tratamientos y depuración de las aguas residuales - metcalf eddy - cap 7
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Capítulo 7 del libro "Tratamientos y Depuración de Las Aguas Residuales" de Metcalf Eddy.Está referido a las Características de las aguas residuales.TRANSCRIPT
2~6 TRATAMIENTO Y DEPURACIÓN DE LAS AGUAS RESIDUALES
13, Stepanoff, A. J.: Elements of Graphical Solution of Water-Hammer Problems in Centrifuga! Pump Systems, Transactions ASME, vol. 71, 1949.
14. Stratton, C. H.: Raw Sewage Pumps, Sewage and Industrial Wastes, vol. 26, no. 12, 1954.
JS. Streeter, V. L., andE. B. Wylie: Hydraulic Transients, McGraw-Hill, New York, 1967.
16. Water Pollution Control Federation: Plant Pwnping Stations, chap. 3, Sewago Treatment Plant Design, WPCF Manual of Practice no. 8, Washington, D.C., 1959.
7 Características de las aguas residuales
El entendimiento de la naturaleza de las características físicas, químicas y biológicas de las aguas residuales es esencial para el proyecto y funcionamiento de las instalaciones para su recogida, tratamiento y evacuación y para la técnica de la gestión de la calidad ambiental. La aplicación de lo tratado en este capítulo en lo que se refiere al proyecto de instalaciones de tratamiento y evacuación se verá en los capítulos 11 a 14. La aplicación a la gestión de la calidad del medio ambiente se discutirá en el capí- · tulo 15.
7 .l. ANALISIS DE AGUAS RESIDUALES
Los análisis realizados con aguas residuales pueden clasii\carse en físicos, químicos y biológicos. Los principales parámetros utilizados para caracterizar un agua residual se citan en la tabla 7.1. Estos análisis varían desde precisas determinaciones químicas cuantitativas hasta determinaciones cualitativas biológicas y físicas. Además, muchos de los parámetros están interrelacionados entre sí. Por ejemplo, la temperatura, un parámetro físico, afecta tanto a la actividad biológica del agua residual como a las cantidades de g?.ses disueltos en ella, los cuales están clasificados como parámetros químicos. La tabla 7.1 presenta las definiciones, explicaciones y aplicaciones de los parámetros, incluyéndolas dentro de las secciones que se refieren a las características físicas, químicas y biológicas del agua residual.
Al discutir los distintos parámetros que figuran en la tabla 7.1, no 1
se dan detalles respecto al método exacto de análisis. Estos pueden encontrarse en los Standard Methods,l9 conocida y aceptada bibliografía que trata de la forma de llevar a cabo análisis los del agua potable y residhal.
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238 TRATANUENTO Y DEPURACIÓN DE LAS AGUAS RESIDUALES
Tabla 7 .1. Caracterfsticas f/sicas, qufmicas y _biológicas del agua residual
Parámetro
Sólidos Temperatura Color Olor
Orgánico: Proteínas Carbohidratos Grasas animales,
aceites y grasas minerales
Agentes tensoactivos Fenoles Pesticidas
Inorgánico: pH Cloruros
Alcalinidad
Nitrógeno Fósforo Azufre Compuestos tóxicos Metales pesados
Gases: Oxígeno
Sulfuro de hidrógeno Metano
Protistas Virus Plantas Animales
Origen
Flsicas
Suministro de agua, • residuos industriales y domésticos Residuos industriales y domésticos Residuos industriales y domésticos Agua residual en descomposición, residuos industriales
Químicas
Residuos comerciales y domésticos Residuos comerciales y domésticos
Residuos industriales, comerciales y domésticos Residuos industriales y domésticos Residuos industriales Residuos agrícolas
Residuos industriales Suministro de agua doméstica, residuos industria les, infil
tración de aguas subterráneas Residuos domésticos, suministro de agua doméstica, infil -
tración de agua subterránea Residuos agrícolas y domésticos Residuos industriales y domésticos, derrame natural Suministro de agua doméstica y residuos industriales Residuos industriales, infiltración de agua subterránea Residuos industriales
Suministro de agua doméstica, infiltración de agua de superficie
Descomposición de aguas domésticas Descomposición de aguas d·omésticas
Biológicas
Residuos domésticos, plantas de tratamiento Residuos domésticos Corrientes de agua al descubierto y plantas de tratamiento Corrientes de agua al descubierto y plantas de tratamiento
• Se refiere al suministro doméstico.
CARACTERÍSTICAS DE LAS AGUAS RESIDUALES 239
El libro Analysis of Water and Sewage23, aunque se trata de una obra antigua de consulta, es todavía útil. Como referencia general, se recomienda Chemistry for Sanitary Engineers.15 Aquatic Chemistry21 es un libro de texto avanzado que puede consultarse para problemas químicos de equilibrio, especialmente en lo que se refiere a aguas naturales. Para detalles relativos a la biología y microbiología de los distintos microorganismos que se encuentran en el agua y aguas residuales se recomiendan el texto The Microbial World,20 el libro de consulta Fresh Water Biology,27
y el trabajo A Treatise on Limnology.5 A lo largo de todo este capitulo se da bibliografía específica.
7 .l. l. Expresión de los resultados analíticos
Los resultados analíticos de las muestras de agua residual se expresan por medio de unidades de medida físicas y quimicas. Las unidades más corrientes se relacionan en la tabla 7.2. Los parámetros quimicos se expresan generalmente por medio de la unidad física miligramos por litro (mg/l). Para los sistemas diluidos en los que un litro pesa'un kilogramo, tales como los constituidos por las aguas naturales y residuales, la unidad miligramo por litro es intercambiable con partes por millón (ppm), que es la relación de peso a peso.
Se considera que los gases disueltos son constituyentes químicos y se miden miligramos por litro. Los gases desprendidos como subproducto del tratamiento de las aguas residuales, tales como el metano y el nitrógeno (descomposición anaerobia), se miden en litros y metros cúbicos. Los resultados de los ensayos y parámetros tales como temperatura, olor, hidrogeniones y organismos biológicos se expresan en unidades drferentes a miligramo por litro, tal como se explica en las secciones que se refieren a parámetros específicos.
7.1.2. Composición ~
La composición se refiere a los constituyentes físicos, químicos y biológicos que se encuentran en el agua residual. Según la cantidad de estos componentes, el agua residual se clasifica como fuerte, media o débil. La tabla 7.3 muestra datos típicos de la concentración y composición del agua residual doméstica. Dado que tanto la concentración como la composición varían con la hora del día, dia de la semana, mes del año y también con otras condiciones locales, sólo se pretende que los datos de la tabla 7.3 sirvan como orientación y no como una base para un proyecto.
238 TRATANUENTO Y DEPURACIÓN DE LAS AGUAS RESIDUALES
Tabla 7 .1. Caracterfsticas f/sicas, qufmicas y _biológicas del agua residual
Parámetro
Sólidos Temperatura Color Olor
Orgánico: Proteínas Carbohidratos Grasas animales,
aceites y grasas minerales
Agentes tensoactivos Fenoles Pesticidas
Inorgánico: pH Cloruros
Alcalinidad
Nitrógeno Fósforo Azufre Compuestos tóxicos Metales pesados
Gases: Oxígeno
Sulfuro de hidrógeno Metano
Protistas Virus Plantas Animales
Origen
Flsicas
Suministro de agua, • residuos industriales y domésticos Residuos industriales y domésticos Residuos industriales y domésticos Agua residual en descomposición, residuos industriales
Químicas
Residuos comerciales y domésticos Residuos comerciales y domésticos
Residuos industriales, comerciales y domésticos Residuos industriales y domésticos Residuos industriales Residuos agrícolas
Residuos industriales Suministro de agua doméstica, residuos industria les, infil
tración de aguas subterráneas Residuos domésticos, suministro de agua doméstica, infil -
tración de agua subterránea Residuos agrícolas y domésticos Residuos industriales y domésticos, derrame natural Suministro de agua doméstica y residuos industriales Residuos industriales, infiltración de agua subterránea Residuos industriales
Suministro de agua doméstica, infiltración de agua de superficie
Descomposición de aguas domésticas Descomposición de aguas d·omésticas
Biológicas
Residuos domésticos, plantas de tratamiento Residuos domésticos Corrientes de agua al descubierto y plantas de tratamiento Corrientes de agua al descubierto y plantas de tratamiento
• Se refiere al suministro doméstico.
CARACTERÍSTICAS DE LAS AGUAS RESIDUALES 239
El libro Analysis of Water and Sewage23, aunque se trata de una obra antigua de consulta, es todavía útil. Como referencia general, se recomienda Chemistry for Sanitary Engineers.15 Aquatic Chemistry21 es un libro de texto avanzado que puede consultarse para problemas químicos de equilibrio, especialmente en lo que se refiere a aguas naturales. Para detalles relativos a la biología y microbiología de los distintos microorganismos que se encuentran en el agua y aguas residuales se recomiendan el texto The Microbial World,20 el libro de consulta Fresh Water Biology,27
y el trabajo A Treatise on Limnology.5 A lo largo de todo este capitulo se da bibliografía específica.
7 .l. l. Expresión de los resultados analíticos
Los resultados analíticos de las muestras de agua residual se expresan por medio de unidades de medida físicas y quimicas. Las unidades más corrientes se relacionan en la tabla 7.2. Los parámetros quimicos se expresan generalmente por medio de la unidad física miligramos por litro (mg/l). Para los sistemas diluidos en los que un litro pesa'un kilogramo, tales como los constituidos por las aguas naturales y residuales, la unidad miligramo por litro es intercambiable con partes por millón (ppm), que es la relación de peso a peso.
Se considera que los gases disueltos son constituyentes químicos y se miden miligramos por litro. Los gases desprendidos como subproducto del tratamiento de las aguas residuales, tales como el metano y el nitrógeno (descomposición anaerobia), se miden en litros y metros cúbicos. Los resultados de los ensayos y parámetros tales como temperatura, olor, hidrogeniones y organismos biológicos se expresan en unidades drferentes a miligramo por litro, tal como se explica en las secciones que se refieren a parámetros específicos.
7.1.2. Composición ~
La composición se refiere a los constituyentes físicos, químicos y biológicos que se encuentran en el agua residual. Según la cantidad de estos componentes, el agua residual se clasifica como fuerte, media o débil. La tabla 7.3 muestra datos típicos de la concentración y composición del agua residual doméstica. Dado que tanto la concentración como la composición varían con la hora del día, dia de la semana, mes del año y también con otras condiciones locales, sólo se pretende que los datos de la tabla 7.3 sirvan como orientación y no como una base para un proyecto.
240 TRATAMIENTO Y DEPURACIÓN DE LAS AGUAS RESIDUALES
Tabla 7.2. Métodos para expresar los resultados analfticos
Base Aplicación
Flsicos
Peso por unidad de volumen miligramos
litro de solución
Relación de peso
Relación de volumen
Densidad (sistema cgs)
Peso porcentual
Volumen porcentual
Molaridad
Mofalidad
Normalidad
gramos
litro de solución
1 06 miligramo
miligramo
mililitros
lirro
masa de solución
unidad de volumen
Peso de so luto x 1 00
peso combinado de soluto + disolvente
volumen de so luto x 1 00 volumen total de solución
O u/micos
moles de soluto
litro de solución
milimoles de soluto litro de solución
moles de soluto
1000 g de disolvente
equivalentes de soluto
litro de solución
miliequivalentes de soluto
litro de solución
Unidad
mg/1
g/1
mpp
ml/1
gfml
% (en peso)
% (en vol.)
moles/litro
milimoles/1
moles/kg
equiv /litro
meq/1
De igual importancia que los datos de composiCion y concentración son los datos sobre el incremento de mineralización resultante del uso del agua y su variación dentro de un sistema de alcantarillado. Est0/1 datos son de .gran importancia al valorar el potencial de ventilización del agua residual. El incremento de sales minerales se produce por el uso doméstico, por la adición de agua muy mineralizada procedente de pozoa privados y aguas subterráneas, y por el uso industrial. Los ablandadore1
CARACTERÍSTICAS DE LAS AGUAS RESIDUALES 241
Tabla 7.3 Composición tlpica de agua residual doméstica.
(Todos los . valores excepto los sólidos sedimentables se expresan en mg/1)
Constituyente
Sólidos, en tota l Disueltos, en total
Fijos Volátiles
Suspendidos, en total Fijos Volátiles
Sólidos sedimentables (ml/1) Demanda bioqufmica de oxfgeno, 5 dfas 20 oc
(0805 ·20°) Carbono orgánico total (COT) Demanda qufmica de oxfgeno (DQO) Nitrógeno (total como N)
Orgánico Amoniaco libre Nitritos Nitratos
Fósforo (total como P) Orgánico Inorgánico
Cloruros• Alcalinidad (como CaC03) •
Grasa
Concentración
Fuerte Medía
1200 700 850 500 525 300 325 200 350 200
75 50 275 150
20 10
300 200 300 200
1000 500 85 40 35 15 50 25 o o o o
20 10 5 3
15 7 100 50 200 100 150 100
• Los valores se aumentarán con la cantidad presente en el agua de suministro.
Débil
350 250 145 105 100 30 70
5
100 100 250
20 8
12 o o 6 2 4
30 50 50
de agua domésticos e industriales también contribuyen al citado incremento de mineralización; incluso, en algunos lugares, pueden constituir la principal fuente. En ocasiones, la adición de agua de pozos privados y la infiltración de aguas subterráneas servirá, debido a S\! alta calidad, para diluir la concentración mineral en las aguas residuales.
Los datos sobre la composición química de un agua de abastecimiento típica del efluente de agua residual resultante se ofrecen en la tabla 7.4. En este caso, el efecto de la utilización de agua de pozos locales y del uso intensivo de ablandadores sobre el incremento de mineralización total pueden estimarse comparando los valores locales del incremento indicados en la columna 2, con los valores medios nacionales dados en la columna 3.
16. Metcalf-Bddy.
240 TRATAMIENTO Y DEPURACIÓN DE LAS AGUAS RESIDUALES
Tabla 7.2. Métodos para expresar los resultados analfticos
Base Aplicación
Flsicos
Peso por unidad de volumen miligramos
litro de solución
Relación de peso
Relación de volumen
Densidad (sistema cgs)
Peso porcentual
Volumen porcentual
Molaridad
Mofalidad
Normalidad
gramos
litro de solución
1 06 miligramo
miligramo
mililitros
lirro
masa de solución
unidad de volumen
Peso de so luto x 1 00
peso combinado de soluto + disolvente
volumen de so luto x 1 00 volumen total de solución
O u/micos
moles de soluto
litro de solución
milimoles de soluto litro de solución
moles de soluto
1000 g de disolvente
equivalentes de soluto
litro de solución
miliequivalentes de soluto
litro de solución
Unidad
mg/1
g/1
mpp
ml/1
gfml
% (en peso)
% (en vol.)
moles/litro
milimoles/1
moles/kg
equiv /litro
meq/1
De igual importancia que los datos de composiCion y concentración son los datos sobre el incremento de mineralización resultante del uso del agua y su variación dentro de un sistema de alcantarillado. Est0/1 datos son de .gran importancia al valorar el potencial de ventilización del agua residual. El incremento de sales minerales se produce por el uso doméstico, por la adición de agua muy mineralizada procedente de pozoa privados y aguas subterráneas, y por el uso industrial. Los ablandadore1
CARACTERÍSTICAS DE LAS AGUAS RESIDUALES 241
Tabla 7.3 Composición tlpica de agua residual doméstica.
(Todos los . valores excepto los sólidos sedimentables se expresan en mg/1)
Constituyente
Sólidos, en tota l Disueltos, en total
Fijos Volátiles
Suspendidos, en total Fijos Volátiles
Sólidos sedimentables (ml/1) Demanda bioqufmica de oxfgeno, 5 dfas 20 oc
(0805 ·20°) Carbono orgánico total (COT) Demanda qufmica de oxfgeno (DQO) Nitrógeno (total como N)
Orgánico Amoniaco libre Nitritos Nitratos
Fósforo (total como P) Orgánico Inorgánico
Cloruros• Alcalinidad (como CaC03) •
Grasa
Concentración
Fuerte Medía
1200 700 850 500 525 300 325 200 350 200
75 50 275 150
20 10
300 200 300 200
1000 500 85 40 35 15 50 25 o o o o
20 10 5 3
15 7 100 50 200 100 150 100
• Los valores se aumentarán con la cantidad presente en el agua de suministro.
Débil
350 250 145 105 100 30 70
5
100 100 250
20 8
12 o o 6 2 4
30 50 50
de agua domésticos e industriales también contribuyen al citado incremento de mineralización; incluso, en algunos lugares, pueden constituir la principal fuente. En ocasiones, la adición de agua de pozos privados y la infiltración de aguas subterráneas servirá, debido a S\! alta calidad, para diluir la concentración mineral en las aguas residuales.
Los datos sobre la composición química de un agua de abastecimiento típica del efluente de agua residual resultante se ofrecen en la tabla 7.4. En este caso, el efecto de la utilización de agua de pozos locales y del uso intensivo de ablandadores sobre el incremento de mineralización total pueden estimarse comparando los valores locales del incremento indicados en la columna 2, con los valores medios nacionales dados en la columna 3.
16. Metcalf-Bddy.
242 TRATAMIENTO Y DEPURACIÓN DE LAS AGUAS RESIDUALES
Tabla 7.4. Incremento de mineralización por el uso de agua doméstica 22
Concentración, mg/litro
Agua de Efluente de Intervalo de Componente Palo Altoa Palo Alto~> aumento•
Aniones:
Carbonato (C09 - ) 2,4 0,0 Bicarbonato (HC03- ) 45,0 251,0 Cloruro (CI-) 3,5 215,04 20-50 Sulfato (SO~-) 5,8 47,5" 15-30 Nitrato (N03-) 1,1 18,4 20-40/ Fosfato (P01'"' ) 0,0 21,4 20-40
Cationes: Sodio (Na-t ) 0,5 155,0• 40-70 Potasio (K+) 0,8 8,8 7-15 Calcio (Ca++) 10,4 49,6" 15-40U M agnesio (Mg++) 9,8 32,611 15-40U
Otros datos:
Sllice (Si02 ) 5,8 14,5 Fluoruro (F- ) 0,8 3,8 Manganeso (Mn) 0,0 0,0 Hierro (Fe) 0,0 < 0,1 Aluminio (Al) 0,1 < 3,0 Boro (B) 0,1 0,93 O, 1 -0,4 Sólidos disueltos totales (SDT) 63,8 693,0 100-300 Alcalinidad total (CaC03) 39,0 206,0 100-150
o Proporcionados por la ciudad de San Francisco de su manantial Hetch Hetchy en la Sierra. b Efluente da la planta da tratamiento da agua residual de Palo Alto, California. e Intervalo madio nacional, incremento de mineralización por el uso doméstico. d 15% aproximadamente de agua de pozo local utilizada junto con el o gua de Hetch Hetchy. e Elevado debido a uso do ablandadores de agua. 1 Nitrógeno total como N.
g Contado como caco •.
7.1.3. Variaciones de caudal e intensidad de agua residual
La variación de los caudales de agua residual en una planta de tratamiento se produce según una modulación diaria, como la de la figura 7.1. Los caudales mínimos tienen lugar durante las primeras horas de la mañana cuando es menor el consumo de agua y el caudal se compone esencialmente de escapes, infiltraciones y pequeñas cantidades de aguas residuales propiamente dichas. Los caudales punta se presentan por lo general a última hora de la mañana cuando el agua residual resultante de la punta de demanda de agua de la mañana llega a la planta de tratamiento.
CARACTERÍSTICAS DE LAS AGUAS RESIDUALES 243
Por lo general, un segundo caudal punta ocurre en las últimas horas de la tarde. Cuando las tasas de infiltración son altas o existen conexiones de drenajes a la red del alcantarillado, el régimen de lluvias puede tener un pronunciado efecto sobre el caudal de aguas residuales.
La variación de la intensidad del agua residual se muestra igualmente en la figura 7.1. La variación de la demanda bioquímica de oxígeno (DBO) sigue la variación del caudal, excepto la concentración máxima de DBO (materia orgánica) que tiene lugar al atardecer alrededor de las nueve.
El agua residual de los sistemas de alcantarillado unitarios contiene más materia orgánica que el de los sistemas separativos debido a las aguas pluviales que entran al sistema. Los caudales punta y la relación del caudal punta con el caudal medio son mayores que en los sistemas separativos. Cuando comienza una tormenta, la acción de arrastre producida por el agua de lluvia puede aumentar la intensidad del agua residual muy por encima de la normal, tanto en lo que se refiere a Ja DBO como a los sólidos en suspensión.
40
~ 35 'a E 30
.,. o 300 'O -o ~ 'i5 25 e Q) Q) -o a. (/) 20 (/) :::> 200 .2! (/)
'ª (/)
o 15 }? (ij :0 -o (/) 10 :::> >. 100 "' ü o ca 5 o
o o 12 N. 8 P.M. 12N.
