representa pues la probabilidad de error que se comete al aceptar el resultado observado como vlido. Cuanto mayor sea este nivel de significacin mayor error se comete al aceptar que las correlaciones observadas entre las variables de la muestra son indicadoras de la relacin entre las respectivas variables de la poblacin. Es decir, si p 0.05 existe una probabilidad del 5 % de que la relacin observada entre las variables en la muestra estudiada sea casualidad. El nivel de significacin 0.05 se considera un nivel de error aceptable en muchas reas de estudio. En el presente estudio se ha tenido en cuenta adems el nivel 0.01. Para una mejor visualizacin de los datos, se omitieron en las tablas de resultados aquellos coeficientes que no mostraron al menos alguno de los niveles de significacin indicados. Por ltimo, es importante tener presente cual es la verdadera interpretacin de estos coeficientes y qu es exactamente lo que estamos probando al realizar la 47. CAPITULO III.- MATERIALES Y MTODOS 30 prueba estadstica, dado que aunque en estos casos se rechace la hiptesis nula y no se pueda demostrar que existe una relacin lineal entre ambas variables, s que es posible que exista otro tipo de relacin (polinmica, logartmica, entre otras), mesurable con otras tcnicas que requieren de transformaciones y modelos ms complejos. 48. RESULTADOS 49. CAPITULO IV- RESULTADOS 31 CAPTULO IV.- RESULTADOS Los resultados presentados a continuacin corresponden a un anlisis preliminar de los datos obtenidos, quincenalmente durante un ao (n=25), en la EDAR QB. En el anlisis bivariante se estudi el grado de relacin entre pares de variables dentro de la matriz de datos, teniendo presente que cada una de ellas pueden estar relacionadas entre si directamente o indirectamente por variaciones de otras variables. 1. PARMETROS OPERACIONALES Los valores medios, mnimos, mximos y desviacin estndar de cada uno de los parmetros operacionales y fsico-qumicos utilizados en el estudio se muestran en la tabla 13. Tabla 13 Valor medio, mnimo, mximo y desviacin estndar de los parmetros operacionales. Variable Media Mnimo.-mximo D. estndar CM1 (Kg DBO5/kg SSVLM.d) 0.25 0.09-0.85 0.16 CM2a (Kg DBO5/kg SSVLM.d) 0.23 0.10-0.64 0.12 CM2b (Kg DBO5/kg SSVLM.d) 0.18 0.08-0.33 0.07 CM3 (Kg DBO5/kg SSVLM.d) 0.20 0.08-0.47 0.09 CM1 (Kg DQOs/kg SSVLM.d) 0.23 0.10-0.92 0.17 CM2a (Kg DQOs/kg SSVLM.d) 0.21 0.09-0.69 0.12 CM2b (Kg DQOs/kg SSVLM.d) 0.16 0.06-0.29 0.06 CM3 (Kg DQOs/kg SSVLM.d) 0.18 0.10-0.49 0.09 EF1 (das) 39.9 3.-785 155 EF2 (das) 11.9 2.9-52 10.3 EF3 (das) 12 3.5-36 7.2 EF4 (das) 11 4.6-28 5.7 EF5 (das) 10.8 5.1-32 6.1 EF6 (das) 10.8 5.3-31 6.1 EF7 (das) 10.8 5.2-29 5.7 TRHr1 (h) 14.3 8.7-25 3.3 TRHr2a (h) 15.4 10.7-23.6 2.6 TRHr2b (h) 18.4 14.8-24.4 2.3 TRHr3 (h) 17 13.5-22 2 ODb (%) 33 5-69 18 ODm (%) 62 12-95 19 ODa (%) 5 0-40 10 La mayor parte de valores del caudal de fangos en exceso de los siete das previos a cada uno de los muestreos del licor mezcla (da 4) se situaron entre 1000 - 50. CAPITULO IV- RESULTADOS 32 2500 m3 /d, observndose das por debajo de 1000 m3 /d (figura 4), que fueron los que originaron valores mximos elevados en la EF1 y EF2 (tabla 13). QB 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 1 10 19 28 37 46 55 64 73 82 91 100 109 118 127 136 145 154 163 172 181 190 199 das Q.fangosexceso(m3/d) Fig. 4 Evolucin del caudal de fangos en exceso. La evolucin de la EF3, EF4 y EF5 (figura 5) present muestreos con valores altos en la EF4 (8, 10, 21, 24), debido al incremento de das prximos sin purga de fangos en exceso. 0 5 10 15 20 25 30 35 40 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 Muestreos EdaddeFango(das) EF3 EF4 EF5 Fig. 5 Evolucin de la EF3, EF4 y EF5. La EF4 fue la expresin de la EF a partir de la cual comenz a estabilizarse la desviacin estndar (tabla 13). La CM3 y la EF4 siguieron una evolucin inversa proporcional hasta el muestreo 6 (figura 6). A partir de este se observaron valores que aumentaron o disminuyeron simultneamente, adems de observarse una falta de proporcionalidad entre ambos parmetros (muestreos 5 y 11, 12 y 13). 51. CAPITULO IV- RESULTADOS 33 0 5 10 15 20 25 30 35 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 Muestreos EF4(das) -0,1 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 CM3 (kgDBO5/KgSSVLM.d) EF4 CM3 Fig. 6 Evolucin de la CM3 frente a la EF4. El nmero de coeficientes significativos entre la EF y CM, expresada esta ltima en funcin de la DBO5 y DQO soluble (DQOs), aumenta al incrementarse el nmero de das para el clculo de la EF; siendo la EF4, EF5, EF6, EF7 las expresiones que presentaron coeficientes de correlacin ms altos y significativos (tabla 14). La expresin de la CM como DBO5 obtuvo coeficientes ligeramente superiores que la expresada como DQOs. Tabla 14 Coeficientes de correlacin entre las diferentes formas de expresin de la EF y CM. EF1 EF2 EF3 EF4 EF5 EF6 EF7 CMdbo1 C. P -0.40* -0.44* -0.50* -0.56** -0.55** -0.57** C. S -0.52** -0.60** -0.56** -0.64** -0.72** -0.76** -0.79** CMdbo2a C. P -0.43* -0.45* -0.51** -0.57** -0.56** -0.57** C. S -0.54** -0.62** -0.56** -0.63** -0.69** -0.73** -0.75** CMdbo2b C. P -0.42* -0.47* -0.54** -0.53** -0.55** C. S -0.41* -0.52** -0.43* -0.53** -0.62** -0.64** -0.67** CMdbo3 C. P -0.40* -0.44* -0.51** -0.57** -0.57** -0.59** C. S -0.51* -0.58** -0.52** -0.61** -0.68** -0.71** -0.63** CMdqo1 C. P -0.45* -0.51* -0.49* -0.51* C. S -0.49* -0.53** -0.46* -0.56** -0.60** -0.67** -0.70** CMdqo2a C. P -0.46* -0.50* -0.49* -0.50* C. S -0.53** -0.56** -0.46* -0.55** -0.59** -0.64** -0.66** CMdqo2b C. P -0.43* -0.49* -0.48* -0.49* C. S -0.46* -0.50* -0.42* -0.51** -0.58** -0.58** -0.60** CMdqo3 C. P -0.40* -0.48* -0.53** -0.52** -0.53** C. S -0.52** -0.57** -0.49* -0.59** -0.64** -0.67** -0.69** Nivel de significacin: ** p < 0.01, * p < 0.05 52. CAPITULO IV- RESULTADOS 34 La CM, expresada como DBO5, de los siete das anteriores al muestreo del licor mezcla (da 4) se mantuvo generalmente constante dentro del intervalo 0.1-0.3 Kg DBO5/Kg SSVLM.d (figura 7), por esta razn probablemente no se observaron diferencias significativas entre los coeficientes de las distintas expresiones (CM1, CM2a, CM2b y CM3) (tabla 14). 