Hora del día
F ig. 7.1. Variación típica horaria del caudal e intensidad del agua residual doméstica
7.2 CARACTERíSTICAS FÍSICAS: DEFINICIÓN Y APLICACIÓN
La característica física más importante del agua residual es su contenido total de sólidos, el cual está compuesto por materia fl.otante y materia eti suspensión, en dispersión coloidal y en disolución. Otras caracteristicas fisicas son la temperatura, color y olor.
242 TRATAMIENTO Y DEPURACIÓN DE LAS AGUAS RESIDUALES
Tabla 7.4. Incremento de mineralización por el uso de agua doméstica 22
Concentración, mg/litro
Agua de Efluente de Intervalo de Componente Palo Altoa Palo Alto~> aumento•
Aniones:
Carbonato (C09 - ) 2,4 0,0 Bicarbonato (HC03- ) 45,0 251,0 Cloruro (CI-) 3,5 215,04 20-50 Sulfato (SO~-) 5,8 47,5" 15-30 Nitrato (N03-) 1,1 18,4 20-40/ Fosfato (P01'"' ) 0,0 21,4 20-40
Cationes: Sodio (Na-t ) 0,5 155,0• 40-70 Potasio (K+) 0,8 8,8 7-15 Calcio (Ca++) 10,4 49,6" 15-40U M agnesio (Mg++) 9,8 32,611 15-40U
Otros datos:
Sllice (Si02 ) 5,8 14,5 Fluoruro (F- ) 0,8 3,8 Manganeso (Mn) 0,0 0,0 Hierro (Fe) 0,0 < 0,1 Aluminio (Al) 0,1 < 3,0 Boro (B) 0,1 0,93 O, 1 -0,4 Sólidos disueltos totales (SDT) 63,8 693,0 100-300 Alcalinidad total (CaC03) 39,0 206,0 100-150
o Proporcionados por la ciudad de San Francisco de su manantial Hetch Hetchy en la Sierra. b Efluente da la planta da tratamiento da agua residual de Palo Alto, California. e Intervalo madio nacional, incremento de mineralización por el uso doméstico. d 15% aproximadamente de agua de pozo local utilizada junto con el o gua de Hetch Hetchy. e Elevado debido a uso do ablandadores de agua. 1 Nitrógeno total como N.
g Contado como caco •.
7.1.3. Variaciones de caudal e intensidad de agua residual
La variación de los caudales de agua residual en una planta de tratamiento se produce según una modulación diaria, como la de la figura 7.1. Los caudales mínimos tienen lugar durante las primeras horas de la mañana cuando es menor el consumo de agua y el caudal se compone esencialmente de escapes, infiltraciones y pequeñas cantidades de aguas residuales propiamente dichas. Los caudales punta se presentan por lo general a última hora de la mañana cuando el agua residual resultante de la punta de demanda de agua de la mañana llega a la planta de tratamiento.
CARACTERÍSTICAS DE LAS AGUAS RESIDUALES 243
Por lo general, un segundo caudal punta ocurre en las últimas horas de la tarde. Cuando las tasas de infiltración son altas o existen conexiones de drenajes a la red del alcantarillado, el régimen de lluvias puede tener un pronunciado efecto sobre el caudal de aguas residuales.
La variación de la intensidad del agua residual se muestra igualmente en la figura 7.1. La variación de la demanda bioquímica de oxígeno (DBO) sigue la variación del caudal, excepto la concentración máxima de DBO (materia orgánica) que tiene lugar al atardecer alrededor de las nueve.
El agua residual de los sistemas de alcantarillado unitarios contiene más materia orgánica que el de los sistemas separativos debido a las aguas pluviales que entran al sistema. Los caudales punta y la relación del caudal punta con el caudal medio son mayores que en los sistemas separativos. Cuando comienza una tormenta, la acción de arrastre producida por el agua de lluvia puede aumentar la intensidad del agua residual muy por encima de la normal, tanto en lo que se refiere a Ja DBO como a los sólidos en suspensión.
40
~ 35 'a E 30
.,. o 300 'O -o ~ 'i5 25 e Q) Q) -o a. (/) 20 (/) :::> 200 .2! (/)
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o o 12 N. 8 P.M. 12N.
Hora del día
F ig. 7.1. Variación típica horaria del caudal e intensidad del agua residual doméstica
7.2 CARACTERíSTICAS FÍSICAS: DEFINICIÓN Y APLICACIÓN
La característica física más importante del agua residual es su contenido total de sólidos, el cual está compuesto por materia fl.otante y materia eti suspensión, en dispersión coloidal y en disolución. Otras caracteristicas fisicas son la temperatura, color y olor.
244 TRATAMIENTO Y DEPURACIÓN DE LAS AGUAS RESIDUALES
7 .2.1. Sólidos totales
Los sólidos totales del agua residual proceden del agua de abastecimiento, del uso industrial y doméstico y del agua de infiltración de pozos locales y aguas subterráneas, como ya se indicó anteriormente. Los sólidos domésticos incluyen los procedentes de inodoros, fregaderos, baños, lavaderos, trituradores de basura y ablandadores de agua. En la tabla 7 .5, se indican datos tipicos sobre cantidades diarias per cápita de material sólido seco procedente de estas fuentes y de las mencionadas anteriormente.
Tabla 7.5. Estimación de los componentes de sólidos totales en agua residual
Componente
Agua de suministro y agua subterránea, que se supone tiene poca dureza
Heces (sólidos, 23 %) Orina (sólidos, 3. 7 %) Inodoros (incluyendo papel) Pilas, baños, lavaderos y otras fuentes de aguas domésticas
de lavado Basura del suelo Ablandadores de agua
Total para el agua residual doméstica de sistema de alcantarillado separativo, excluyendo la aportación de ablandadores del agua
Residuos industriales Total para aguas residuales industriales y domésticas de
un sistema de alcantari llado separativo Aguas pluviales
Total para aguas residuales industriales y domésticas de un sistema de alcantarillado unitario
• Variable. • • Variará según el tipo y tamaño de las industrias.
• • • Variará según la estación.
Peso seco, gramos/habitante y dla
12,7 20,5 43,3 20,0
86,5 30,0 •
213,0 2oo.o··
413,0 25,0 •••
438,0
Analíticamente, el contenido total de sólidos de un agua residual se define como toda la materia que queda como residuo de evaporación a 103-105 °C. La materia que tenga una presión de vapor significativa a dicha temperatura se elimina durante la evaporación y no se define como sólido. Los sólidos totales, o residuo de evaporación, pueden clasificarse como sólidos suspendidos o sólidos filtrables, a base de hacer pasar un volumen conocido de liquido por un filtro. Por lo general, el filtro
CARACTERÍSTICAS DE LAS AGUAS RESIDUALES
se elige de modo que el diámetro núnimo de los sólidos suspendidos sea aproximadamente una micra (¡.tm); la fracción de sólidos suspendidos incluye ·los sólidos sedimentables que se depositarán en el fondo de un recipiente en forma de cono (llamado cono Imhoff) durante un período de 60 minutos. Los sólidos sedimentablcs son una medida aproximada de la cantidad de fango que se eliminará mediante sedimentación.
La fracción de sólidos filtrables se compone de sólidos coloidales y disueltos. La fracción coloidal consiste en partículas con un diámetro aproximado que oscila entre I0- 3 y 1 p.m (véase la fig. 7.2). Los sólidos disueltos se componen de moléculas orgánicas e inorgánicas e iones que se encuentran presentes en disolución verdadera en el agua. La fracción coloidal no puede eliminarse por sed imentación. Pór lo general, se requiere una coagulación u oxidación biológica seguida de sedimentación para eliminar estas partículas de la suspensión.
Clasificación de las partículas
--Disucltas-r=Coloidales----+--Suspendidas o--no filtrables
Tamaño de las partículas en micrones
10 5 10 • 10 3 10- 2 10- ' 10 100
10 8 10 7 ·1Q& 10 ~ 10 4 10 3 10- 2 '1o-•
1
T•m•Oo d• '" '"'' ' "'" illmetros
Eliminables- ----+-Sedimentublespor coagulación
Fig. 7.2. Clasificación e interva lo de tamaño de lns partículas presentes en el agua
A su vez, cada una de estas clases de sólidos puede clasificarse de nuevo en base a su volatilidad a 600 °C. La fracción orgánica se oxidará y será expulsada como gas a dicha temperatura, permaneciendo la fracción inorgánica como ceniza. Por tanto, los términos «sólidos suspendidos ~olátile!.» y «sólidos suspendidos fijos>> se refieren, respectivamente, al contenido orgánico e inorgánico (mineral) de los sólidos suspendidos. A 600 °C, la descomposición de las sales inorgánicas se limita al carbonato de magnesio, que se descompone en óxido de magnesio y dióxido de carbono a 350 oc. El carbonato cálcico, principal componente de las sales inorgánicas, es estable hasta una temperatura de 825 °C. El análisis de los sólidos volátiles se aplica más frecuentemente a los fangos del agua ¡;esidual para medir su estabilidad biológica. El contenido de sólidos de · un agua residual de intensidad media puede clasificarse aproximadamente como indica la figura 7.3.
244 TRATAMIENTO Y DEPURACIÓN DE LAS AGUAS RESIDUALES
7 .2.1. Sólidos totales
Los sólidos totales del agua residual proceden del agua de abastecimiento, del uso industrial y doméstico y del agua de infiltración de pozos locales y aguas subterráneas, como ya se indicó anteriormente. Los sólidos domésticos incluyen los procedentes de inodoros, fregaderos, baños, lavaderos, trituradores de basura y ablandadores de agua. En la tabla 7 .5, se indican datos tipicos sobre cantidades diarias per cápita de material sólido seco procedente de estas fuentes y de las mencionadas anteriormente.
Tabla 7.5. Estimación de los componentes de sólidos totales en agua residual
Componente
Agua de suministro y agua subterránea, que se supone tiene poca dureza
Heces (sólidos, 23 %) Orina (sólidos, 3. 7 %) Inodoros (incluyendo papel) Pilas, baños, lavaderos y otras fuentes de aguas domésticas
de lavado Basura del suelo Ablandadores de agua
Total para el agua residual doméstica de sistema de alcantarillado separativo, excluyendo la aportación de ablandadores del agua
Residuos industriales Total para aguas residuales industriales y domésticas de
un sistema de alcantari llado separativo Aguas pluviales
Total para aguas residuales industriales y domésticas de un sistema de alcantarillado unitario
• Variable. • • Variará según el tipo y tamaño de las industrias.
• • • Variará según la estación.
Peso seco, gramos/habitante y dla
12,7 20,5 43,3 20,0
86,5 30,0 •
213,0 2oo.o··
413,0 25,0 •••
438,0
Analíticamente, el contenido total de sólidos de un agua residual se define como toda la materia que queda como residuo de evaporación a 103-105 °C. La materia que tenga una presión de vapor significativa a dicha temperatura se elimina durante la evaporación y no se define como sólido. Los sólidos totales, o residuo de evaporación, pueden clasificarse como sólidos suspendidos o sólidos filtrables, a base de hacer pasar un volumen conocido de liquido por un filtro. Por lo general, el filtro
CARACTERÍSTICAS DE LAS AGUAS RESIDUALES
se elige de modo que el diámetro núnimo de los sólidos suspendidos sea aproximadamente una micra (¡.tm); la fracción de sólidos suspendidos incluye ·los sólidos sedimentables que se depositarán en el fondo de un recipiente en forma de cono (llamado cono Imhoff) durante un período de 60 minutos. Los sólidos sedimentablcs son una medida aproximada de la cantidad de fango que se eliminará mediante sedimentación.
La fracción de sólidos filtrables se compone de sólidos coloidales y disueltos. La fracción coloidal consiste en partículas con un diámetro aproximado que oscila entre I0- 3 y 1 p.m (véase la fig. 7.2). Los sólidos disueltos se componen de moléculas orgánicas e inorgánicas e iones que se encuentran presentes en disolución verdadera en el agua. La fracción coloidal no puede eliminarse por sed imentación. Pór lo general, se requiere una coagulación u oxidación biológica seguida de sedimentación para eliminar estas partículas de la suspensión.
Clasificación de las partículas
--Disucltas-r=Coloidales----+--Suspendidas o--no filtrables
Tamaño de las partículas en micrones
10 5 10 • 10 3 10- 2 10- ' 10 100
10 8 10 7 ·1Q& 10 ~ 10 4 10 3 10- 2 '1o-•
1
T•m•Oo d• '" '"'' ' "'" illmetros
Eliminables- ----+-Sedimentublespor coagulación
Fig. 7.2. Clasificación e interva lo de tamaño de lns partículas presentes en el agua
A su vez, cada una de estas clases de sólidos puede clasificarse de nuevo en base a su volatilidad a 600 °C. La fracción orgánica se oxidará y será expulsada como gas a dicha temperatura, permaneciendo la fracción inorgánica como ceniza. Por tanto, los términos «sólidos suspendidos ~olátile!.» y «sólidos suspendidos fijos>> se refieren, respectivamente, al contenido orgánico e inorgánico (mineral) de los sólidos suspendidos. A 600 °C, la descomposición de las sales inorgánicas se limita al carbonato de magnesio, que se descompone en óxido de magnesio y dióxido de carbono a 350 oc. El carbonato cálcico, principal componente de las sales inorgánicas, es estable hasta una temperatura de 825 °C. El análisis de los sólidos volátiles se aplica más frecuentemente a los fangos del agua ¡;esidual para medir su estabilidad biológica. El contenido de sólidos de · un agua residual de intensidad media puede clasificarse aproximadamente como indica la figura 7.3.
246 TRATAMIENTO Y DEPURACIÓN DE LAS AGUAS RESIDUALES
Total 700 ppm ___ J
Fig. 7.3.
, ~ Orgáñlca
Sedlmentable ' ' '--[ 75 ppm
Suspendida 25. pp¡n l
{
100 ppm (2 h) l ' Minerar--··· .,
200 ppm
Filtrable 500 ppm
j Orgánica
-[
75 ppm No sedimentable
100 ppm
·-e Coloidal
{ 50 ppm
:-e Disuelto 450 ppm
e
Mineral 25 ppm
Orgánica 40 PPI'J'l
Mineral 10 ppm
Orgánica 160 ppm
Mineral .?00 PPI'l)
C lasificación de los sólidos presentes en un agua residual de intensidad m edia
"
La turbidez, medida de la propiedad de transmisión de la luz del agua, es otro ensayo utilizado para indicar la calidad de Jos vertidos de aguas residuales y aguas naturales con respecto a la materia coloidal. La materia coloidal dispersa o absorbe la luz evitando así su transmisión.
7.2.2. Temperatura
La temperatura del agua residual es generalmente más alta que la del suministro, debido a la adición de agua caliente procedente de las casas y de actividades industriales. Como el calor especifico del agua es mucho mayor que el del aire, las temperaturas de las aguas residuales observadas son más altas que las temperaturas locales del aire durante la mayor parte del año y sólo son más bajas durante los meses más cálidos del verano. Según la localización geográfica, la temperatura media anual del agua residual varia de 10° C a 21 °C, siendo, pues 15 °C un valor representativo.
La temperatura del agua es un parámetro muy importante por su efecto en la vida acuática, en las reacciones químicas y velocidades de reacción
CARACTERÍSTICAS DE LAS AGUAS RESIDUALES- 247
y en la aplicabilidad del agua a usos útiles. Una temperatura más elevada puede, por ejemplo, producir un cambio en las especies piscícolas que existen en el agua. A las empresas industriales que utilizan aguas ·superficiales para refrigeración les interesa mucho la temperatura del agua de captación.
Por otro lado, el oxígeno es menos soluble en el agua caliente que en la fria. El aumento de la velocidad de las reacciones químicas que supone un aumento de la temperatura, junto con la disminución del oxigeno presente en las aguas superficiales, puede frecuentemente causar graves agotamientos, en los meses de verano, de las concentraciones de oxígeno disuelto. Estos efectos se ven aumentados cuando se vierten cantidades suficientemente grandes de agua caliente a las aguas naturales receptoras. Debe tenerse presente que un cambio repentino de temperatura puede dar como resultado un alto porcentaje de mortalidad de la vida acuática. Finalmente, las temperaturas anormalmente elevadas pueden dar lugar a un crecimiento indeseable de plantas acuáticas y hongos.
7 .2.3. Color
Históricamente, la palabra condición se utilizó junto con composición y concentración para describir el agua residual. La condición se refiere a la edad del agua residual. Se determina cualitativamente por su color y olor. El agua residual reciente suele ser gris ; sin embargo, como quiera que los compuestos orgánicos son descompuestos por las bacterias, el oxígeno disuelto en el agua residual se reduce a cero y el color cambia a negro. En esta condición, se dice que el agua residual es séptica. Algunas aguas residuales de tipo industrial añaden color al agua residual doméstica.
7.2.4. Olores
r Los olores son debidos a los gases _producidos por Ja descomposición de la materia orgánica (véase «Gases»),_,El agua residual reciente tiene un olor peculiar _algo desagradable, pero más tolerable que el del agua residual séptica. El olor más característico del agua residual séptica es el del sulfuro de hidrógeno producido por los microorganismos anaerobios que reducen los sulfatos a sulfitos. Las aguas residuales industrialss contienen a veces compuestos olorosos, o capaces de producir olores en el proceso de tratamiento. El control del olor se analiza en el capítulo 11.
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Total 700 ppm ___ J
Fig. 7.3.
, ~ Orgáñlca
Sedlmentable ' ' '--[ 75 ppm
Suspendida 25. pp¡n l
{
100 ppm (2 h) l ' Minerar--··· .,
200 ppm
Filtrable 500 ppm
j Orgánica
-[
75 ppm No sedimentable
100 ppm
·-e Coloidal
{ 50 ppm
:-e Disuelto 450 ppm
e
Mineral 25 ppm
Orgánica 40 PPI'J'l
Mineral 10 ppm
Orgánica 160 ppm
Mineral .?00 PPI'l)
C lasificación de los sólidos presentes en un agua residual de intensidad m edia
"
La turbidez, medida de la propiedad de transmisión de la luz del agua, es otro ensayo utilizado para indicar la calidad de Jos vertidos de aguas residuales y aguas naturales con respecto a la materia coloidal. La materia coloidal dispersa o absorbe la luz evitando así su transmisión.
7.2.2. Temperatura
La temperatura del agua residual es generalmente más alta que la del suministro, debido a la adición de agua caliente procedente de las casas y de actividades industriales. Como el calor especifico del agua es mucho mayor que el del aire, las temperaturas de las aguas residuales observadas son más altas que las temperaturas locales del aire durante la mayor parte del año y sólo son más bajas durante los meses más cálidos del verano. Según la localización geográfica, la temperatura media anual del agua residual varia de 10° C a 21 °C, siendo, pues 15 °C un valor representativo.
La temperatura del agua es un parámetro muy importante por su efecto en la vida acuática, en las reacciones químicas y velocidades de reacción
CARACTERÍSTICAS DE LAS AGUAS RESIDUALES- 247
y en la aplicabilidad del agua a usos útiles. Una temperatura más elevada puede, por ejemplo, producir un cambio en las especies piscícolas que existen en el agua. A las empresas industriales que utilizan aguas ·superficiales para refrigeración les interesa mucho la temperatura del agua de captación.
Por otro lado, el oxígeno es menos soluble en el agua caliente que en la fria. El aumento de la velocidad de las reacciones químicas que supone un aumento de la temperatura, junto con la disminución del oxigeno presente en las aguas superficiales, puede frecuentemente causar graves agotamientos, en los meses de verano, de las concentraciones de oxígeno disuelto. Estos efectos se ven aumentados cuando se vierten cantidades suficientemente grandes de agua caliente a las aguas naturales receptoras. Debe tenerse presente que un cambio repentino de temperatura puede dar como resultado un alto porcentaje de mortalidad de la vida acuática. Finalmente, las temperaturas anormalmente elevadas pueden dar lugar a un crecimiento indeseable de plantas acuáticas y hongos.
7 .2.3. Color
Históricamente, la palabra condición se utilizó junto con composición y concentración para describir el agua residual. La condición se refiere a la edad del agua residual. Se determina cualitativamente por su color y olor. El agua residual reciente suele ser gris ; sin embargo, como quiera que los compuestos orgánicos son descompuestos por las bacterias, el oxígeno disuelto en el agua residual se reduce a cero y el color cambia a negro. En esta condición, se dice que el agua residual es séptica. Algunas aguas residuales de tipo industrial añaden color al agua residual doméstica.
7.2.4. Olores
r Los olores son debidos a los gases _producidos por Ja descomposición de la materia orgánica (véase «Gases»),_,El agua residual reciente tiene un olor peculiar _algo desagradable, pero más tolerable que el del agua residual séptica. El olor más característico del agua residual séptica es el del sulfuro de hidrógeno producido por los microorganismos anaerobios que reducen los sulfatos a sulfitos. Las aguas residuales industrialss contienen a veces compuestos olorosos, o capaces de producir olores en el proceso de tratamiento. El control del olor se analiza en el capítulo 11.
248 TRATAMIENTO Y DEPURACIÓN DE LAS AGUAS RESIDUALES
7 .3. CARACTERISTICAS QUIMICAS : DEFINICION Y APLICACION
Esta sección se divide en cuatro categorías generales que tratan de: 1) la materin orgánica; 2) la medida del contenido orgánico; 3) la materia inorgánica, y 4) los gases que se encuentran en el agua residual. La medida del contenido orgánico se discute por separado, dada su importancia en el proyecto y funcionamiento de las plantas de tratamiento de aguas residuales y en la gestión de la calidad del agua.
7.3.1. Materia orgánica
En un agua residual de intensidad media, un 75% de los sólidos suspendidos y un 40 % de Jos sólidos filtrables son de naturaleza orgánica, tal y como se muestra en la figura 7.3. Proceden de los reinos animal y vegetal y de las actividades humanas relacionadas con la síntesis de compuestos orgánicos. Los compuestos orgánicos están formados generalmente por una combinación de carbono, hidrógeno y oxigeno, junto con nitrógeno en algunos casos. Otros elementos importantes taJes como azufre, fósforo y hierro pueden hallarse también presentes. Los principales grupos de sustancias orgánicas hallados en el agua residual son !as proteínas (40 a 60 %), carbohidratos (25 a 50 %) y grasas y aceites (10 %). La urea, principal constituyente de la orina, es otro importante compuesto orgánico del agua residual. En razón de la rapidez con que se descompone, la urea es muy raramente hallada en un agua residual que no sea muy reciente.
Junto con !as proteínas, carbohidratos, grasas y aceites, y la urea, el agua residual contiene pequeñas cantidades de un gran número de diferentes moléculas orgánicas sintéticas cuya estructura puede variar desde muy simple hasta sumamente compleja. Ejemplos tipicos que se tratan en esta sección incluyen agentes tensoactivos, fenoles y pesticidas usados en la agricultura. Por otro lado, el número de tales compuestos aumenta afio tras año al ir incrementándose la síntesis de moléculas orgánicas. La presencia de estas sustancias ha complicado en los últimos años el tratamiento do las aguas residuales, ya que muchas de ellas no pueden descomponerse biológicamente o bien Jo hacen muy lentamente. Este factor justificn también el creciente interés por el uso de la precipitación química seguida de la adsorción por carbón activo para el tratamiento completo del ngua residual (véanse capítulos 9, 11 y 14).
Proteínas. Las proteínas son los principales componentes del organismo animal. En las plantas se encuentran presentes en menor grado.
CARACTERÍSTfCAS DE LAS AGUAS RESIDUALES 249
Todos los alimentos crudos de origen vegetal y animal contienen proteínas. La cantidad presente varía desde pequeños porcentajes en frutas con mucha agua, ta!es como tomates, y en los tejidos grasientos de la carne, basta elevados porcentajes en alubias o carnes magras. Las proteínas son de estructura química compleja e inestable, estando sometidas a muchas formas de descomposición. Algunas son solubles en agua y otras, en cambio, no lo son. La química de la formación de proteínas supone la combinación o formación de cadenas de un gran número de aminoácidos. Los pesos moleculares de las proteínas son muy altos, desde 20 000 a 20 millones.
Todas las proteínas contienen carbono, que es común a todas las sustancias orgánicas, así como oxígeno e hidrógeno: Además contienen, como característica que las distingue, una proporción bastante elevada y constante de nitrógeno de alrededor del 16 %. En muchos casos, también son componentes el azufre, fósforo y hierro. La urea y las proteínas son las principales fuentes de nitrógeno en el agua residual; cuando este elemento se halle presente en grandes cantidades, es posible que se produzcan olores extremadamente desagradables debido a la descomposición.
Carbohidratos. Ampliamente distribuidos por la naturaleza, los carbohidratos incluyen azúcares, almidones, celulosa y fibra de madera. Todos ellos se encuentran en las aguas residuales. Contienen carbono, hidrógeno y oxjgeno. Los carbohidratos comunes contienen seis, o un múltiplo de seis, átomos carbono en una molécula, e hidrógeno y oxigeno en las proporciones en que estos elementos se encuentran en el agua. Algunos carbobidratos, especialmente los azúcares, son solubles en agua; otros, tales como los almidones, son insolubles. Los azúcares tienen predisposición a la descomposición; con las enzimas de ciertas bacterias y los fermentos dan lugar a una fermentación seguida de producción de alcohol y dióxido de carbono. Los almidones, por su lado, son más estables pero se transforman en azúcares por la actividad microbiana así como por Jos ácidos minerales diluidos. Desde el punto de vista de volumen y resistencia a la descomposición, la celulosa es el carbohidrato más importante que se encuentra en el agua residual. La destrucción de la celulosa en el suelo progresa sin dificultad, principalmente como resultado de la actividad de distintos hongos, especialmente cuando prevalezcan condiciones ácidas.
Grasas animales, aceites y grasa. Las grasas animales y los aceites son cuantitativamente el tercer componente de los alimentos. El término grasa, normalmente utilizado, incluye !as grasas animales, aceites, ceras y otros constituyentes que se hallan en el agua residual. El contenido
248 TRATAMIENTO Y DEPURACIÓN DE LAS AGUAS RESIDUALES
7 .3. CARACTERISTICAS QUIMICAS : DEFINICION Y APLICACION
Esta sección se divide en cuatro categorías generales que tratan de: 1) la materin orgánica; 2) la medida del contenido orgánico; 3) la materia inorgánica, y 4) los gases que se encuentran en el agua residual. La medida del contenido orgánico se discute por separado, dada su importancia en el proyecto y funcionamiento de las plantas de tratamiento de aguas residuales y en la gestión de la calidad del agua.
7.3.1. Materia orgánica
En un agua residual de intensidad media, un 75% de los sólidos suspendidos y un 40 % de Jos sólidos filtrables son de naturaleza orgánica, tal y como se muestra en la figura 7.3. Proceden de los reinos animal y vegetal y de las actividades humanas relacionadas con la síntesis de compuestos orgánicos. Los compuestos orgánicos están formados generalmente por una combinación de carbono, hidrógeno y oxigeno, junto con nitrógeno en algunos casos. Otros elementos importantes taJes como azufre, fósforo y hierro pueden hallarse también presentes. Los principales grupos de sustancias orgánicas hallados en el agua residual son !as proteínas (40 a 60 %), carbohidratos (25 a 50 %) y grasas y aceites (10 %). La urea, principal constituyente de la orina, es otro importante compuesto orgánico del agua residual. En razón de la rapidez con que se descompone, la urea es muy raramente hallada en un agua residual que no sea muy reciente.
Junto con !as proteínas, carbohidratos, grasas y aceites, y la urea, el agua residual contiene pequeñas cantidades de un gran número de diferentes moléculas orgánicas sintéticas cuya estructura puede variar desde muy simple hasta sumamente compleja. Ejemplos tipicos que se tratan en esta sección incluyen agentes tensoactivos, fenoles y pesticidas usados en la agricultura. Por otro lado, el número de tales compuestos aumenta afio tras año al ir incrementándose la síntesis de moléculas orgánicas. La presencia de estas sustancias ha complicado en los últimos años el tratamiento do las aguas residuales, ya que muchas de ellas no pueden descomponerse biológicamente o bien Jo hacen muy lentamente. Este factor justificn también el creciente interés por el uso de la precipitación química seguida de la adsorción por carbón activo para el tratamiento completo del ngua residual (véanse capítulos 9, 11 y 14).
Proteínas. Las proteínas son los principales componentes del organismo animal. En las plantas se encuentran presentes en menor grado.
CARACTERÍSTfCAS DE LAS AGUAS RESIDUALES 249
Todos los alimentos crudos de origen vegetal y animal contienen proteínas. La cantidad presente varía desde pequeños porcentajes en frutas con mucha agua, ta!es como tomates, y en los tejidos grasientos de la carne, basta elevados porcentajes en alubias o carnes magras. Las proteínas son de estructura química compleja e inestable, estando sometidas a muchas formas de descomposición. Algunas son solubles en agua y otras, en cambio, no lo son. La química de la formación de proteínas supone la combinación o formación de cadenas de un gran número de aminoácidos. Los pesos moleculares de las proteínas son muy altos, desde 20 000 a 20 millones.
Todas las proteínas contienen carbono, que es común a todas las sustancias orgánicas, así como oxígeno e hidrógeno: Además contienen, como característica que las distingue, una proporción bastante elevada y constante de nitrógeno de alrededor del 16 %. En muchos casos, también son componentes el azufre, fósforo y hierro. La urea y las proteínas son las principales fuentes de nitrógeno en el agua residual; cuando este elemento se halle presente en grandes cantidades, es posible que se produzcan olores extremadamente desagradables debido a la descomposición.
Carbohidratos. Ampliamente distribuidos por la naturaleza, los carbohidratos incluyen azúcares, almidones, celulosa y fibra de madera. Todos ellos se encuentran en las aguas residuales. Contienen carbono, hidrógeno y oxjgeno. Los carbohidratos comunes contienen seis, o un múltiplo de seis, átomos carbono en una molécula, e hidrógeno y oxigeno en las proporciones en que estos elementos se encuentran en el agua. Algunos carbobidratos, especialmente los azúcares, son solubles en agua; otros, tales como los almidones, son insolubles. Los azúcares tienen predisposición a la descomposición; con las enzimas de ciertas bacterias y los fermentos dan lugar a una fermentación seguida de producción de alcohol y dióxido de carbono. Los almidones, por su lado, son más estables pero se transforman en azúcares por la actividad microbiana así como por Jos ácidos minerales diluidos. Desde el punto de vista de volumen y resistencia a la descomposición, la celulosa es el carbohidrato más importante que se encuentra en el agua residual. La destrucción de la celulosa en el suelo progresa sin dificultad, principalmente como resultado de la actividad de distintos hongos, especialmente cuando prevalezcan condiciones ácidas.
Grasas animales, aceites y grasa. Las grasas animales y los aceites son cuantitativamente el tercer componente de los alimentos. El término grasa, normalmente utilizado, incluye !as grasas animales, aceites, ceras y otros constituyentes que se hallan en el agua residual. El contenido
250 TRATAMIENTO Y DEPURACIÓN DE LAS AGUAS RESIDUALES
de grasa se determina mediante extracción de la muestra residual con hexano (la grasa es soluble en hexano). Otro grupo de sustancias solubles en hexano son los aceites minerales, tales como queroseno y aceites lubricantes y aceites procedentes de materiales bituminosos usados en la construcción de carreteras.
Las grasas animales y aceites son compuestos (ésteres) de alcohol o glicerol (glicerina) y ácidos grasos. Los ésteres de ácidos grasos que son líquidos a las temperaturas ordinarias se llaman aceites y Jos que son sólidos se llaman grasas. Son químicamente muy semejantes, estando compuestos por carbono, hidrógeno y oxígeno en diversas proporciones.
Las grasas y aceites acceden al agua residual como mantequilla, manteca de cerdo, margarina y grasas y aceites vegetales. Las grasas se hallan corrientemente en las carnes, germen de los cereales, semillas, nueces y ciertas frutas.
Las grasas son uno de los compuestos orgánicos más estables y no se descomponen fácilmente por las bacterias. Sin embargo, Jos ácidos minerales las atacan, dando como resultado la formación de glicerina y ácido graso. En presencia de álcalis, tales como el hidróxido sódico, la glicerina se libera y se forman sales alcalinas de los ácidos grasos.
Estas sales alcalinas son conocidas como jabones y, como en el caso de las grasas, son estables. Los jabones comunes se hacen por saponificación de grasas con hidróxido sódico. Son solubles en agua, pero en presencia de los constituyentes de la dureza, las sales sódicas se transforman en sales cálcicas y magnésicas de ácidos grasos, también conocidas por jabones minerales, que son insolubles y precipitan.
El queroseno y los aceites lubricantes y los procedentes de materiales bituminosos usados en la construcción de carreteras se derivan del petróleo y alquitrán y mantienen principalmente carbono e hidrógeno. Estos aceites llegan a veces a las alcantarillas en grandes volúmenes procedentes de tiendas, garajes y calles. En su mayoría flotan sobre el agua residual, aunque una parte de ellos es llevada al fango por los sólidos sedimentables. Incluso en mayor proporción que las grasas, aceites y jabones, Jos aceites minerales tienden a recubrir las superficies. Las partículas interfieren con la acción biológica y causan problemas de mantenimiento.
Como se ha indicado en el análisis precedente, el contenido de grasa del agua residual puede motivar muchos problemas tanto en las alcantarillas como en las plantas de tratamiento. Si la grasa no se elimina antes del vertido del agua residual, puede interferir con la vida biológica en las aguas y crear películas y materias en flotación imperceptibles. Los límites de 15 a 20 mg/1 de contenido de grasa y la ausencia de capas de aceite iridiscentes son dos ejemplos de normas establecidas por los organismos competentes· en lo que se refiere al vertido de aguas residuales en aguas naturales.
CARACTERÍSTICAS DE LAS AGUAS RESIDUALES 251
Agentes tensoactivos. Los agentes tensoactivos son grandes moléculas orgánicas, ligeramente solubles en agua, que causan espumas en las plantas de tratamiento así como en las aguas a las que se vierten efluentes residuales. Los agentes tensoactivos tienden a acumularse en la interfase aire-agua. Durante la aireación del agua residual, estos compuestos se acumulan sobre la superficie de las burbujas de aire causando por ello una espuma muy estable.
Antes de 1965, el tipo de agente tensoactivo presente en los detergentes sintéticos, llamados sulfonatos de alquilo-benceno (SAB), producía muchas dificultades por su resistencia a la descomposic_ión por medios biológicos. Tras la entrada en vigor de la legislación de 1965, el SAB fue sustituido en Jos detergentes por sulfonatos alquilo-Jineales (SAL), que son biodegradables.6 Puesto que los agentes tensoactivos procedían principalmente de detergentes sintéticos, el problema de la formación de espuma se redujo en gran medida.
La determinación de los agentes tensoactivos se realiza midiendo el cambio de color en una solución normalizada de azul de metileno. Otro nombre con el que se reconoce a los agentes tensoactivos es el de «sustancias activas al azul de metileno» (SAAM).
Fenoles. Los fenoles y otros compuestos orgánicos de Jos que se encuentran vestigios, son también importantes constituyentes del agua. Los fenoJes causan problemas de sabor en el agua, especialmente cuando ésta está clorada. Se producen principalmente por operaciones industriales y aparecen en los aguas residuales que contienen desechos industriales. Los fenolcs pueden ser biológicamente oxidados en concentraciones de hasta 500 mgflitro.
Pesticidas y productos químicos agrícolas. Los compuestos orgánicos que se encuentran a nivel de trazas tales como pesticidas, herbicidas y otros productos químicos usados en la agricultura, son tóxicos para gran número de formas de vida y, por tanto, pueden llegar a ser peligrosos contaminantes de las aguas superficiales. Estos productos químicos no son constituyentes comunes del agua residual sino que suelen incorporarse fundamentalmente como consecuencia de la escorrentía de parques, campos agrícolas y tierras abandonadas. Las concentraciones de estos productos qu1micos pueden dar como resultado la muerte de peces, contaminación de la carne del pescado que disminuye así su valor como fuente de alimentación y el empeoramient9 del suministro de agua.
La· concentración de estos contaminantes a nivel de vestigios se mide por el método de extracción al carbón-cloroformo, que consiste en separar los contaminantes del agua haciendo pasar una muestra de ésta por una
250 TRATAMIENTO Y DEPURACIÓN DE LAS AGUAS RESIDUALES
de grasa se determina mediante extracción de la muestra residual con hexano (la grasa es soluble en hexano). Otro grupo de sustancias solubles en hexano son los aceites minerales, tales como queroseno y aceites lubricantes y aceites procedentes de materiales bituminosos usados en la construcción de carreteras.
Las grasas animales y aceites son compuestos (ésteres) de alcohol o glicerol (glicerina) y ácidos grasos. Los ésteres de ácidos grasos que son líquidos a las temperaturas ordinarias se llaman aceites y Jos que son sólidos se llaman grasas. Son químicamente muy semejantes, estando compuestos por carbono, hidrógeno y oxígeno en diversas proporciones.
Las grasas y aceites acceden al agua residual como mantequilla, manteca de cerdo, margarina y grasas y aceites vegetales. Las grasas se hallan corrientemente en las carnes, germen de los cereales, semillas, nueces y ciertas frutas.
Las grasas son uno de los compuestos orgánicos más estables y no se descomponen fácilmente por las bacterias. Sin embargo, Jos ácidos minerales las atacan, dando como resultado la formación de glicerina y ácido graso. En presencia de álcalis, tales como el hidróxido sódico, la glicerina se libera y se forman sales alcalinas de los ácidos grasos.
Estas sales alcalinas son conocidas como jabones y, como en el caso de las grasas, son estables. Los jabones comunes se hacen por saponificación de grasas con hidróxido sódico. Son solubles en agua, pero en presencia de los constituyentes de la dureza, las sales sódicas se transforman en sales cálcicas y magnésicas de ácidos grasos, también conocidas por jabones minerales, que son insolubles y precipitan.
El queroseno y los aceites lubricantes y los procedentes de materiales bituminosos usados en la construcción de carreteras se derivan del petróleo y alquitrán y mantienen principalmente carbono e hidrógeno. Estos aceites llegan a veces a las alcantarillas en grandes volúmenes procedentes de tiendas, garajes y calles. En su mayoría flotan sobre el agua residual, aunque una parte de ellos es llevada al fango por los sólidos sedimentables. Incluso en mayor proporción que las grasas, aceites y jabones, Jos aceites minerales tienden a recubrir las superficies. Las partículas interfieren con la acción biológica y causan problemas de mantenimiento.
Como se ha indicado en el análisis precedente, el contenido de grasa del agua residual puede motivar muchos problemas tanto en las alcantarillas como en las plantas de tratamiento. Si la grasa no se elimina antes del vertido del agua residual, puede interferir con la vida biológica en las aguas y crear películas y materias en flotación imperceptibles. Los límites de 15 a 20 mg/1 de contenido de grasa y la ausencia de capas de aceite iridiscentes son dos ejemplos de normas establecidas por los organismos competentes· en lo que se refiere al vertido de aguas residuales en aguas naturales.
CARACTERÍSTICAS DE LAS AGUAS RESIDUALES 251
Agentes tensoactivos. Los agentes tensoactivos son grandes moléculas orgánicas, ligeramente solubles en agua, que causan espumas en las plantas de tratamiento así como en las aguas a las que se vierten efluentes residuales. Los agentes tensoactivos tienden a acumularse en la interfase aire-agua. Durante la aireación del agua residual, estos compuestos se acumulan sobre la superficie de las burbujas de aire causando por ello una espuma muy estable.
Antes de 1965, el tipo de agente tensoactivo presente en los detergentes sintéticos, llamados sulfonatos de alquilo-benceno (SAB), producía muchas dificultades por su resistencia a la descomposic_ión por medios biológicos. Tras la entrada en vigor de la legislación de 1965, el SAB fue sustituido en Jos detergentes por sulfonatos alquilo-Jineales (SAL), que son biodegradables.6 Puesto que los agentes tensoactivos procedían principalmente de detergentes sintéticos, el problema de la formación de espuma se redujo en gran medida.
La determinación de los agentes tensoactivos se realiza midiendo el cambio de color en una solución normalizada de azul de metileno. Otro nombre con el que se reconoce a los agentes tensoactivos es el de «sustancias activas al azul de metileno» (SAAM).
Fenoles. Los fenoles y otros compuestos orgánicos de Jos que se encuentran vestigios, son también importantes constituyentes del agua. Los fenoJes causan problemas de sabor en el agua, especialmente cuando ésta está clorada. Se producen principalmente por operaciones industriales y aparecen en los aguas residuales que contienen desechos industriales. Los fenolcs pueden ser biológicamente oxidados en concentraciones de hasta 500 mgflitro.
Pesticidas y productos químicos agrícolas. Los compuestos orgánicos que se encuentran a nivel de trazas tales como pesticidas, herbicidas y otros productos químicos usados en la agricultura, son tóxicos para gran número de formas de vida y, por tanto, pueden llegar a ser peligrosos contaminantes de las aguas superficiales. Estos productos químicos no son constituyentes comunes del agua residual sino que suelen incorporarse fundamentalmente como consecuencia de la escorrentía de parques, campos agrícolas y tierras abandonadas. Las concentraciones de estos productos qu1micos pueden dar como resultado la muerte de peces, contaminación de la carne del pescado que disminuye así su valor como fuente de alimentación y el empeoramient9 del suministro de agua.