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 10 19 28 37 46 55 64 73 82 91 100 109 118 127 136 145 154 163 172 181 190 199 das CM(KgDBO5/KgSSVLM.d) Fig. 7 Evolucin de la CM. 2. PARMETROS FSICO-QUMICOS. 2.1. Licor mezcla. Los valores del IVF, donde no se practic ninguna dilucin sobre la V30 (n=0), mostraron diferencias significativas con el IVF*, donde se diluy la muestra cuando fue necesario (n=1,2) (tabla 15). Tabla 15 Valor medio, mnimo, mximo y desviacin estndar de los parmetros fsico-qumicos del licor mezcla. Parmetro Media Mnimo.-mximo D. estndar pHLM (ud.) 7.44 7.05-7.79 0.18 CondLM(S/cm) 2042 1330-2740 425 Tr (C) 21 14-29 4 SSLM (mg/L) 2460 1790-3120 386 SSVLM (%) 79 68-87 4 V30 (n=0) (mL/L) 339 140-720 160 IVF (n=0) (mL/g) 136 59-245 49 IVF* (n=0,1,2) (mL/g) 119 59-167 27 NTLM (mg/g SSVLM) 71 41-108 21 PTLM (mg/g SSVLM) 29 19-40 5 DQOLM (g/g SSVLM) 1.42 1.25-1.63 0.10 53. CAPITULO IV- RESULTADOS 35 En ocho muestreos del total del periodo de estudio se hizo necesario practicar una dilucin sobre el licor mezcla. Especialmente en los muestreos 10, 12, 13 y 14 se observaron diferencias significativas entre el IVF y el IVF* (figura8). 0 50 100 150 200 250 300 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 Muestreos IVF(mL/g) IVF (n=0) IVF* Fig. 8 Representacin del IVF frente a IVF*. El contenido en nitrgeno del licor mezcla (NTLM) present una evolucin inversa frente a la T del reactor (Tr) (figura 9), producindose una disminucin significativa del contenido en NTLM a partir de 20-22 C. Esta tendencia tambin pudo observarse a partir del coeficiente de correlacin negativo moderado que presentaron ambas variables (tabla 16). QB 20 50 80 110 140 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 Muestreos NTLM (mg/gSSVLM) 10 20 30 Tr(C) NTLM Tr Fig. 9 Evolucin del NTLM frente a la Tr. Los coeficientes de correlacin entre las distintas expresiones de la EF y NTLM, fsforo total del licor mezcla (PTLM) y demanda qumica de oxgeno del licor mezcla (DQOLM) se muestran en la tabla 16. En general, se observaron coeficientes de 54. CAPITULO IV- RESULTADOS 36 correlacin negativos moderados-altos entre la EF y el NTLM y DQOLM. El porcentaje de la fraccin voltil (%SSVLM) mostr una correlacin positiva con el NTLM, mientras que no se obtuvo ningn coeficiente de correlacin significativo entre la EF y PTLM. Aunque en la tabla no se muestra, el NTLM y la DQOLM se correlacionaron entre si con un coeficiente de Pearson de 0.65**. La EF4, EF5, EF6 y EF7 fueron las expresiones que presentaron una asociacin ms