La· concentración de estos contaminantes a nivel de vestigios se mide por el método de extracción al carbón-cloroformo, que consiste en separar los contaminantes del agua haciendo pasar una muestra de ésta por una
252 TRATAMIENTO Y DEPURACIÓN DE LAS AGUAS RESIDUALES
columna de carbón activo y extrayendo a continuación el contaminante del carbón por medio de cloroformo. Seguidamente el cloroformo se evapora y los contaminantes pueden pesarse. Los pesticidas en concentraciones de una parte por billón (ppb) e incluso menos pueden determinarse con precisión por diversos métodos, incluyendo la cromatografía de gases y captura electrónica o detectores culombimétricos.15
7 .3.2. Medida del contenido orgánico
En el transcurso de los años se han ido desarrollando una serie de ensayos para determinar el contenido orgánico de las aguas residuales. Un método, ya discutido anteriormente, consiste en medir la fracción volátil de los sólid os totales, pero este método está sujeto a muchos errores y raramente se emplea.10 Los métodos de laboratorio más utilizados hoy día son el de la demanda bioquímica de oxígeno (DBO), demanda química de oxígeno (DQO) y carbono orgánico total (COT). Otro ensayo más reciente es la demanda total de oxígeno (DTO). Complementando estos ensayos de laboratorio se cuenta también con el llamado demanda teórica de oxigeno (DTeO), que se determina a partir de las fórmulas químicas de la materia orgánica.
Otros métodos utilizados anteriormente fueron: 1) nitrógeno tota l, albuminoide, orgánico y amoniacal, y 2) oxígeno consumido. Estas determinaciones, a excepción del nitrógeno albuminoide y del oxigeno consumido, figuran aún en Jos análisis completos de aguas residuales. Sin embargo, su importancia ya no es la misma. Mientras que antes se utilizaban casi exclusivamente para indicar la materia orgánica, en la actualidad se usan para determinar la disponibilidad de nitrógeno para mantener la actividad biológica en l os procesos de tratamiento de aguas residuales industriales y para evitar crecimientos indeseables de algas en las aguas receptoras.
DBO. El parámetro de polución orgánica más utilizado y aplicable a las aguas residuales y superficiales es la DBO a los 5 días (DB06). Supone esta determinación la medida del oxígeno disuelto utilizado por Jos microorganismos en la oxidación bioquímica de materia orgánica. La medida de la DBO es importante en el tratamiento de aguas residuales y para la gestión técnica de la calidad del agua porque se utiliza para determinar la cantidad aproximada de oxígeno que se requerirá para estabilizar biológicamente la materia orgánica presente. Los datos de la DBO se utilizan para dimensionar las instalaciones de tratamiento y medir el rendimiento de algunos de estos procesos. Con los datos de la DBO podrá asimismo calcularse la velocidad a la. que se requerirá el oxígeno.
CARAGrERÍSTICAS DE LAS AGUAS RESIDUALES 253
A fin de asegurar que los resultados obtenidos sean significativos, la muestra deberá ser convenientemente diluida con agua de dilución especialmente prepa~ada de modo que existan nutrientes y oxígeno, disponibles durante el periodo de incubación. Normalmente, se preparan varias diluciones para cubrir la gama completa de posibles valores. Los intervalos de DBO que pueden medirse con distintas diluciones, basadas en mezclas porcentuales y pipeteo directo, se presentan en la tabla 7.6.
Tabla 7.6. DBO medible con distintas diluciones de las muestras15
Utilizando mezclas porcentuales
% mezcla
0,01 0,02 0,05 0,1 0,2 0,5 1,0 2,0 6,0
10,0 20,0 50,0
100,0
Intervalo de DBO
20 000-70 000 1 o 000-35 000
4 000-14 000 2 000-7 000 1 000-3 500
400-1 400 200-700 100-350
40-140 20-70 10-35
4-14 0-7
Por pipeteo directo en botellas de 300 m/
m!
0,02 0,05 0,10 0,20 0.50 1,0 2,0 5,0
10,0 20,0 50,0
100,0 300,0
Intervalo de DBO
30 000-105 000 12 000-42 000
6 000-21 000 3 000-10 500 1 200-4 200
600-2 100 300-1 050 120-420
60-210 30-105 12-42
6-21 0-7
El agua de dilución es inoculada en un cultivo bacteriano que ha sido aclimatado, si fuese necesario, a la materia orgánica presente en el agua. El inóculo que se usa para preparar el agua de dilución para el ensayo de la DBO es un cultivo mixtojDichos cultivos contienen gran número de bacterias saprófitas y otros organismos que oxidan la materia orgánica. Contienen también bacterias autótrofas que oxidan la materia no carbonosa. Cuando la muestra contiene una grao población de microorganismos (agua residual cruda, por ejemplo), no es necesario efectuar la inoculación.
E l período de incubación es generalmente de 5 días a 20 °C, si bien pueden utilizarse otros periodos de tiempo y temperaturas. Sin embargo, la temperatura deberá ser constante a lo largo de todo el ensayo. Tras la incubación, se mide el oxígeno disuelto de la muestra, y la DBO se calcula utilizando la ecuación 7.1a o la 7. 1b.
En el caso de las mezclas porcentuales
DBO (m~/litro) = [ (DOb - DO,) l~O ]- (DOb - DO,) [7.la]
252 TRATAMIENTO Y DEPURACIÓN DE LAS AGUAS RESIDUALES
columna de carbón activo y extrayendo a continuación el contaminante del carbón por medio de cloroformo. Seguidamente el cloroformo se evapora y los contaminantes pueden pesarse. Los pesticidas en concentraciones de una parte por billón (ppb) e incluso menos pueden determinarse con precisión por diversos métodos, incluyendo la cromatografía de gases y captura electrónica o detectores culombimétricos.15
7 .3.2. Medida del contenido orgánico
En el transcurso de los años se han ido desarrollando una serie de ensayos para determinar el contenido orgánico de las aguas residuales. Un método, ya discutido anteriormente, consiste en medir la fracción volátil de los sólid os totales, pero este método está sujeto a muchos errores y raramente se emplea.10 Los métodos de laboratorio más utilizados hoy día son el de la demanda bioquímica de oxígeno (DBO), demanda química de oxígeno (DQO) y carbono orgánico total (COT). Otro ensayo más reciente es la demanda total de oxígeno (DTO). Complementando estos ensayos de laboratorio se cuenta también con el llamado demanda teórica de oxigeno (DTeO), que se determina a partir de las fórmulas químicas de la materia orgánica.
Otros métodos utilizados anteriormente fueron: 1) nitrógeno tota l, albuminoide, orgánico y amoniacal, y 2) oxígeno consumido. Estas determinaciones, a excepción del nitrógeno albuminoide y del oxigeno consumido, figuran aún en Jos análisis completos de aguas residuales. Sin embargo, su importancia ya no es la misma. Mientras que antes se utilizaban casi exclusivamente para indicar la materia orgánica, en la actualidad se usan para determinar la disponibilidad de nitrógeno para mantener la actividad biológica en l os procesos de tratamiento de aguas residuales industriales y para evitar crecimientos indeseables de algas en las aguas receptoras.
DBO. El parámetro de polución orgánica más utilizado y aplicable a las aguas residuales y superficiales es la DBO a los 5 días (DB06). Supone esta determinación la medida del oxígeno disuelto utilizado por Jos microorganismos en la oxidación bioquímica de materia orgánica. La medida de la DBO es importante en el tratamiento de aguas residuales y para la gestión técnica de la calidad del agua porque se utiliza para determinar la cantidad aproximada de oxígeno que se requerirá para estabilizar biológicamente la materia orgánica presente. Los datos de la DBO se utilizan para dimensionar las instalaciones de tratamiento y medir el rendimiento de algunos de estos procesos. Con los datos de la DBO podrá asimismo calcularse la velocidad a la. que se requerirá el oxígeno.
CARAGrERÍSTICAS DE LAS AGUAS RESIDUALES 253
A fin de asegurar que los resultados obtenidos sean significativos, la muestra deberá ser convenientemente diluida con agua de dilución especialmente prepa~ada de modo que existan nutrientes y oxígeno, disponibles durante el periodo de incubación. Normalmente, se preparan varias diluciones para cubrir la gama completa de posibles valores. Los intervalos de DBO que pueden medirse con distintas diluciones, basadas en mezclas porcentuales y pipeteo directo, se presentan en la tabla 7.6.
Tabla 7.6. DBO medible con distintas diluciones de las muestras15
Utilizando mezclas porcentuales
% mezcla
0,01 0,02 0,05 0,1 0,2 0,5 1,0 2,0 6,0
10,0 20,0 50,0
100,0
Intervalo de DBO
20 000-70 000 1 o 000-35 000
4 000-14 000 2 000-7 000 1 000-3 500
400-1 400 200-700 100-350
40-140 20-70 10-35
4-14 0-7
Por pipeteo directo en botellas de 300 m/
m!
0,02 0,05 0,10 0,20 0.50 1,0 2,0 5,0
10,0 20,0 50,0
100,0 300,0
Intervalo de DBO
30 000-105 000 12 000-42 000
6 000-21 000 3 000-10 500 1 200-4 200
600-2 100 300-1 050 120-420
60-210 30-105 12-42
6-21 0-7
El agua de dilución es inoculada en un cultivo bacteriano que ha sido aclimatado, si fuese necesario, a la materia orgánica presente en el agua. El inóculo que se usa para preparar el agua de dilución para el ensayo de la DBO es un cultivo mixtojDichos cultivos contienen gran número de bacterias saprófitas y otros organismos que oxidan la materia orgánica. Contienen también bacterias autótrofas que oxidan la materia no carbonosa. Cuando la muestra contiene una grao población de microorganismos (agua residual cruda, por ejemplo), no es necesario efectuar la inoculación.
E l período de incubación es generalmente de 5 días a 20 °C, si bien pueden utilizarse otros periodos de tiempo y temperaturas. Sin embargo, la temperatura deberá ser constante a lo largo de todo el ensayo. Tras la incubación, se mide el oxígeno disuelto de la muestra, y la DBO se calcula utilizando la ecuación 7.1a o la 7. 1b.
En el caso de las mezclas porcentuales
DBO (m~/litro) = [ (DOb - DO,) l~O ]- (DOb - DO,) [7.la]
254 TRATAMITINTO Y DEPURACIÓN DE LAS AGUAS RESIDUALES
Para el pipeteo directo:
DBO = [ (DOb- DO;) vol. de botella 1-(DOb - DO,) [7.Ib] mi de muestra
donde DOb, D01 = concentraciones de oxígeno disuelto hallados en el testigo (conteniendo sólo agua dilución) y diluciones de muestra, respectivamente, al final del período de incubación
DO, = concentración de oxígeno disuelto originalmente presente en la muestra sin diluir.
Cuando el valor de DO, se aproxima al de DOb, o cuando la DBO esté por encima de 200 mg/1, el segundo término de las ecuaciones 7.1 a y 7.lb es despreciable.
La oxidación bioquímica es un proceso lento y teóricamente tarda un tiempo infinito en completarse. Al cabo de un periodo de 20 dias, la oxidación se ha completado en un 95 a un 99 % y en el plazo de 5 dias utilizado en el ensayo de DBO, la oxidación se ha efectuado en un 60-70 %. La temperatura de 20 °C empleada es un valor medio para Jos cursos de agua que circulan a baja velocidad en climas suaves y es fácilmente obtenible en un incubador. A distintas temperaturas se obtendrán diferentes resultados, ya que las velocidades de reacción bioquímica son función de Ja temperatura.
La cinética dt> la reacción de Ja DBO por razones de tipo práctico, se formula de acuerdo con una reacción de primer orden y puede expresarse asi
dLe =-K'Lt dt
[7.2]
donde L, es la cantidad de DBO de la primera fase que queda en el agua en el tiempo t. Esta ecuación puede integrarse del siguiente modo:
In L1 1: = - K' t
L _ t = e - K t t = ] Q- Kt L
[7.3]
donde L o DB01• remanente en el tiempo t = O (es decir, la DBO total o última de la primera fase inicialmente presente). La relación entre K' y K es la que se indica a ·continuación:
K' K = --
2,303
1
CARACTERÍSTICAS DE LAS AGUAS RESIDUALES 2S'i
La cantidad de DBO remanente en el tiempo t es igual a
e y, que es la cantidad de DBO ejercida en el tiempo t, es igual a:
y = L - L1 = L(l - 10- Kt) [7.4]
Obsérvese que la DBO de 5 días es igual a
Esta relación se muestra en la figura 7.4. El siguiente ejemplo ilustra el uso de las fórmulas de la DBO.
L ···----·--·--·-·r··-·--·--··························-L _ y DBO ejercida
desde O a t
DBO remanente en el tiempo t
0~--J__L ____ ~~~----Tiempo, t
Fig. 7.4. Formulación de la curva para la primera fase de la DBO
EJEMPLO 7.1 Cálculo de la DBO
Determ[nese la DBO de 1 día y la DBO última de la primera fase para un agua residual cuya DBO a los 5 días a 20 °C sea de 200 mg/1. La constante de reacción K'= 0,23.
Solución
l. Determínese la DBO última.
Ll = Le-KII y6 = L-L5 = L(1-e-6K')
200 = L(l - é (0•23l) = L(l - 0,316) L = 293 mg/1
2. Determínese la DBO de un día. Ll = Le-K't
= 293(e- 0,23(1l) = 293(0,795) = 233 mg/1 y 1 = L- L1 = 293 - 233 = 60 mg/1
254 TRATAMITINTO Y DEPURACIÓN DE LAS AGUAS RESIDUALES
Para el pipeteo directo:
DBO = [ (DOb- DO;) vol. de botella 1-(DOb - DO,) [7.Ib] mi de muestra
donde DOb, D01 = concentraciones de oxígeno disuelto hallados en el testigo (conteniendo sólo agua dilución) y diluciones de muestra, respectivamente, al final del período de incubación
DO, = concentración de oxígeno disuelto originalmente presente en la muestra sin diluir.
Cuando el valor de DO, se aproxima al de DOb, o cuando la DBO esté por encima de 200 mg/1, el segundo término de las ecuaciones 7.1 a y 7.lb es despreciable.
La oxidación bioquímica es un proceso lento y teóricamente tarda un tiempo infinito en completarse. Al cabo de un periodo de 20 dias, la oxidación se ha completado en un 95 a un 99 % y en el plazo de 5 dias utilizado en el ensayo de DBO, la oxidación se ha efectuado en un 60-70 %. La temperatura de 20 °C empleada es un valor medio para Jos cursos de agua que circulan a baja velocidad en climas suaves y es fácilmente obtenible en un incubador. A distintas temperaturas se obtendrán diferentes resultados, ya que las velocidades de reacción bioquímica son función de Ja temperatura.
La cinética dt> la reacción de Ja DBO por razones de tipo práctico, se formula de acuerdo con una reacción de primer orden y puede expresarse asi
dLe =-K'Lt dt
[7.2]
donde L, es la cantidad de DBO de la primera fase que queda en el agua en el tiempo t. Esta ecuación puede integrarse del siguiente modo:
In L1 1: = - K' t
L _ t = e - K t t = ] Q- Kt L
[7.3]
donde L o DB01• remanente en el tiempo t = O (es decir, la DBO total o última de la primera fase inicialmente presente). La relación entre K' y K es la que se indica a ·continuación:
K' K = --
2,303
1
CARACTERÍSTICAS DE LAS AGUAS RESIDUALES 2S'i
La cantidad de DBO remanente en el tiempo t es igual a
e y, que es la cantidad de DBO ejercida en el tiempo t, es igual a:
y = L - L1 = L(l - 10- Kt) [7.4]
Obsérvese que la DBO de 5 días es igual a
Esta relación se muestra en la figura 7.4. El siguiente ejemplo ilustra el uso de las fórmulas de la DBO.
L ···----·--·--·-·r··-·--·--··························-L _ y DBO ejercida
desde O a t
DBO remanente en el tiempo t
0~--J__L ____ ~~~----Tiempo, t
Fig. 7.4. Formulación de la curva para la primera fase de la DBO
EJEMPLO 7.1 Cálculo de la DBO
Determ[nese la DBO de 1 día y la DBO última de la primera fase para un agua residual cuya DBO a los 5 días a 20 °C sea de 200 mg/1. La constante de reacción K'= 0,23.
Solución
l. Determínese la DBO última.
Ll = Le-KII y6 = L-L5 = L(1-e-6K')
200 = L(l - é (0•23l) = L(l - 0,316) L = 293 mg/1
2. Determínese la DBO de un día. Ll = Le-K't
= 293(e- 0,23(1l) = 293(0,795) = 233 mg/1 y 1 = L- L1 = 293 - 233 = 60 mg/1
256 TRATAMIENTO Y DEPURACIÓN DE LAS AGUAS RESIDUALES
Para aguas contaminadas y aguas residuales, un valor típico de K (base 10, 20 oq es 0,10 día-1 . El valor de K varia significativamente con el tipo de residuo. La gama de valores puede encontrarse entre 0,05 día-1
a 0,3 día-1 o más. Para la misma DBO última, la absorción de oxigeno variará con el tiempo y con los diferentes valores de K. El efecto de los distintos valores de K se muestra en la figura 7.5.
Tiempo, dias
Fig. 7.5. Efecto de la constante de relación K en la DBO (para un va lor dado de L)"
Como se indicó anteriormente, la temperatura a la que se determina la DBO de una muestra de agua residual suele ser de 20 °C. Sin embargo, es posible determinar la constante de reacción K a una temperatura dis~ tinta de 20 °C. Para ello puede usarse la siguiente ecuación aproximada, derivada de la relación de Vant Hoff~Arrhenius (véase ecuación 9,8 en el capítulo 9).
[7.5]
Se ha comprobado que el valor de fJ varía desde 1,056 para temperaturas comprendidas entre 20 y 30 oc hasta 1,135 para temperaturas entre 4 y 20 °C.16 Con frecuencia se cita en la literatura técnica un valor 12 de 1,047 para O, pero se ha observado que este valor no es de aplicación a temperaturas frías16 {por ejemplo, debajo de 20 °C).
Durante la hidrólisis de las proteínas se produce materia no carbonosa, tal como el amoníaco. Algunas bacterias autótrofas son capaces de utilizar oxígeno para oxidar el amoníaco a nitritos y nitratos. La demanda de oxigeno de las materias nitrogenadas causada por las bacterias autótrofas se conoce como la segunda fase de la DBO. La progresión normal de
CARACfERÍSTICAS DE LAS AGUAS RESIDUALES 257
cada fase en un agua residual se muestra en la figura 7.6. Sin embargo, a 20 oc la velocidad de reproducción de las bacterias nitrificantes es muy lenta. Normalmente han de pasar de 6 a 10 días para que alcancen núme~ ros significativos y ejerzan una demanda de oxigeno mensurable. La inter~ ferencia causada' por su presencia puede eliminarse mediante un pretra· tarniento de la muestra o con el uso de agentes inhibidores.
. 'ó 14 Los procedimientos de pretratarniento incluyen la pasteunzac1 n, cloración y tratamiento ácido. Los agentes inhibidores suelen ser de naturaleza química e incluyen el azul de metileno, tiourea y aliltio~r~a, Y 2~cloro~6~triclorometil piridina.31 Si se desea obtener un conocmuento más profundo de estos procedimientos así como una dis?u~ión ?e .l ~s resultados experimentales obtenidos utilizando agentes quumcos mb1b1-dores, puede consultarse la bibliografia.31
~ Ci E
ó co o
o
(b)
Curva para la demanda combinada ( carbonosa más nitrogenado)
(a)
curva para la demanda carbonosa ·;··2a-~c·r-v L(1 - 10 .,) 1
T 18 24 30
Tiempo, dias
Fig. 7.6. Curva de la DBO." a) Curva normal para la oxidación de la materia orgánica; b) innuencia de la nitrificación
El valor de K es necesario si tiene que usarse la DB05 para obtener el de la DBO a los 20 días o DBO última. El procedimiento usualmente seguido cuando se desconocen estos valores es .determinar K y L a p~rtir de una serie de medidas de DBO. Existen vanas maneras de determwar K y L a partir de una serie de medidas de DBO, entre ellas: 1) el método de los mínimos cuadrados;29•3o 2) el método de los momentos;9 3) el mé~ todo del diferencial diario·;25 4) el método de relación rápidaP Y 5) el método de Thomas.24 El método de los mínimos cuadrados y el de Thomas se ilustran en la discusión que s)gue.
El método de los núnimos cuadrados supone el ajustar una curva a través de un conjunto de puntos procedentes de datos, de modo que la suma de los cuadrados de los residuales (la diferencia entre el valor obser~ vado y el valor de la curva ajustada) tenga que ser un mínimo. Al utilizar
17. Metcalf-Eddy.
256 TRATAMIENTO Y DEPURACIÓN DE LAS AGUAS RESIDUALES
Para aguas contaminadas y aguas residuales, un valor típico de K (base 10, 20 oq es 0,10 día-1 . El valor de K varia significativamente con el tipo de residuo. La gama de valores puede encontrarse entre 0,05 día-1
a 0,3 día-1 o más. Para la misma DBO última, la absorción de oxigeno variará con el tiempo y con los diferentes valores de K. El efecto de los distintos valores de K se muestra en la figura 7.5.
Tiempo, dias
Fig. 7.5. Efecto de la constante de relación K en la DBO (para un va lor dado de L)"
Como se indicó anteriormente, la temperatura a la que se determina la DBO de una muestra de agua residual suele ser de 20 °C. Sin embargo, es posible determinar la constante de reacción K a una temperatura dis~ tinta de 20 °C. Para ello puede usarse la siguiente ecuación aproximada, derivada de la relación de Vant Hoff~Arrhenius (véase ecuación 9,8 en el capítulo 9).
[7.5]
Se ha comprobado que el valor de fJ varía desde 1,056 para temperaturas comprendidas entre 20 y 30 oc hasta 1,135 para temperaturas entre 4 y 20 °C.16 Con frecuencia se cita en la literatura técnica un valor 12 de 1,047 para O, pero se ha observado que este valor no es de aplicación a temperaturas frías16 {por ejemplo, debajo de 20 °C).
Durante la hidrólisis de las proteínas se produce materia no carbonosa, tal como el amoníaco. Algunas bacterias autótrofas son capaces de utilizar oxígeno para oxidar el amoníaco a nitritos y nitratos. La demanda de oxigeno de las materias nitrogenadas causada por las bacterias autótrofas se conoce como la segunda fase de la DBO. La progresión normal de
CARACfERÍSTICAS DE LAS AGUAS RESIDUALES 257
cada fase en un agua residual se muestra en la figura 7.6. Sin embargo, a 20 oc la velocidad de reproducción de las bacterias nitrificantes es muy lenta. Normalmente han de pasar de 6 a 10 días para que alcancen núme~ ros significativos y ejerzan una demanda de oxigeno mensurable. La inter~ ferencia causada' por su presencia puede eliminarse mediante un pretra· tarniento de la muestra o con el uso de agentes inhibidores.
. 'ó 14 Los procedimientos de pretratarniento incluyen la pasteunzac1 n, cloración y tratamiento ácido. Los agentes inhibidores suelen ser de naturaleza química e incluyen el azul de metileno, tiourea y aliltio~r~a, Y 2~cloro~6~triclorometil piridina.31 Si se desea obtener un conocmuento más profundo de estos procedimientos así como una dis?u~ión ?e .l ~s resultados experimentales obtenidos utilizando agentes quumcos mb1b1-dores, puede consultarse la bibliografia.31
~ Ci E
ó co o
o
(b)
Curva para la demanda combinada ( carbonosa más nitrogenado)
(a)
curva para la demanda carbonosa ·;··2a-~c·r-v L(1 - 10 .,) 1
T 18 24 30
Tiempo, dias
Fig. 7.6. Curva de la DBO." a) Curva normal para la oxidación de la materia orgánica; b) innuencia de la nitrificación
El valor de K es necesario si tiene que usarse la DB05 para obtener el de la DBO a los 20 días o DBO última. El procedimiento usualmente seguido cuando se desconocen estos valores es .determinar K y L a p~rtir de una serie de medidas de DBO. Existen vanas maneras de determwar K y L a partir de una serie de medidas de DBO, entre ellas: 1) el método de los mínimos cuadrados;29•3o 2) el método de los momentos;9 3) el mé~ todo del diferencial diario·;25 4) el método de relación rápidaP Y 5) el método de Thomas.24 El método de los mínimos cuadrados y el de Thomas se ilustran en la discusión que s)gue.
El método de los núnimos cuadrados supone el ajustar una curva a través de un conjunto de puntos procedentes de datos, de modo que la suma de los cuadrados de los residuales (la diferencia entre el valor obser~ vado y el valor de la curva ajustada) tenga que ser un mínimo. Al utilizar
17. Metcalf-Eddy.
l
258 TRATAMIENTO Y DEPURACIÓN DE LAS AGUAS RESIDt¡'ALES
este método, pueden ajustarse distintos tipos de curvas mediante un conjunto de puntos.29 Por ejemplo, para una seiie de medidas de DBO a lo largo del tiempo sobre la misma muestra, la siguiente ecuación será válida para cada uno de los distintos n puntos;
dy 1 = K'(L -y,.) dt t = n
[7.6]
En esta ecuación se desconocen K' y L. Sí se supone que dyfdt representa el valor de la pendiente de la curva que debe ajustarse mediante todos los puntos, para un valor dado de K' y L, y debido al error experimental, encontraremos que los dos .miembros de la ecuación 7.6 no son iguales sino que diferirán entre si en una cantidad R. Volviendo a escribir la ecuación 7.6 en función de R, se tendrá para el caso general:
R = K' (L - y) - dy dt
Simplificando y utilizando la notación y' para dyfdt se obtiene:
R = K'L - K'y -y'
Sustituyendo a por K'L y - b por K' queda
R = a+ by - y'
[7.7)
[7.8]
[7.9]
Ahora bien, si la suma de los cuadrados de los residuales R tiene que ser un mínimo, las siguientes ecuaciones deben cumplirse:
_<!._ J:R2 = I:2R oR = O oa 8a
[7.10]
Si las operaciones ind.icadas en la ecuación 7. lO se llevan a cabo utilizando el valor del residual R definido por la ecuación 7.9, se obtendrán las siguientes ecuaciones.
na + bi:y - I:y' = O
ai:y + byi:2 - I:yy' = O
donde n = número de puntos procedentes de los datos
K' = -b (base e)
L = -a/b.
[7.11 ]
[7. 12]
CARACTERÍSTICAS DE LAS AGUAS RESIDUALES 259
En el siguiente ejemplo se ilustra la aplicación del método de los minimas cuadrados al análisis de la DBO.
EJEMPLO 7.2. Cálculo de constantes de la DBO utilizando el método de los mfnimos cuadrados
Calcúlese L y K' utilizando el método de los mínimos cuadrados para los siguientes datos de DBO:
t, en días 2 4 6 8 10
y, en mgflitro 11 18 22 24 26
Soluci6n
l. Establézcase una tabla de cálculo y realícense los pasos indicados.
Tiempo y y2 y' y y'
2 11 121 4,50 49,5 4 18 324 2,75 49,5 6 22 484 1,50 33,0 8 24 576 1,00 24,0
L:75 1505 9,75 156,0
La pendiente y' se calcula así:
dy 1 y,.+x-Ytt-t -=Y
2ó.t dt
2. Susti tuyendo Jos valores calculados en l en las ecuaciones 7.11 y 7.12 y resolviendo para a y b se obt ienen los valores 7,5 y - 0,271, respectivamente.
4a + 75b-9,75 = O 75a + 1505b - 156,0 = O
3. Determinación de los valores de K' y L.
K'=- b = 0,271 (base e)
L = -~ =__}_¿_ = 27 7 mg/1 b 0,271 '
4. Compárense estos resultados coo..Jos valores obtenidos utilizando el método Thomas ca el ejemplo 7.3.
El método de Thomas está basado en la semejanza de dos series de funciones, y se expone seguidamente.' Se trata de un procedimiento gráfico basado en la función
_!_ ' = (2 3KL)-''• + • ( )'/ K 'l
y ' 3,43L'I, [7.13]
l
258 TRATAMIENTO Y DEPURACIÓN DE LAS AGUAS RESIDt¡'ALES
este método, pueden ajustarse distintos tipos de curvas mediante un conjunto de puntos.29 Por ejemplo, para una seiie de medidas de DBO a lo largo del tiempo sobre la misma muestra, la siguiente ecuación será válida para cada uno de los distintos n puntos;
dy 1 = K'(L -y,.) dt t = n
[7.6]
En esta ecuación se desconocen K' y L. Sí se supone que dyfdt representa el valor de la pendiente de la curva que debe ajustarse mediante todos los puntos, para un valor dado de K' y L, y debido al error experimental, encontraremos que los dos .miembros de la ecuación 7.6 no son iguales sino que diferirán entre si en una cantidad R. Volviendo a escribir la ecuación 7.6 en función de R, se tendrá para el caso general:
R = K' (L - y) - dy dt
Simplificando y utilizando la notación y' para dyfdt se obtiene:
R = K'L - K'y -y'
Sustituyendo a por K'L y - b por K' queda
R = a+ by - y'
[7.7)
[7.8]
[7.9]
Ahora bien, si la suma de los cuadrados de los residuales R tiene que ser un mínimo, las siguientes ecuaciones deben cumplirse:
_<!._ J:R2 = I:2R oR = O oa 8a
[7.10]
Si las operaciones ind.icadas en la ecuación 7. lO se llevan a cabo utilizando el valor del residual R definido por la ecuación 7.9, se obtendrán las siguientes ecuaciones.
na + bi:y - I:y' = O
ai:y + byi:2 - I:yy' = O
donde n = número de puntos procedentes de los datos
K' = -b (base e)
L = -a/b.
[7.11 ]
[7. 12]
CARACTERÍSTICAS DE LAS AGUAS RESIDUALES 259
En el siguiente ejemplo se ilustra la aplicación del método de los minimas cuadrados al análisis de la DBO.
EJEMPLO 7.2. Cálculo de constantes de la DBO utilizando el método de los mfnimos cuadrados
Calcúlese L y K' utilizando el método de los mínimos cuadrados para los siguientes datos de DBO:
t, en días 2 4 6 8 10
y, en mgflitro 11 18 22 24 26
Soluci6n
l. Establézcase una tabla de cálculo y realícense los pasos indicados.
Tiempo y y2 y' y y'
2 11 121 4,50 49,5 4 18 324 2,75 49,5 6 22 484 1,50 33,0 8 24 576 1,00 24,0
L:75 1505 9,75 156,0
La pendiente y' se calcula así:
dy 1 y,.+x-Ytt-t -=Y
2ó.t dt
2. Susti tuyendo Jos valores calculados en l en las ecuaciones 7.11 y 7.12 y resolviendo para a y b se obt ienen los valores 7,5 y - 0,271, respectivamente.
4a + 75b-9,75 = O 75a + 1505b - 156,0 = O
3. Determinación de los valores de K' y L.
K'=- b = 0,271 (base e)
L = -~ =__}_¿_ = 27 7 mg/1 b 0,271 '
4. Compárense estos resultados coo..Jos valores obtenidos utilizando el método Thomas ca el ejemplo 7.3.
El método de Thomas está basado en la semejanza de dos series de funciones, y se expone seguidamente.' Se trata de un procedimiento gráfico basado en la función
_!_ ' = (2 3KL)-''• + • ( )'/ K 'l
y ' 3,43L'I, [7.13]
260 TRATAMIENTO Y DEPURACIÓN DE LAS AGUAS RESIDUALES
donde y = DBO que se ha ejercido en el intervalo ,de tiempo t K = constante de reacción en base 1 O L = DBO última.
Esta ecuación tiene la forma de una línea recta.
donde Z = (tfy)'1• a = (2,3KL)-
1
''
b = K'"f3,43L'1•
Z =a+ bt
y Z puede entonces dibujarse en funCión de t. La pendiente b y el valor de Z para t = O a de la línea de mejor ajuste de los datos pueden usarse para calcular K y L.
b K = 2,61-
a
1 L =--
2,3Ka3
[7.14]
[7.15]
Para usar este método son necesarias varias observaciones de y como función de t. Las observaciones de datos se limitarán a los 10 primeros días debido a la interferencia producida por el nitrógeno. Este método se ilustra en el siguiente ejemplo:
EJEMPLO 7.3. Cálculo de las constantes de la DBO utilizando el método de Thomas
Calcúlense L y K utilizando el método de Thomas24 para los datos dados en el ejemplo 7.2.
·solución
l. Determinación de los valores de (t/y)l/S a partir de los datos
t, en dfas 2 4 6 8 10
y, en m/1 11 18 22 24 26
(tfy)113 0,57 0,61 0,65 0,69 0,727
2. Dibújese el valor (t/y)1 i3 en relación con t (véase la figura 7.7). 3. A partir de la figura 7. 7 la pendiente b y el valor de a son:
. b 0•04 o 02 Pend1ente = -- = , 2
a= 0,53
CARACTERÍSTICAS DE LAS AGUAS RESIDUALES 261 f'
0,5 Lo ___ .J2 ____ ....La----;6:-----;s;-
t, días
' Fig. 7.7. Determinación de la K y la L para hallar el valor de. la DBO, según el método Tbomas
4. Cálculo de K y L.
K = 2 61 °•02 = 0099 K'= 0,228 ' 0,53 '
L = 1 = 29 4 mg/1
2,3(0,099)(0,53)3 '
Las determinaciones de la constante de reacción K y de ]a DBO pueden efectuarse más rápidamente en los laboratorios utilizando el respirómetro de Warburg o con la ayuda de sondas de oxígeno disuelto o con una celda electrolítica. El aparato Warburg consiste en un baño de agua a temperatura constante, un mecanismo agitador y un conjunto de matraces especiales equipados con manómetros.
Cada matraz tiene un depósito interno en el que se pone una pequeña cantidad de solución de hidróxido de potasio (véase fig. 7.8). El matraz se llena con una cantidad medida de agua residual e inóculo y se agita en el baño de agua. Después de que el contenido se haya mezclado oompletamente, se conecta el manómetro y se efectúan lecturas periódicamente. La respiración biológica dentro de la muestra consume oxígeno y produce anhídrido carbónico. El agotamiento del oxígeno disuelto hace que el oxígeno del aire existente sobre el líquido se disuelva en él disminuyendo así la presión en el frasco. La cantidad de oxígeno consumido puede calcularse entonces por la caída de presión medida por el manómetro.
La sonda de oxígenó disuelto se usa junto con la técnica acuosa corriente de la DBO para reducir el número de· ensayos a realizar en el laboratorio. Si se utiliza un registrador gráfico ·eléctrico, la curva DBO se va dibujando automáticamente conforme se produce.
También puede emplearse una celda electrolítica para obtener una medida continua de la DB03·32• La figura 7.9 muestra la referida celda, en la que la presión de oxígeno sobre la muestra se mantiene constante
260 TRATAMIENTO Y DEPURACIÓN DE LAS AGUAS RESIDUALES
donde y = DBO que se ha ejercido en el intervalo ,de tiempo t K = constante de reacción en base 1 O L = DBO última.
Esta ecuación tiene la forma de una línea recta.
donde Z = (tfy)'1• a = (2,3KL)-
1
''
b = K'"f3,43L'1•
Z =a+ bt
y Z puede entonces dibujarse en funCión de t. La pendiente b y el valor de Z para t = O a de la línea de mejor ajuste de los datos pueden usarse para calcular K y L.
b K = 2,61-
a
1 L =--
2,3Ka3
[7.14]
[7.15]
Para usar este método son necesarias varias observaciones de y como función de t. Las observaciones de datos se limitarán a los 10 primeros días debido a la interferencia producida por el nitrógeno. Este método se ilustra en el siguiente ejemplo:
EJEMPLO 7.3. Cálculo de las constantes de la DBO utilizando el método de Thomas
Calcúlense L y K utilizando el método de Thomas24 para los datos dados en el ejemplo 7.2.
·solución
l. Determinación de los valores de (t/y)l/S a partir de los datos
t, en dfas 2 4 6 8 10
y, en m/1 11 18 22 24 26
(tfy)113 0,57 0,61 0,65 0,69 0,727
2. Dibújese el valor (t/y)1 i3 en relación con t (véase la figura 7.7). 3. A partir de la figura 7. 7 la pendiente b y el valor de a son:
. b 0•04 o 02 Pend1ente = -- = , 2
a= 0,53
CARACTERÍSTICAS DE LAS AGUAS RESIDUALES 261 f'
0,5 Lo ___ .J2 ____ ....La----;6:-----;s;-
t, días
' Fig. 7.7. Determinación de la K y la L para hallar el valor de. la DBO, según el método Tbomas
4. Cálculo de K y L.
K = 2 61 °•02 = 0099 K'= 0,228 ' 0,53 '
L = 1 = 29 4 mg/1
2,3(0,099)(0,53)3 '
Las determinaciones de la constante de reacción K y de ]a DBO pueden efectuarse más rápidamente en los laboratorios utilizando el respirómetro de Warburg o con la ayuda de sondas de oxígeno disuelto o con una celda electrolítica. El aparato Warburg consiste en un baño de agua a temperatura constante, un mecanismo agitador y un conjunto de matraces especiales equipados con manómetros.
Cada matraz tiene un depósito interno en el que se pone una pequeña cantidad de solución de hidróxido de potasio (véase fig. 7.8). El matraz se llena con una cantidad medida de agua residual e inóculo y se agita en el baño de agua. Después de que el contenido se haya mezclado oompletamente, se conecta el manómetro y se efectúan lecturas periódicamente. La respiración biológica dentro de la muestra consume oxígeno y produce anhídrido carbónico. El agotamiento del oxígeno disuelto hace que el oxígeno del aire existente sobre el líquido se disuelva en él disminuyendo así la presión en el frasco. La cantidad de oxígeno consumido puede calcularse entonces por la caída de presión medida por el manómetro.
La sonda de oxígenó disuelto se usa junto con la técnica acuosa corriente de la DBO para reducir el número de· ensayos a realizar en el laboratorio. Si se utiliza un registrador gráfico ·eléctrico, la curva DBO se va dibujando automáticamente conforme se produce.
También puede emplearse una celda electrolítica para obtener una medida continua de la DB03·32• La figura 7.9 muestra la referida celda, en la que la presión de oxígeno sobre la muestra se mantiene constante
262 TRATAMIENTO Y DEPURACIÓN DE LAS AGUAS RESIDUALES
u T
h
Flu"ido manométrico 1
Brazo exterior
Llave de cierre de í'tres· pasos
Brazo interior
Matraz de reacción /
C02 desprendido
Cultivo o enzima
\._ Depósito central conteniendo ·KOH
Tornillo de presión
Fig. 7.8. Esquema del respirómelro de Warburg
al ir sustituyendo continuamente el oxígeno utilizado por Jos microorganismos. Esto se consigue produciendo más oxigeno por medio de una reacción de electrólisis en respuesta a los cambios de presión. Las lecturas de DBO se determinan anotando el periodo de tiempo durante el que el oxigeno fue generado y correlacionándolo con Ja cantidad de oxigeno producida por Ja reacción de electrólisis. Las ventajas de la celda electrolítica sóbre el aparato de Warburg son las derivadas del uso de una muestra grande (1 1), minimizándose con ello Jos errores producidos por la toma de muestras instantáneas y pipeteo en diluciones así como por el hecho de que el valor de la DBO se obtiene directamente.
Las limitaciones de la determinación de la DBO incluyen la necesidad de tener que disponer de una elevada concentración de bacterias activas y aclimatadas que hagan de inóculo, la necesidad de un pretratamiento cuando l1aya residuos tóxicos y la necesidad de reducir Jos efectos de los organismos nitrificantes, el arbitrario y prolongado período de tiempo requerido para obtener resultados, el hecho de que sólo se midan los
Agitador magnético
(
Botella de reactivo de 1 l itro
Fig. 7.9.
CARACTERÍSTICAS DE LAS AGUAS
~ SECCION AA
A
Rebaje/
29 24 . 42 40
~ A
Adaptador-contenedor de absorbente de CO,
SEC<;;ION B-B
Célula electrolítica
Célula electrolítica para la determinación de la DBO 32
productos orgánicos biodegradables, y el que el ensayo no tenga validez estequiométrica una vez que la materia orgánica soluble presente en la solución haya sido utilizada.
DQO. (Íjl ensayo de la DQO se emplea para medir el con tenido de materi~ orgánica tanto de las aguas naturales como de las residuales] El equ1valente de oxígeno de la materia orgánica que puede oxidarse se mide utilizando un fuerte agente químico oxidante en medio ácido. El dicromato potásico resulta excelente para tal fin .{]?l ensayo debe realizarse a temperatura elevada. Para facilitar la oxidación de ciertas clases de compuestos orgánicos se necesita un catalizador (sulfato de plata). Puesto que a lgunos compuestos inorgánicos interfieren con el ensayo, se tendrá cuidado en eliminarlos previamente. La reacción principal utilizando dicromato como agente oxidante puede representarse de un modo general por la siguiente ·ecuación esquemática:
. catalizador Maten a orgánica (CaHbOc) + Cr20'; + H+ -> Cr3+ + C02 + H 20
calor [7.16]
El ensayo de la DQO se utiliza igualmente para medir la materia orgánica en aguas residuales industriales y municipales que contengan com-
1
262 TRATAMIENTO Y DEPURACIÓN DE LAS AGUAS RESIDUALES
u T
h
Flu"ido manométrico 1
Brazo exterior
Llave de cierre de í'tres· pasos
Brazo interior
Matraz de reacción /
C02 desprendido
Cultivo o enzima
\._ Depósito central conteniendo ·KOH
Tornillo de presión
Fig. 7.8. Esquema del respirómelro de Warburg
al ir sustituyendo continuamente el oxígeno utilizado por Jos microorganismos. Esto se consigue produciendo más oxigeno por medio de una reacción de electrólisis en respuesta a los cambios de presión. Las lecturas de DBO se determinan anotando el periodo de tiempo durante el que el oxigeno fue generado y correlacionándolo con Ja cantidad de oxigeno producida por Ja reacción de electrólisis. Las ventajas de la celda electrolítica sóbre el aparato de Warburg son las derivadas del uso de una muestra grande (1 1), minimizándose con ello Jos errores producidos por la toma de muestras instantáneas y pipeteo en diluciones así como por el hecho de que el valor de la DBO se obtiene directamente.