significativa. Tabla 16 Coeficientes de correlacin entre la EF, Tr, SSVLM y NTLM, PTLM y DQOLM. EF1 EF2 EF3 EF4 EF5 EF6 EF7 Tr %SSVLM NTLM C. P -0.40* -0.62** -0.64** -0.70** -0.71** -0.73** -0.74** -0.41* C. S -0.48* -0.68** -0.65** -0.75** -0.78** -0.81** -0.81** -0.49* 0.44* PTLM C. P -0.65** C. S -0.63** DQOLM C. P -0.43* -0.46* -0.52** -0.56** -0.56** -0.61** -0.44* C. S -0.42* -0.52** -0.58** -0.66** -0.70** -0.45* Nivel de significacin: ** p < 0.01, * p < 0.05 Las diferentes expresiones de la CM presentaron una correlacin positiva moderada con el NTLM y DQOLM (tabla 17). Por el contrario, el PTLM present una correlacin negativa moderada con la CM. En general, la expresin de esta ltima como DB05 present valores ligeramente superiores que las expresadas como DQOs. Tabla 17 Coeficientes de correlacin entre la CM y NTLM, PTLM y DQOLM. CM1 (DBO5) CM2A (DBO5 ) CM2B (DBO5 ) CM3 (DBO5 ) CM1 (DQOs) CM2A (DQOs) CM2B (DQOs) CM3 (DQOs) NTLM C. P 0.54** 0.56** 0.65** 0.62** 0.46* 0.47* 0.54** 0.54** C. S 0.69** 0.64** 0.62** 0.68** 0.61** 0.56** 0.53** 0.64** PTLM C. P -0.54** -0.49* -0.46* -0.57** -0.50* -0.47* C. S -0.44* DQOLM C. P 0.49* 0.53** 0.59** 0.56** 0.48* 0.54** 0.50** 0.56** C. S 0.59** 0.61** 0.63** 0.62** 0.67** 0.60** 0.55** 0.64** Nivel de significacin: ** p < 0.01, * p < 0.05 2.2. Afluente Los valores medios, mnimos, mximos y desviacin estndar de los parmetros fsico-qumicos del afluente se muestran en la tabla 18. En general se observaron valores medios de materia orgnica y nutrientes. Destacar la baja desviacin estndar observada en el pH, SST, SSTV y DQO/DBO5. Los vertidos 55. CAPITULO IV- RESULTADOS 37 recibidos en la EDAR ocasionaron valores mximos elevados de DQO, DBO5 y tensioactivos aninicos (TA). Tabla 18 Valor medio, mnimo, mximo y desviacin estndar de los parmetros fsico-qumicos del afluente al reactor. Parametros Media Mnimo-Mximo Desviacin estndar pH (ud.) 7.82 8.59-7.08 0.14 Conductividad (Sm/cm) 2420 1920-3060 345 SST (mg/L) 119 68-202 34 SSTV (%) 83 64-97 7 DQO (mg O2 /L) 418 204-804 162 DQOs (mg O2/L) 221 90-496 109 DQOps (mg O2/L) 163 90-292 64 DQOpc (mg O2/L) 33 4-86 19 mg DQOps/mg SST 1.36 0.88-1.71 0.23 mg DQOps/mg SSTV 1.65 1.02-2.32 0.36 DQOs1 (%) 52 42-75 8 DQOs2a (%) 51 43-70 6 DQOs2b (%) 47 28-63 6 DQOs3 (%) 49 37-61 5 DBO5 (mg O2 /L) 245 90-480 113 DBO5 f (mg O2/L) 137 50-390 88 DBO5p (mg O2/L) 85 40-170 36 mg DBO5p/mg SST 0.79 0.54-1.43 0.22 mg DBO5p/mg SSTV 0.98 0.59-1.85 0.32 DQO/DBO 1.75 1.43-2.33 0.20 DB05/NKT 4.5 2.7-7.9 1.1 DB05f/NKTs 3.3 1.9-8.0 1.4 DQOs/NKTs 4.9 2.9-10.1 1.5 NKT (mg/L) 53.6 31.5-83.5 17 NKTs (mg/L) 45.4 24-72 15.7 N-NH4 + (mg/L) 40.3 24-62.2 12.1 N-orgs (mg/L) 6 0-13.7 3.9 N-orgp (mg/L) 8.4 0.5-15 3.2 PT (mg/L) 5.24 3.10-9.70 1.96 PTs (mg/L) 2.84 1-5.50 1.31 P-PO4 3- (mg/L) 2.52 1-4.80 1.22 P-orgs (mg/L) 0.29 0-1.1 0.22 P-orgp (mg/L) 2.41 0.50-4.30 0.89 T. aninicos (mg/L) 3.27 1.23-7.50 1.82 Nquel (mg/L) 0.13