Las limitaciones de la determinación de la DBO incluyen la necesidad de tener que disponer de una elevada concentración de bacterias activas y aclimatadas que hagan de inóculo, la necesidad de un pretratamiento cuando l1aya residuos tóxicos y la necesidad de reducir Jos efectos de los organismos nitrificantes, el arbitrario y prolongado período de tiempo requerido para obtener resultados, el hecho de que sólo se midan los
Agitador magnético
(
Botella de reactivo de 1 l itro
Fig. 7.9.
CARACTERÍSTICAS DE LAS AGUAS
~ SECCION AA
A
Rebaje/
29 24 . 42 40
~ A
Adaptador-contenedor de absorbente de CO,
SEC<;;ION B-B
Célula electrolítica
Célula electrolítica para la determinación de la DBO 32
productos orgánicos biodegradables, y el que el ensayo no tenga validez estequiométrica una vez que la materia orgánica soluble presente en la solución haya sido utilizada.
DQO. (Íjl ensayo de la DQO se emplea para medir el con tenido de materi~ orgánica tanto de las aguas naturales como de las residuales] El equ1valente de oxígeno de la materia orgánica que puede oxidarse se mide utilizando un fuerte agente químico oxidante en medio ácido. El dicromato potásico resulta excelente para tal fin .{]?l ensayo debe realizarse a temperatura elevada. Para facilitar la oxidación de ciertas clases de compuestos orgánicos se necesita un catalizador (sulfato de plata). Puesto que a lgunos compuestos inorgánicos interfieren con el ensayo, se tendrá cuidado en eliminarlos previamente. La reacción principal utilizando dicromato como agente oxidante puede representarse de un modo general por la siguiente ·ecuación esquemática:
. catalizador Maten a orgánica (CaHbOc) + Cr20'; + H+ -> Cr3+ + C02 + H 20
calor [7.16]
El ensayo de la DQO se utiliza igualmente para medir la materia orgánica en aguas residuales industriales y municipales que contengan com-
1
264 TRATAMIENTO Y DEPURACIÓN DE LAS AGUAS RESIDUALES
puestos tóxicos para la vida biológica. La DQO de un agua residual es, por lo general, mayor que la DBO porque es mayor el número de compuestos que pueden oxidars~ por vía química que biológicamente. En muchos tipos de aguas resich~ales es posible correlacionar la DQO con la DBO. Ello puede resultar muy útil porque la DQO puede determinarse en 3 horas comparado con los 5 días que supone la DBO. Una vez que la correlación ha sido establecida, pueden utilizarse las medidas de DQO para el funcionamiento y control de la planta de tratamiento.
COT. Otro medio de medir la materia orgánica presente en el agua es el ensayo COT, especialmente aplicable a pequeñas concentraciones de materia orgánica. El ensayo se lleva a cabo inyectando una cantidad conocida de la muestra en un lwrno a alta temperatura. El carbono orgánico se oxida a anhídrido carbónico en presencia de un catalizador. El anhídrido carbónico producido es cuantitativamente medido con un catalizador de infrarrojos. La aireación y la acidificación de la muestra antes del análisis elimina los posibles errores debidos a la presencia de carbono inorgánico. El ensayo puede realizarse en muy poco tiempo y su· uso se está extendiendo muy rápidamente. No obstante, algunos compuestos orgánicos existentes pueden no oxidarse y el valor medido del COT será ligeramente inferior a la cantidad real presente en la muestra. La tabla 7.3 muestra algunos valores tipicos de COT para aguas residuales.
DTO. Otro método instrumental que puede utilizarse para medir el contenido orgánico de las aguas residuales es el recientemente desarrollado ensayo de la DTO. 4 En este ensayo, las sustancias orgánicas y, en menor escala, las inorgánicas se transforman en productos finales estables dentro de una cámara de combustión catalizada con platino. La DTO se determina observando el contenido del oxigeno presente en el gas que transporta el nitrógeno. Este ensayo puede efectuarse rápidamente y los resultados han sido correlacionados con la DQ0.4
DTeO. La materia orgánica de origen animal o vegetal en las aguas residuales es, por lo general, una combinación de carbono, hidrógeno, oxigeno y nitrógeno. Los principales grupos de estos elementos presentes en el agua residual son, como ya se indicó anteriormente, carbohidratos, proteínas, grasas y productos de su descomposición. La descomposición biológica de estas sustancias se discute en el capítulo 10. Si se conoce la fórmula química de la materia orgánica, Ja DTeO puede calcularse como se indica en el siguiente ejemplo.
CARACTERÍSTICAS DE LAS AGUAS RESIDUALES ' .. 265
E JEMPLO 7.4. Cálculo de la DTeO
Determínese la DTeO para la glicina (CH2(NHa)COOH) utilizando los siguientes supuestos:
l. En la primera fáse, los átomos de carbono se oxidan a C02 mientras que el nitrógeno se convierte en amoníaco.
2. En la segunda y tercera fase el amoníaco se oxida a nitrito y nitrato. 3. La DTeO es la suma del oxígeno requerido en las tres fases.
Solución
1. Demanda carbonosa
2. Demanda nitrogenada
bacterias formadoras de nitrito a) Nl-13 + t02 _, HN02 + H20
bacterias formadoras de nitrato b) HN02 + -!-02 _, HN03
DTeO = 3 t moles de 0 2/mol de glicina = 112 g 0 2/mol
Correlación entre las diversas medidas. El establec.imiento de relaciones constantes entre Jas distintas medidas del contenido orgánico depende principalmente de la naturaleza del agua residual y de su origen. En general, la relación que existe entre estos parámetros se ofrece en la tabla 7.3 y gráficamente se representa en la figura 7.10. De todas estas medidas, la más difícil de correlacionar con las demás es el ensayo de la DBO, por los problemas asociados con los ensayos biológicos (véase la discusión sobre la DBO). Sin embargo, para aguas residuales domésticas típicas, las rela-
..., ciones DBO/DQO y DBO/COT varían de 0,4 a 0,8 y de 0,8 a 1,0 respectivamente. Dada la rapidez con que pueden efectuarse los ensayos de DQO, COT y DTO se prevé un mayor empleo en el futuro de estos ensayos.
Fig. 7.10.
Medida
Relación aproximada entre las diversas medidas del contenido de materia orgánica de las aguas residuales
1
(
264 TRATAMIENTO Y DEPURACIÓN DE LAS AGUAS RESIDUALES
puestos tóxicos para la vida biológica. La DQO de un agua residual es, por lo general, mayor que la DBO porque es mayor el número de compuestos que pueden oxidars~ por vía química que biológicamente. En muchos tipos de aguas resich~ales es posible correlacionar la DQO con la DBO. Ello puede resultar muy útil porque la DQO puede determinarse en 3 horas comparado con los 5 días que supone la DBO. Una vez que la correlación ha sido establecida, pueden utilizarse las medidas de DQO para el funcionamiento y control de la planta de tratamiento.
COT. Otro medio de medir la materia orgánica presente en el agua es el ensayo COT, especialmente aplicable a pequeñas concentraciones de materia orgánica. El ensayo se lleva a cabo inyectando una cantidad conocida de la muestra en un lwrno a alta temperatura. El carbono orgánico se oxida a anhídrido carbónico en presencia de un catalizador. El anhídrido carbónico producido es cuantitativamente medido con un catalizador de infrarrojos. La aireación y la acidificación de la muestra antes del análisis elimina los posibles errores debidos a la presencia de carbono inorgánico. El ensayo puede realizarse en muy poco tiempo y su· uso se está extendiendo muy rápidamente. No obstante, algunos compuestos orgánicos existentes pueden no oxidarse y el valor medido del COT será ligeramente inferior a la cantidad real presente en la muestra. La tabla 7.3 muestra algunos valores tipicos de COT para aguas residuales.
DTO. Otro método instrumental que puede utilizarse para medir el contenido orgánico de las aguas residuales es el recientemente desarrollado ensayo de la DTO. 4 En este ensayo, las sustancias orgánicas y, en menor escala, las inorgánicas se transforman en productos finales estables dentro de una cámara de combustión catalizada con platino. La DTO se determina observando el contenido del oxigeno presente en el gas que transporta el nitrógeno. Este ensayo puede efectuarse rápidamente y los resultados han sido correlacionados con la DQ0.4
DTeO. La materia orgánica de origen animal o vegetal en las aguas residuales es, por lo general, una combinación de carbono, hidrógeno, oxigeno y nitrógeno. Los principales grupos de estos elementos presentes en el agua residual son, como ya se indicó anteriormente, carbohidratos, proteínas, grasas y productos de su descomposición. La descomposición biológica de estas sustancias se discute en el capítulo 10. Si se conoce la fórmula química de la materia orgánica, Ja DTeO puede calcularse como se indica en el siguiente ejemplo.
CARACTERÍSTICAS DE LAS AGUAS RESIDUALES ' .. 265
E JEMPLO 7.4. Cálculo de la DTeO
Determínese la DTeO para la glicina (CH2(NHa)COOH) utilizando los siguientes supuestos:
l. En la primera fáse, los átomos de carbono se oxidan a C02 mientras que el nitrógeno se convierte en amoníaco.
2. En la segunda y tercera fase el amoníaco se oxida a nitrito y nitrato. 3. La DTeO es la suma del oxígeno requerido en las tres fases.
Solución
1. Demanda carbonosa
2. Demanda nitrogenada
bacterias formadoras de nitrito a) Nl-13 + t02 _, HN02 + H20
bacterias formadoras de nitrato b) HN02 + -!-02 _, HN03
DTeO = 3 t moles de 0 2/mol de glicina = 112 g 0 2/mol
Correlación entre las diversas medidas. El establec.imiento de relaciones constantes entre Jas distintas medidas del contenido orgánico depende principalmente de la naturaleza del agua residual y de su origen. En general, la relación que existe entre estos parámetros se ofrece en la tabla 7.3 y gráficamente se representa en la figura 7.10. De todas estas medidas, la más difícil de correlacionar con las demás es el ensayo de la DBO, por los problemas asociados con los ensayos biológicos (véase la discusión sobre la DBO). Sin embargo, para aguas residuales domésticas típicas, las rela-
..., ciones DBO/DQO y DBO/COT varían de 0,4 a 0,8 y de 0,8 a 1,0 respectivamente. Dada la rapidez con que pueden efectuarse los ensayos de DQO, COT y DTO se prevé un mayor empleo en el futuro de estos ensayos.
Fig. 7.10.
Medida
Relación aproximada entre las diversas medidas del contenido de materia orgánica de las aguas residuales
1
(
266 TRATAMIENTO Y DEPURACIÓN DE LAS AGUAS RESIDUALES
' 7 .3.3. Materia inorgánica
Varios compoqentes inorgánicos de las aguas residuales y naturales tienen importancia para el establecimiento y control de la calidad del agua. Las concentraciones de las sustancias inorgánicas en el agua aumentan por la formación geológica con la que el agua entra en contacto y también por las aguas residuales, tratadas o sin tratar, que se descargan a ella. Las aguas naturales disuelven parte de las rocas y minerales con las que están en contacto. Las aguas residuales, a excepción de algunos residuos industriales, son raramente tratadas para la eliminación de Jos constituyentes inorgánicos que se añaden en el ciclo de su utilización. Las concentraciones de los constituyentes inorgánicos aumentan igualmente debido al proceso natural de evaporación que elimina parte del agua superficial y deja la sustancia inorgánica en el agua. Puesto que las concentraciones de los distintos constituyentes inorgánicos pueden afectar mucho a los usos del agua, conviene examinar la naturaleza de a lgunos de aquéllos, especialmente Jos añadidos al agua superficial por el ciclo de su utilización.
pH. La concentración del ion hidrógeno es un importante parámetro de calidad tanto de las aguas naturales como de las residuales] El intervalo de concentración idóneo para la existencia de la mayoría de la vida biológica es muy estrecho y crítico. El agua residual con una concentración adversa de ion l1idrógeno es difícil de tratar por medios biológicos y si la concentración no se altera antes de Ja evacuación, el e(luente puede alterar la concentración de_ las aguas naturales.
I..-a concentración del ion hidrógeno en. el agua se halla 1ntimamente relacionada con la cuantía en que se disocian las moléculas ele agua. El agua se disocia en iones hidroxilo e hidrógeno del siguiente modo:
'
Aplicando la ley de acción de masas a esta ecuación,
_[H_·_~ ]_[O_H_-_] = K
H:P
~
[7.17]
[7.18]
donde los corchetes indican la concentración de los constituyentes en moles/litro. Puesto que la concentración del agua en un sistema acuoso diluido es esencialmente constante, esta concentración puede incorporarse a la constan te de equilibrio K para dar
[H+][OH-] = Kw [7.19]
CARACTERÍSTICAS DE LAS AGUAS RESIDUALES • 267
K , es conocida como la constante de ionización, o producto iónico del agua y es aproximadamente igual a 1 x I0-14 a una temperatura de 2~ °C. La ecuación 7.19 puede utilizarse para calcular la concentración del ion hidroxilo cuando se conozca la concentración del ion hidrógeno y viceversa.
La forma usual de expresar la concentración del ion hidrógeno es como pH, que se define como el logaritmo cambiado de signo de la concentración del ion hidrógeno
pH = - log10 [H+] [7.20]
Definiendo el pOH como el logaritmo cambiado de signo de la concentración del ion hidroxilo, puede verse en la ecuación 7.19 que, para agua a 25 oc es
pH + pOH = 14 [7.21 ]
El pH de los sistemas acuosos puede medirse convenientemente con un pH-metro. Del mismo modo, se utilizan distintas soluciones indicadoras que cambian de color a determinados valores de pff. El color de la solución se compara con el color de discos o tubos normalizados. Se usa este método solamente para liquides relativamente claros.
Cloruros. Otro parámetro de calidad importante es la concentración de cloruros. Los cloruros que se encuentran en el agua natural proceden de la disolución de suelos y rocas que los contienen y que están en contacto con el agua y, en las regiones costeras, de la intrusión del agua salada. Otra fuente de cloruros es la descarga de aguas residuales domésticas, agrícolas e industriales en las aguas superficiales.
Las heces humanas, por ejemplo, contienen unos 6 g de cloruros por persona y día. En lugares donde la dureza del agua sea elevada, los ablandadores del agua aportarán igualmente grandes cantidades de cloruros. Puesto que los métodos convencionales de tratamiento no eliminan los cloruros en cantidades significativas, las concentraciones de cloruro superiores a las normales pueden interpretarse como una señal de que la masa de agua se utiliza para el vertido de aguas residuales. La infiltración de agua subterránea en las alcantarillas contiguas a agu~ saladas es también una fuente potencial de cloruros y . sulfatos.
Alcalinidad. La alcalinidad en el. agua residual se debe a la presencia de hidróxidos, carbonatos y bicarbonatos de elementos tales como calcio, magnesio, sodio, potasio o amoníaco. De éstos, los más frecuentes son los bicarbonatos magnésico y cálcico. El agua residual es generalmente
266 TRATAMIENTO Y DEPURACIÓN DE LAS AGUAS RESIDUALES
' 7 .3.3. Materia inorgánica
Varios compoqentes inorgánicos de las aguas residuales y naturales tienen importancia para el establecimiento y control de la calidad del agua. Las concentraciones de las sustancias inorgánicas en el agua aumentan por la formación geológica con la que el agua entra en contacto y también por las aguas residuales, tratadas o sin tratar, que se descargan a ella. Las aguas naturales disuelven parte de las rocas y minerales con las que están en contacto. Las aguas residuales, a excepción de algunos residuos industriales, son raramente tratadas para la eliminación de Jos constituyentes inorgánicos que se añaden en el ciclo de su utilización. Las concentraciones de los constituyentes inorgánicos aumentan igualmente debido al proceso natural de evaporación que elimina parte del agua superficial y deja la sustancia inorgánica en el agua. Puesto que las concentraciones de los distintos constituyentes inorgánicos pueden afectar mucho a los usos del agua, conviene examinar la naturaleza de a lgunos de aquéllos, especialmente Jos añadidos al agua superficial por el ciclo de su utilización.
pH. La concentración del ion hidrógeno es un importante parámetro de calidad tanto de las aguas naturales como de las residuales] El intervalo de concentración idóneo para la existencia de la mayoría de la vida biológica es muy estrecho y crítico. El agua residual con una concentración adversa de ion l1idrógeno es difícil de tratar por medios biológicos y si la concentración no se altera antes de Ja evacuación, el e(luente puede alterar la concentración de_ las aguas naturales.
I..-a concentración del ion hidrógeno en. el agua se halla 1ntimamente relacionada con la cuantía en que se disocian las moléculas ele agua. El agua se disocia en iones hidroxilo e hidrógeno del siguiente modo:
'
Aplicando la ley de acción de masas a esta ecuación,
_[H_·_~ ]_[O_H_-_] = K
H:P
~
[7.17]
[7.18]
donde los corchetes indican la concentración de los constituyentes en moles/litro. Puesto que la concentración del agua en un sistema acuoso diluido es esencialmente constante, esta concentración puede incorporarse a la constan te de equilibrio K para dar
[H+][OH-] = Kw [7.19]
CARACTERÍSTICAS DE LAS AGUAS RESIDUALES • 267
K , es conocida como la constante de ionización, o producto iónico del agua y es aproximadamente igual a 1 x I0-14 a una temperatura de 2~ °C. La ecuación 7.19 puede utilizarse para calcular la concentración del ion hidroxilo cuando se conozca la concentración del ion hidrógeno y viceversa.
La forma usual de expresar la concentración del ion hidrógeno es como pH, que se define como el logaritmo cambiado de signo de la concentración del ion hidrógeno
pH = - log10 [H+] [7.20]
Definiendo el pOH como el logaritmo cambiado de signo de la concentración del ion hidroxilo, puede verse en la ecuación 7.19 que, para agua a 25 oc es
pH + pOH = 14 [7.21 ]
El pH de los sistemas acuosos puede medirse convenientemente con un pH-metro. Del mismo modo, se utilizan distintas soluciones indicadoras que cambian de color a determinados valores de pff. El color de la solución se compara con el color de discos o tubos normalizados. Se usa este método solamente para liquides relativamente claros.
Cloruros. Otro parámetro de calidad importante es la concentración de cloruros. Los cloruros que se encuentran en el agua natural proceden de la disolución de suelos y rocas que los contienen y que están en contacto con el agua y, en las regiones costeras, de la intrusión del agua salada. Otra fuente de cloruros es la descarga de aguas residuales domésticas, agrícolas e industriales en las aguas superficiales.
Las heces humanas, por ejemplo, contienen unos 6 g de cloruros por persona y día. En lugares donde la dureza del agua sea elevada, los ablandadores del agua aportarán igualmente grandes cantidades de cloruros. Puesto que los métodos convencionales de tratamiento no eliminan los cloruros en cantidades significativas, las concentraciones de cloruro superiores a las normales pueden interpretarse como una señal de que la masa de agua se utiliza para el vertido de aguas residuales. La infiltración de agua subterránea en las alcantarillas contiguas a agu~ saladas es también una fuente potencial de cloruros y . sulfatos.
Alcalinidad. La alcalinidad en el. agua residual se debe a la presencia de hidróxidos, carbonatos y bicarbonatos de elementos tales como calcio, magnesio, sodio, potasio o amoníaco. De éstos, los más frecuentes son los bicarbonatos magnésico y cálcico. El agua residual es generalmente
268 TRATAMIENTO Y. DEPURACIÓN DE LAS AGUAS RESIDUALES
\ . alcalina, recibiendo su alcalinidad del agua de suministro, del agua sub-terránea y de las materias añadidas durante el uso doméstico. La alcalinidad se determina por titulación con un ácido normalizado; lo~ resultados se expresan en c;;~rbonato cálcico C03Ca. La concentración de la alcalinidad en el agua' residual es importante c~ando deba efectuarse un tratamiento químico (véase capítulo 11) y cuando haya que eliminar el amoníaco mediante arrastre por aire (véase capítulo 14).
Nitrógeno. Los elementos nitrógeno y fósforo son esenciales para el crecimiento de protistas y plantas y, como tales, son conocidos como nutrientes o bioestimulantes. Vestigios de otros elementos, tales como el hierro, son necesarios para el crecimiento biológico, pero el nitrógeno y el fósforo son, en ia mayoría de los casos, los principales elementos nutritivos.
Puesto que el nitrógeno es absolutamente básico para la síntesis de las proteínas, se necesitará conocer datos sobre el mismo para valorar la tratabilidad de las aguas residuales domésticas e industriales mediante procesos biológicos. Cuando el contenido de nitrógeno sea insuficiente se necesitará la adición del mismo para hacer tratable el agua residual. En el capítulo 12 se definen las necesidades nutrientes para el tratamiento biológico del agua residual. Cuando sea necesario el control de los crecimientos de algas en el agua receptora para proteger los usos a que se destina, puede ser conv·eniente la eliminación o reducción del nitrógeno en las aguas residuales antes de la evacuación (véase capítulo 14).
Las distintas formas de nitrógeno presentes en la naturaleza y los caminos que siguen en sus transformaciones se presentan en la figura 7.11. El nitrógeno presente en el agua residual reciente (véase tabla 7 .3) se encuentra principalmente en la forma de urea y materia proteica. La descomposición por las bacterias cambia fácilmente estas formas en amoníaco. La edad del agua residual viene indicada por la cantidad relativat.. de amoniaco presente. En un ambiente aerobio, las bacterias pueden oxidar el nitrógeno del amoníaco a nitritos y nitratos (véase ejemplo 7.4). El predominio del nitrógeno del nitrato indica que el agua residual se ha estabilizado con respecto a la demanda de oxígeno. Sin embargo, los nitratos pueden ser usados por .las algas y otras plantas acuáticas para formar proteínas vegetales que, a su vez, pueden ser utilizadas por animales para formar proteínas animales. La muerte y descomposición de las proteínas animales y vegetales por las bacterias produce de nuevo amoníaco. Por tanto, si ~1 nitrógeno en forma de nitratos puede reutilizarse por las algas y otras plantas para formar proteínas, puede ser necesario eliminar o reducir el nitrógeno que haya presente para evitar estos crecimientos.
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•O ·o ·¡¡; o a. E o o (/)
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CARACTiiRÍSTlCAS DE LAS AGUAS RESIDUALES 269
Oxidación bacteriana ., .•· ., Oxidación bacteriana NÓ,
Nitritos NO;
-- .... ........... ¡
Reducción bacteriana
, N, ~Desear • AtmostericO ! a e/ectric ·~ •·• ~ z~1
Nt ~~,... _NO, ¡ . l Fa,~'!_.ca~ N•tratgs ,
fert;¡¡.z'0 n de ·NO, 1 ante , . ..;..>.~. ,, • • . ;
Algas y bacterias que fijan el nitrógeno
Protelnas . Alimento animal Proteínas anlma.les .___;..:.:.;.;;c..;;.;.:c..;;.;.:::;;____ vegetales.
N orgánico j N orgánico
ferti liz\}ntes para plantas
Fig. 7.1l. Ciclo del nilrógeno ' "
El nitrógeno amoniacal existe en solución acuosa bien como ion amonio o como amoniaco, dependiendo ello del pH de la solución, según la siguiente ecuación de equilibrio:
[7.22]
A niveles de pH superior a 7, el equilibrio se desplaza hacia la izquierda; a niveles inferiores a pH 7, el ion amonio es predominante. El amoníaco se determina elevando el pH, destilando el amoníaco con el vapor producido cuando se hierve la muestra y condensando el vapor que absorbe el amoníaco gaseoso. La medida se hace colorimétricamente.
El nitrógeno orgánico se determina por el método Kjeldahl. La muestra acuosa se hierve primero para eliminar .el amoníaco y a continuación se digiere. Durante l<t digestión, el nitrógeno orgánico se convierte en amoníaco. El nitrógeno total Kjeldahl se determina de la misma manera que el nitrógeno orgánico, excepto que el amoníaco no se quita antes de la fase de digestión. El nitrógeno Kjeldahl es, por tanto, el total del nitrógeno orgánico y del amoniacal.
El nitrógeno del nitrito tiene relativamente poca importancia en los estudios sobre aguas residuales o polución de aguas, ya que es inestable
268 TRATAMIENTO Y. DEPURACIÓN DE LAS AGUAS RESIDUALES
\ . alcalina, recibiendo su alcalinidad del agua de suministro, del agua sub-terránea y de las materias añadidas durante el uso doméstico. La alcalinidad se determina por titulación con un ácido normalizado; lo~ resultados se expresan en c;;~rbonato cálcico C03Ca. La concentración de la alcalinidad en el agua' residual es importante c~ando deba efectuarse un tratamiento químico (véase capítulo 11) y cuando haya que eliminar el amoníaco mediante arrastre por aire (véase capítulo 14).
Nitrógeno. Los elementos nitrógeno y fósforo son esenciales para el crecimiento de protistas y plantas y, como tales, son conocidos como nutrientes o bioestimulantes. Vestigios de otros elementos, tales como el hierro, son necesarios para el crecimiento biológico, pero el nitrógeno y el fósforo son, en ia mayoría de los casos, los principales elementos nutritivos.
Puesto que el nitrógeno es absolutamente básico para la síntesis de las proteínas, se necesitará conocer datos sobre el mismo para valorar la tratabilidad de las aguas residuales domésticas e industriales mediante procesos biológicos. Cuando el contenido de nitrógeno sea insuficiente se necesitará la adición del mismo para hacer tratable el agua residual. En el capítulo 12 se definen las necesidades nutrientes para el tratamiento biológico del agua residual. Cuando sea necesario el control de los crecimientos de algas en el agua receptora para proteger los usos a que se destina, puede ser conv·eniente la eliminación o reducción del nitrógeno en las aguas residuales antes de la evacuación (véase capítulo 14).
Las distintas formas de nitrógeno presentes en la naturaleza y los caminos que siguen en sus transformaciones se presentan en la figura 7.11. El nitrógeno presente en el agua residual reciente (véase tabla 7 .3) se encuentra principalmente en la forma de urea y materia proteica. La descomposición por las bacterias cambia fácilmente estas formas en amoníaco. La edad del agua residual viene indicada por la cantidad relativat.. de amoniaco presente. En un ambiente aerobio, las bacterias pueden oxidar el nitrógeno del amoníaco a nitritos y nitratos (véase ejemplo 7.4). El predominio del nitrógeno del nitrato indica que el agua residual se ha estabilizado con respecto a la demanda de oxígeno. Sin embargo, los nitratos pueden ser usados por .las algas y otras plantas acuáticas para formar proteínas vegetales que, a su vez, pueden ser utilizadas por animales para formar proteínas animales. La muerte y descomposición de las proteínas animales y vegetales por las bacterias produce de nuevo amoníaco. Por tanto, si ~1 nitrógeno en forma de nitratos puede reutilizarse por las algas y otras plantas para formar proteínas, puede ser necesario eliminar o reducir el nitrógeno que haya presente para evitar estos crecimientos.
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CARACTiiRÍSTlCAS DE LAS AGUAS RESIDUALES 269
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Algas y bacterias que fijan el nitrógeno
Protelnas . Alimento animal Proteínas anlma.les .___;..:.:.;.;;c..;;.;.:c..;;.;.:::;;____ vegetales.
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ferti liz\}ntes para plantas
Fig. 7.1l. Ciclo del nilrógeno ' "
El nitrógeno amoniacal existe en solución acuosa bien como ion amonio o como amoniaco, dependiendo ello del pH de la solución, según la siguiente ecuación de equilibrio:
[7.22]
A niveles de pH superior a 7, el equilibrio se desplaza hacia la izquierda; a niveles inferiores a pH 7, el ion amonio es predominante. El amoníaco se determina elevando el pH, destilando el amoníaco con el vapor producido cuando se hierve la muestra y condensando el vapor que absorbe el amoníaco gaseoso. La medida se hace colorimétricamente.
El nitrógeno orgánico se determina por el método Kjeldahl. La muestra acuosa se hierve primero para eliminar .el amoníaco y a continuación se digiere. Durante l<t digestión, el nitrógeno orgánico se convierte en amoníaco. El nitrógeno total Kjeldahl se determina de la misma manera que el nitrógeno orgánico, excepto que el amoníaco no se quita antes de la fase de digestión. El nitrógeno Kjeldahl es, por tanto, el total del nitrógeno orgánico y del amoniacal.
El nitrógeno del nitrito tiene relativamente poca importancia en los estudios sobre aguas residuales o polución de aguas, ya que es inestable
270 TRATAMIENTO Y DEPURACIÓN DE LAS AGUAS RESIDUALES
Y se oxida fácilmente a la forma de nitrato. Es un indicador de la polución pasada en el ~roceso de estabilización y raramente excede de 1 mg/1 en el agua restdual o 0,1 mg/1 en aguas subterráneas o superficiales. Se determina por· un método calorimétrico.
El nitrógeno del nitra to es la forma más altamente oxidada del nitrógeno que se encuentra en las agpas residuales. Cuando un efluente secundario haya de recuperarse para Ja recarga de agua subterránea, Ja concentración del nitrato es importante porque las normas de agua potable USPHS26 la limitan a 45 mg/1 como N03 debido a sus graves y, a veces, fatales efectos sobre los niños. Los nitratos pueden variar en su concentración de O a 20 mg/1 como N en efluentes de aguas residuales con un intervalo tipico de 15 a 20 mgfl como N. La concentración del nitra to es generalmente determinada por métodos calorimétricos.
Fósforo. El fósforo es también esencial para el crecimiento de las algas y otros organismos biológicos. D ebido a los crecimientos explosivos nocivos que tienen lugar en las aguas superficiales, existe mucho interés en la actualidad en controlar la cantidad de los compuestos de fósforo que entran en Jas aguas superficiales a través de Jos vertidos de aguas residuales industriales y domésticas y de las escorrentías naturales. Por ejemplo, Jas aguas residuales municipales pueden contener de 6 a 20 mg/1 de fósforo como P (véase tabla 7.3).
Las formas más frecuentes en que se encuentra el fósforo en soluciones acuosas son ortofosfato, polifosfato y fosfato orgánico. Los ortofosfatos p or ejemplo, PO~-, HP04, H 2P04, y H3P04., se hallan disponibles par~ el metabolismo biológico sin precisar posterior ruptura. Los polifosfatos incluyen las moléculas con dos o más átomos ele fósforo, átomos ele oxígeno y, en algunos casos, átomos de hidrógeno combinados en una molécula compleja. Los polifosfatos sufren la hidrólisis en soluciones acuosas y vuelven a sus formas de ortofosfato; sin embargo, esta hidrólisis es gene~ ralmente de menor importancia en la mayoría de las aguas residuales domésticas, pero puede ser un importante constituyente de las aguas residuales industriales y fangos de aguas residuales domésticas.
El ortofosfato puede determinarse añadiendo directamente una sustancia, tal como molibdato amónico, que forma un complejo coloreado con el fosfato. Los polifosfatos y fosfatos orgánicos deben convertirse en ortofosfatos antes de poder ser determinados de forma semejante.
A zufre. El ion sulfato se presenta naturalmente en la mayoría de los suministros de agua y también en el agua residual. El azufre es requerido en la síntesis de las proteínas y es liberado en su degradación. Los sulfatos son reducidos qulmicamente a sulfmos y a sulfuro de hidrógeno
CARACTERÍSTICAS DE LAS AGUAS RESIDUALI:.S 271
(SHJ por las bacterias en condiciones anaerobias, como se muestra en las siguientes ecuaciones
bacterias so; .:t- materia orgánica---+ S= + H20 + C02 [7.23]
[7.24] s- + 2H+--+ H 2S
Como muestra la figura 7.12, el SH2 puede, pues, ser oxidado biológicamente a ácido sulfúrico, el cual es corrosivo para las tuberías del alcantarillado (efecto corona).
Los sulfatos son reducidos a sulfuros en los digestores de fangos y pueden alterar el proceso biológico si la concentración de sulfuro sobrepasa 200 mg/1. Tales concentraciones son, por fortuna, muy raras. El gas SH2 que se desprende y se mezcla con el gas de las alcantarillas (CH4 + C02), es corrosivo para las conducciones de gas y, si se quema en motores de gas, los productos de la combustión podrían dañar el motor y corroer gravemente el equipo de recuperación térmica de Jos gases de escape, especialmente si se les permitiera enfriarse por debajo del punto de condensación. Un destacado fabricante de motores limita el contenido de H 2S a 21 gfm3• El empleo de depuradores de gas que reducen el contenido de H 2S a 17 gfm3 ha dado buen resultado en la planta de tratamiento de aguas residuales de Miami.
H2S 0 2 H2S
o,
H2S Aire H2S
0 2 02
H2S
11 Agua residual
condiciones SO, - anaerobias
S =+ 2H + H1S
H2S
11
S =
Zona de ubicación de las bacterias
oxidantes del H18 /
Fig. 7.12. Corrosión de una a lcantari lla, debida a la oxidación del H2S "
270 TRATAMIENTO Y DEPURACIÓN DE LAS AGUAS RESIDUALES
Y se oxida fácilmente a la forma de nitrato. Es un indicador de la polución pasada en el ~roceso de estabilización y raramente excede de 1 mg/1 en el agua restdual o 0,1 mg/1 en aguas subterráneas o superficiales. Se determina por· un método calorimétrico.
El nitrógeno del nitra to es la forma más altamente oxidada del nitrógeno que se encuentra en las agpas residuales. Cuando un efluente secundario haya de recuperarse para Ja recarga de agua subterránea, Ja concentración del nitrato es importante porque las normas de agua potable USPHS26 la limitan a 45 mg/1 como N03 debido a sus graves y, a veces, fatales efectos sobre los niños. Los nitratos pueden variar en su concentración de O a 20 mg/1 como N en efluentes de aguas residuales con un intervalo tipico de 15 a 20 mgfl como N. La concentración del nitra to es generalmente determinada por métodos calorimétricos.
Fósforo. El fósforo es también esencial para el crecimiento de las algas y otros organismos biológicos. D ebido a los crecimientos explosivos nocivos que tienen lugar en las aguas superficiales, existe mucho interés en la actualidad en controlar la cantidad de los compuestos de fósforo que entran en Jas aguas superficiales a través de Jos vertidos de aguas residuales industriales y domésticas y de las escorrentías naturales. Por ejemplo, Jas aguas residuales municipales pueden contener de 6 a 20 mg/1 de fósforo como P (véase tabla 7.3).
Las formas más frecuentes en que se encuentra el fósforo en soluciones acuosas son ortofosfato, polifosfato y fosfato orgánico. Los ortofosfatos p or ejemplo, PO~-, HP04, H 2P04, y H3P04., se hallan disponibles par~ el metabolismo biológico sin precisar posterior ruptura. Los polifosfatos incluyen las moléculas con dos o más átomos ele fósforo, átomos ele oxígeno y, en algunos casos, átomos de hidrógeno combinados en una molécula compleja. Los polifosfatos sufren la hidrólisis en soluciones acuosas y vuelven a sus formas de ortofosfato; sin embargo, esta hidrólisis es gene~ ralmente de menor importancia en la mayoría de las aguas residuales domésticas, pero puede ser un importante constituyente de las aguas residuales industriales y fangos de aguas residuales domésticas.
El ortofosfato puede determinarse añadiendo directamente una sustancia, tal como molibdato amónico, que forma un complejo coloreado con el fosfato. Los polifosfatos y fosfatos orgánicos deben convertirse en ortofosfatos antes de poder ser determinados de forma semejante.
A zufre. El ion sulfato se presenta naturalmente en la mayoría de los suministros de agua y también en el agua residual. El azufre es requerido en la síntesis de las proteínas y es liberado en su degradación. Los sulfatos son reducidos qulmicamente a sulfmos y a sulfuro de hidrógeno
CARACTERÍSTICAS DE LAS AGUAS RESIDUALI:.S 271
(SHJ por las bacterias en condiciones anaerobias, como se muestra en las siguientes ecuaciones
bacterias so; .:t- materia orgánica---+ S= + H20 + C02 [7.23]
[7.24] s- + 2H+--+ H 2S
Como muestra la figura 7.12, el SH2 puede, pues, ser oxidado biológicamente a ácido sulfúrico, el cual es corrosivo para las tuberías del alcantarillado (efecto corona).
Los sulfatos son reducidos a sulfuros en los digestores de fangos y pueden alterar el proceso biológico si la concentración de sulfuro sobrepasa 200 mg/1. Tales concentraciones son, por fortuna, muy raras. El gas SH2 que se desprende y se mezcla con el gas de las alcantarillas (CH4 + C02), es corrosivo para las conducciones de gas y, si se quema en motores de gas, los productos de la combustión podrían dañar el motor y corroer gravemente el equipo de recuperación térmica de Jos gases de escape, especialmente si se les permitiera enfriarse por debajo del punto de condensación. Un destacado fabricante de motores limita el contenido de H 2S a 21 gfm3• El empleo de depuradores de gas que reducen el contenido de H 2S a 17 gfm3 ha dado buen resultado en la planta de tratamiento de aguas residuales de Miami.
H2S 0 2 H2S
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H2S Aire H2S
0 2 02
H2S
11 Agua residual
condiciones SO, - anaerobias
S =+ 2H + H1S
H2S
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Zona de ubicación de las bacterias
oxidantes del H18 /
Fig. 7.12. Corrosión de una a lcantari lla, debida a la oxidación del H2S "
\ 272 TRATAMUENTo· y DEPURACIÓN DE LAS AGUAS RESIDUALES
Compuestos tóxicos. Por su toxicidad, ciertos cationes son de gran importancia en el tratamiento y vertido de las aguas residuales. El cobre, plomo, plata, cromo, arsénico y boro son tóxicos en distintos grados para los microo:r;ganismos y, por tanto, deben tenerse en consideración al proyectar una planta de tratamiento biológico. Muchas plantas se han visto perturbadas por la introducción de estos iones hasta el extremo de que los microorganismos murieron y el tratamiento se detuvo. Por ejemplo, en los digestores de fango, el cobre es tóxico a una concentración de 100 mgfl; el cromo y el níquel son tóxicos a concentraciones de 500 mgfl; y el sodio lo es también a concentraciones elevadas.7
Otros cationes tóxicos son el potasio y el amoníaco a concentraciones de 4000 mgf l. La alcalin idad presente en el fango de digestión puede combinarse con los iones calcio y precipitará con ellos antes de que la concentración del calcio se acerque al nivel tóxico.
Meta/espesados. Vestigios de muchos metales, tales como el níquel (Ni), manganeso (Mn), plomo (Pb), cromo (Cr), cadmio (Cd), cinc (Zn), cobre (Cu), hierro (Fe) y mercurio (Hg) son importantes constituyentes de muchas aguas. Algunos de estos metales son necesarios para el desarrollo de la vida biológica y su ausencia en cantidades suficientes podría, por ejemplo, limitar el crecimiento de las algas. La presencia de cualesquiera de Jos metales citados en cantidades excesivas interferirá con muchos usos provechosos del agua dada su toxicidad; por tanto, conviene casi siempre medir y controlar las concentraciones de dichos metales.
Los métodos para determinar las concentraciones de estos metales varían en complejidad según las posibles sustancias productoras de interferencias que se encuentren presentes.19 Además, las cantidades de muchos de estos metales pueden determinarse a concentraciones muy bajas por métodos instrumentales como polarografía y espectroscopia de absorción atómica. Para una revisión de los efectos de los metales pesadQ!l sobre el medio ambiente se recomienda el estudio realizado por McKee y Wolf.8
Puesto que la investigación en este campo está en continua actividad, se recomienda igualmente consul tar bibliografía técnica actual.
7 .4.3. Gases
Los gases más frecuentemente encontrados en el agua residual sin tratar son nitrógenos (N2), oxigeno (OJ, anhídrido carbónico (COJ, sulfuro de hidrógeno (S~2), amoníaco (NH3), y metano (CH4). Los tres primeros son gases comunes de la atmósfera y se encuentran en todas las aguas que estén expuestas al aire. Los tres últimos proceden de la descom-
CARACTERÍSTICAS DE LAS AGUAS RESIDUALES 273
posición de la materia orgánica presente en el agua residual. ' Si bien no se encuentran en el agua residual sin tratar, otros gases con los que debe estar familiarizado el ingeniero sanitario son el cloro (Cl2) y ozono (08)
(desinfección y Qontrol de olor), y los óxidos de azufre y nitrógeno (procesos de combustión). La siguiente discusión se limita a los gases de interés en el agua residual sin tratar. En la mayoría de los casos, el amoníaco en estas aguas estará presente como ion amonio (véase «Nitrógeno»). Por tanto, se considerará más adelante en el capítulo 14.
• Oxígeno disuelto. El oxígeno disuelto es necesario para la respiración de los microorganismos aerobios así como para otras formas de vida aerobia. No obstante, el oxígeno es sólo ligeramente soluble en el agua. La cantidad real de oxigeno (también de otros gases) que puede estar presente en la solución viene regida por: 1) la solubilidad del gas; 2) la presión parcial del gas en la atmósfera; 3) la temperatura, y 4) la pureza del agua (salinidad, sólidos suspendidos, etc.). La interrelación de estas variables se detalla en el capítulo 8 y se ilustra en el apéndice C, donde se presenta el efecto de la temperatura y salinidad sobre la concentración del oxigeno disuelto.
Puesto que la velocidad de las reacciones bioquímicas que utilizan el oxígeno se incrementa al aumentar la temperatura, los niveles de oxígeno disuelto tienden a ser más criticas en los meses de verano. El problema se complica en estos meses ya que los caudales de los ríos son generalmente menores y, por ello, la cantidad total de oxígeno disponible es también menor. La presencia de oxígeno disuelto en el agua residual es deseable porque evita la formación de olores desagradables. El papel del oxigeno en el tratamiento de agua residual se discute en Jos capítulos 10 y 12; su importancia en la gestión de la calidad del agua se detalla en el capitulo 15.
Sulfuro de hidrógeno. El sulfuro de hidrógeno se forma, como ya se mencionó anteriormente, por la descomposición de la materia orgánica que contiene azufre o por la reducción de sulfitos y sulfatos minerales. No se forma en presencia de un abundante suministro de oxígeno. Se trata de un gas incoloro, inflamable, que tiene el olor característico de huevos podridos. El ennegrecimiento del ·agua residual y del fango se debe generalmente 'a la formación de sulfuro de hidrógeno que se combina con el hierro presente para formar sulfuro ferroso (SFe). Aunque el sulfuro de hidrógeno es el gas formado más importante desde el punto de vista de los olores, pueden formarse otros .compuestos volátiles, tales como el indo!, escatol y mercaptanos durante la descomposición anaerobia que pueden producir olores peores que el del sulfuro de hidrógeno.
18. Metcalf-Eddy.
IJ
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Compuestos tóxicos. Por su toxicidad, ciertos cationes son de gran importancia en el tratamiento y vertido de las aguas residuales. El cobre, plomo, plata, cromo, arsénico y boro son tóxicos en distintos grados para los microo:r;ganismos y, por tanto, deben tenerse en consideración al proyectar una planta de tratamiento biológico. Muchas plantas se han visto perturbadas por la introducción de estos iones hasta el extremo de que los microorganismos murieron y el tratamiento se detuvo. Por ejemplo, en los digestores de fango, el cobre es tóxico a una concentración de 100 mgfl; el cromo y el níquel son tóxicos a concentraciones de 500 mgfl; y el sodio lo es también a concentraciones elevadas.7
Otros cationes tóxicos son el potasio y el amoníaco a concentraciones de 4000 mgf l. La alcalin idad presente en el fango de digestión puede combinarse con los iones calcio y precipitará con ellos antes de que la concentración del calcio se acerque al nivel tóxico.
Meta/espesados. Vestigios de muchos metales, tales como el níquel (Ni), manganeso (Mn), plomo (Pb), cromo (Cr), cadmio (Cd), cinc (Zn), cobre (Cu), hierro (Fe) y mercurio (Hg) son importantes constituyentes de muchas aguas. Algunos de estos metales son necesarios para el desarrollo de la vida biológica y su ausencia en cantidades suficientes podría, por ejemplo, limitar el crecimiento de las algas. La presencia de cualesquiera de Jos metales citados en cantidades excesivas interferirá con muchos usos provechosos del agua dada su toxicidad; por tanto, conviene casi siempre medir y controlar las concentraciones de dichos metales.
Los métodos para determinar las concentraciones de estos metales varían en complejidad según las posibles sustancias productoras de interferencias que se encuentren presentes.19 Además, las cantidades de muchos de estos metales pueden determinarse a concentraciones muy bajas por métodos instrumentales como polarografía y espectroscopia de absorción atómica. Para una revisión de los efectos de los metales pesadQ!l sobre el medio ambiente se recomienda el estudio realizado por McKee y Wolf.8
Puesto que la investigación en este campo está en continua actividad, se recomienda igualmente consul tar bibliografía técnica actual.
7 .4.3. Gases
Los gases más frecuentemente encontrados en el agua residual sin tratar son nitrógenos (N2), oxigeno (OJ, anhídrido carbónico (COJ, sulfuro de hidrógeno (S~2), amoníaco (NH3), y metano (CH4). Los tres primeros son gases comunes de la atmósfera y se encuentran en todas las aguas que estén expuestas al aire. Los tres últimos proceden de la descom-
CARACTERÍSTICAS DE LAS AGUAS RESIDUALES 273
posición de la materia orgánica presente en el agua residual. ' Si bien no se encuentran en el agua residual sin tratar, otros gases con los que debe estar familiarizado el ingeniero sanitario son el cloro (Cl2) y ozono (08)
(desinfección y Qontrol de olor), y los óxidos de azufre y nitrógeno (procesos de combustión). La siguiente discusión se limita a los gases de interés en el agua residual sin tratar. En la mayoría de los casos, el amoníaco en estas aguas estará presente como ion amonio (véase «Nitrógeno»). Por tanto, se considerará más adelante en el capítulo 14.
• Oxígeno disuelto. El oxígeno disuelto es necesario para la respiración de los microorganismos aerobios así como para otras formas de vida aerobia. No obstante, el oxígeno es sólo ligeramente soluble en el agua. La cantidad real de oxigeno (también de otros gases) que puede estar presente en la solución viene regida por: 1) la solubilidad del gas; 2) la presión parcial del gas en la atmósfera; 3) la temperatura, y 4) la pureza del agua (salinidad, sólidos suspendidos, etc.). La interrelación de estas variables se detalla en el capítulo 8 y se ilustra en el apéndice C, donde se presenta el efecto de la temperatura y salinidad sobre la concentración del oxigeno disuelto.
Puesto que la velocidad de las reacciones bioquímicas que utilizan el oxígeno se incrementa al aumentar la temperatura, los niveles de oxígeno disuelto tienden a ser más criticas en los meses de verano. El problema se complica en estos meses ya que los caudales de los ríos son generalmente menores y, por ello, la cantidad total de oxígeno disponible es también menor. La presencia de oxígeno disuelto en el agua residual es deseable porque evita la formación de olores desagradables. El papel del oxigeno en el tratamiento de agua residual se discute en Jos capítulos 10 y 12; su importancia en la gestión de la calidad del agua se detalla en el capitulo 15.
Sulfuro de hidrógeno. El sulfuro de hidrógeno se forma, como ya se mencionó anteriormente, por la descomposición de la materia orgánica que contiene azufre o por la reducción de sulfitos y sulfatos minerales. No se forma en presencia de un abundante suministro de oxígeno. Se trata de un gas incoloro, inflamable, que tiene el olor característico de huevos podridos. El ennegrecimiento del ·agua residual y del fango se debe generalmente 'a la formación de sulfuro de hidrógeno que se combina con el hierro presente para formar sulfuro ferroso (SFe). Aunque el sulfuro de hidrógeno es el gas formado más importante desde el punto de vista de los olores, pueden formarse otros .compuestos volátiles, tales como el indo!, escatol y mercaptanos durante la descomposición anaerobia que pueden producir olores peores que el del sulfuro de hidrógeno.
18. Metcalf-Eddy.
IJ
274 TRATAMIENTO Y DEPURACIÓN DE LAS AGUAS RESIDUALES
Metano. El principal subproducto de la descomposición anaerobia de la materia orgánica del agua residual es el gas metano (véase capítulo 13). El metano es un hidrocarburo combustible, incoloro e inodoro de gran valor como combustible. Normalmente no se encuentran grandes cantidades en el agua residual, porque incluso pequeñas cantidades de oxigeno tienden a ser' tóxicas para los organismos responsables de la producción del metano (véase capítulo 10). Sin embargo, a veces se produce metano como resultado de una descomposición anaerobia en depósitos acumulados en el fondo. Debido a que el metano es sumamente combustible y que el peligro de explosión es considerable, los pozos de registro y empalmes de alcantarilla o cámaras de empalme donde exista el riesgo de que se forme gas, deberán estar ventilados con un ventilador portátil antes y durante Jos períodos de tiempo en que los operarios trabajen en ellos en trabajos de inspección, renovaciones o reparaciones. En las plantas de tratamiento, deberán fijarse avisos sobre el peligro de explosión existente y los operarios deberán ser instruidos sobre las medidas de seguridad que se mantendrán mientras trabajen y en los Jugares donde pueda haber gas presente.
7 .4. CARACTERISTICAS BIOLOGICAS: DEFINICION Y APLICACION
Los aspectos biológicos con los que el ingeniero sanitario debe estar familiarizado incluyen el conocimiento de los grupos principales de microorganismos que se encuentran en l!is aguas superficiales y residuales así como aquellos que intervienen en el tratamiento biológico, el de Jos organismos utilizados como indicadores de polución y su importancia, y, finalmente, de los métodos utilizados para valorar la toxicidad de las aguas residuales tratadas. Estas materias son las que se discutirán en este apartado. &..
7.4.1. Microorganismos
Los grupos principales de organismos que se encuentran en las aguas superficiales y residuales se clasifican en protistas, plantas y animales (véase capítulo 10). La categoría de las protistas incluyen las bacterias, hongos, protozoos y algas. Como plantas, se clasifican las de semilla, . helechos, musgos y hepáticas. Como animales se clasifican los vertebrados e invertebrados.20 Los virus, que también se encuentran en el agua residual, se clasifican según el sujeto infectado. Debido a que los orga-
CARACTERÍSTICAS DE LAS AGUAS RESIDUALES 275
nismos de los distintos grupos se discuten con detalle en los capítulos posteriores de este libro, la discusión siguiente pretende servir únic¡lmente como una introducción general a los distintos grupos y a su importancia en el campo de tratamiento del agua residual y de la gestión de la calidad del agua.
Protistas. Las protistas son, en su clase, el grupo más importante de los organismos con los que el ingeniero sanitario debe familiarizarse, especialmente las bacterias, algas y protozoos.
·nado el amplio y fundamental papel jugado por las bacterias en la descomposición y estabilización de la materia orgánica, tanto en la naturaleza como en las plantas de tratamiento, deben conocerse bien sus características, funciones, metabolism.o y síntesis. Estos temas se discuten ampliamente en el capitulo 10. Del mismo modo, las bacterias coliformes se utilizan como un indicador de polución producida por vertidos de origen humano. Su significación y algunos de los ensayos utilizados para determinar su presencia se discuten en el apartado siguiente.
Las algas pueden representar un serio inconveniente en las aguas superficiales, ya que cuando las condiciones son favorables pueden reproducirse rápidamente y cubrir ríos, lagos .y embalses con grandes colonias flotantes, fenómeno que se conoce como crecimiento explosivo. Los crecimientos explosivos de algas son característicos de Jo que se llama un lago eutrófico, o lago con gran contenido de los compuestos requeridos para el crecimiento b iológico. Puesto que el efluente de las plantas de tratamiento del agua residual es, por lo general, rico en nutrientes biológicos, la descarga del efluente en lagos motiva su enriquecimiento y aumenta la tasa de eutroficación. Los mismos efectos pueden darse en los ríos. í La presencia de algas afecta al valor del agua de suministro, ya que
p}eden causar problemas de olor y sabor. Las algas pueden igualmente alterar el valor de las aguas superficiales por el crecimien to de ciertas especies de peces y de otro tipo de vida acuática, en lo que se refiere a su uso para esparcimiento u otros usos provechosos. La determinación de la concentración de las algas en las aguas superficiales supone recoger la muestra mediante uno de los varios métodos conocidos y efectuar su recuento microscópicamente. Procedimientos detallados para el recuento de algas son descritqs en el Stand rd Methods.19 En la bibliografíaC5•10• 13• 18 Y 27) pueden encontrarse fotografías y descripciones de algas comunes.
\:_Uno de los problemas más importantes con los que se enfrenta la ingeniería sanitaria respecto a la gestión de la calidad del agua es cómo tratar las aguas residuales de distintas procedencias de modo que los efluentes no favorezcan el crecimiento de las algas y otras plantas acuáticas:jLa solución puede implicar la eliminación del carbono, así como la de
274 TRATAMIENTO Y DEPURACIÓN DE LAS AGUAS RESIDUALES
Metano. El principal subproducto de la descomposición anaerobia de la materia orgánica del agua residual es el gas metano (véase capítulo 13). El metano es un hidrocarburo combustible, incoloro e inodoro de gran valor como combustible. Normalmente no se encuentran grandes cantidades en el agua residual, porque incluso pequeñas cantidades de oxigeno tienden a ser' tóxicas para los organismos responsables de la producción del metano (véase capítulo 10). Sin embargo, a veces se produce metano como resultado de una descomposición anaerobia en depósitos acumulados en el fondo. Debido a que el metano es sumamente combustible y que el peligro de explosión es considerable, los pozos de registro y empalmes de alcantarilla o cámaras de empalme donde exista el riesgo de que se forme gas, deberán estar ventilados con un ventilador portátil antes y durante Jos períodos de tiempo en que los operarios trabajen en ellos en trabajos de inspección, renovaciones o reparaciones. En las plantas de tratamiento, deberán fijarse avisos sobre el peligro de explosión existente y los operarios deberán ser instruidos sobre las medidas de seguridad que se mantendrán mientras trabajen y en los Jugares donde pueda haber gas presente.
7 .4. CARACTERISTICAS BIOLOGICAS: DEFINICION Y APLICACION
Los aspectos biológicos con los que el ingeniero sanitario debe estar familiarizado incluyen el conocimiento de los grupos principales de microorganismos que se encuentran en l!is aguas superficiales y residuales así como aquellos que intervienen en el tratamiento biológico, el de Jos organismos utilizados como indicadores de polución y su importancia, y, finalmente, de los métodos utilizados para valorar la toxicidad de las aguas residuales tratadas. Estas materias son las que se discutirán en este apartado. &..
7.4.1. Microorganismos
Los grupos principales de organismos que se encuentran en las aguas superficiales y residuales se clasifican en protistas, plantas y animales (véase capítulo 10). La categoría de las protistas incluyen las bacterias, hongos, protozoos y algas. Como plantas, se clasifican las de semilla, . helechos, musgos y hepáticas. Como animales se clasifican los vertebrados e invertebrados.20 Los virus, que también se encuentran en el agua residual, se clasifican según el sujeto infectado. Debido a que los orga-
CARACTERÍSTICAS DE LAS AGUAS RESIDUALES 275
nismos de los distintos grupos se discuten con detalle en los capítulos posteriores de este libro, la discusión siguiente pretende servir únic¡lmente como una introducción general a los distintos grupos y a su importancia en el campo de tratamiento del agua residual y de la gestión de la calidad del agua.
Protistas. Las protistas son, en su clase, el grupo más importante de los organismos con los que el ingeniero sanitario debe familiarizarse, especialmente las bacterias, algas y protozoos.
·nado el amplio y fundamental papel jugado por las bacterias en la descomposición y estabilización de la materia orgánica, tanto en la naturaleza como en las plantas de tratamiento, deben conocerse bien sus características, funciones, metabolism.o y síntesis. Estos temas se discuten ampliamente en el capitulo 10. Del mismo modo, las bacterias coliformes se utilizan como un indicador de polución producida por vertidos de origen humano. Su significación y algunos de los ensayos utilizados para determinar su presencia se discuten en el apartado siguiente.
Las algas pueden representar un serio inconveniente en las aguas superficiales, ya que cuando las condiciones son favorables pueden reproducirse rápidamente y cubrir ríos, lagos .y embalses con grandes colonias flotantes, fenómeno que se conoce como crecimiento explosivo. Los crecimientos explosivos de algas son característicos de Jo que se llama un lago eutrófico, o lago con gran contenido de los compuestos requeridos para el crecimiento b iológico. Puesto que el efluente de las plantas de tratamiento del agua residual es, por lo general, rico en nutrientes biológicos, la descarga del efluente en lagos motiva su enriquecimiento y aumenta la tasa de eutroficación. Los mismos efectos pueden darse en los ríos. í La presencia de algas afecta al valor del agua de suministro, ya que
p}eden causar problemas de olor y sabor. Las algas pueden igualmente alterar el valor de las aguas superficiales por el crecimien to de ciertas especies de peces y de otro tipo de vida acuática, en lo que se refiere a su uso para esparcimiento u otros usos provechosos. La determinación de la concentración de las algas en las aguas superficiales supone recoger la muestra mediante uno de los varios métodos conocidos y efectuar su recuento microscópicamente. Procedimientos detallados para el recuento de algas son descritqs en el Stand rd Methods.19 En la bibliografíaC5•10• 13• 18 Y 27) pueden encontrarse fotografías y descripciones de algas comunes.
\:_Uno de los problemas más importantes con los que se enfrenta la ingeniería sanitaria respecto a la gestión de la calidad del agua es cómo tratar las aguas residuales de distintas procedencias de modo que los efluentes no favorezcan el crecimiento de las algas y otras plantas acuáticas:jLa solución puede implicar la eliminación del carbono, así como la de
276 TRATAMIENTO Y DEPURACIÓN DE LAS AGUAS RESIDUALES
distintas formas de nitrógeno y fósforo y, posiblemente, la eliminación de algunos de los elementos que se encuentran a nivel de vestigios, tales como el hierro y el cobalto.
Los protozoos de importancia para los ingenieros sanitarios son las amebas, los flagelados y l<?s ciliadas libres y fijos. Estas protistas se alimentan de las bacterias y de otras protistas microscópicas y son básicas en el funcionamiento de los procesos biológicos de tratamiento así comb en la purificación de los ríos porque mantienen un equilibrio natural entre los distintos grupos de microorganismos. En la bib1iografía<5• 20 Y 27> se ericontrarán descripciones detalladas de estos organismos.
Virus. El comportamiento de los virus con respecto a otros organismos se explica en el capítulo 10. Los virus excretados por los humanos pueden llegar a ser un peligro importante para la salud pública. Por ejemplo, se sabe a través de estudios experimentales, que de 10 000 a 100 000 dosis infecciosas del virus de la hepatitis son emitidas por cada gramo de heces de un paciente de dicha enfermedad.1 Se sabe con certeza que algunos virus viven hasta 41 dias en el agua o agua residual a 20 oc y durante 6 días en un río normal. Cierto número de brotes de hepatitis infecciosa han sido atribuidos a la transmisión del virus a través del suministro normal de agua. Se requiere un estudio mucho más detallado por parte de biólogos e ingenieros para determinar el mecanismo de transporte y eliminación de los virus en suelos, aguas superficiales y plantas de tratamiento de aguas residuales.
Plantas y animales. Las plantas y animales de importancia varían en tamaño desde rotiferos microscópicos y gusanos hasta crustáceos macroscópicos. El conocimiento de estos organismos es útil al valorar el estado de las corrientes y lagos, al determinar la toxicidad de las aguas residuales evacuadas al medio ambiente, y al observar la efectividad de la vida biológica en los procesos secundarios de tratamiento utilizados para destruir los residuos orgánicos. En la bibliografía<5• 11 Y 27> se encontrarán descripciones detalladas de estos organismos. ~
7.4.2. Organismos coliformes
El tracto intestinlll del hombre contiene innumerables bacterias en forma de bastoncillo conocidas como organismos coliformes. Cada persona evacua de 100 000 a 400 000 millones de organism~ coliformes por día, además de otras clases de bacterias. Los organismos coliformes no son dañinos al hombre y, de hecho, son útiles para destruir la materia orgánica en los procesos biológicos de tratamiento de las aguas residuales.
.- ..
{
1'
CARACTERÍSTICAS DE LAS AGUAS RESIDUALES ~ 277
Los organismos patógenos son evacuados por los seres humanos que se vean afectados con alguna enfermedad o que sean portadores de alguna enfermedad particular. Los organismos patógenos que normalmente pueden ser excretados por el hombre causan enfermedades del sistema gastrointestinal, tales como la fiebre tifoidea, disenteria, diarrea y, en ciertas partes del mundo, el cólera.
Dado que el número de organismos patógenos presentes en las aguas residuales y aguas contaminadas son pocos y · difíciles de aislar, el organismo coliforme, que es más numeroso y de determinación más sencilla, 'se utiliza como organismo indicador. La presencia de organismos coliformes se interpreta como una indicación de que los organismos patógenos también pueden estar presentes y su ausencia indica que el agua se halla exenta de organismos productores de enfermedades.
Las bacterias coliformes incluyen los géneros Escherichia y Aerobacter. El uso de los coliformes como organismos indicadores es problemática debido a que la Aerobacter y ciertas especies de Escherichia pueden crecer en el suelo. Por tanto, Ja presencia de coliformes no siempre significa contaminación con residuos humanos. Parece ser que las Escherichia coli (E. coli) son totalmente de origen fecal. Es difícil determinar la E. coli sin incluir los coliformes del suelo; como resultado de ello, todo el grupo coliforme se utiliza como indicador de la contaminación fecal.
En los últimos años se han desarrollado una serie de ensayos que permiten distinguir los coliformes totales, los coliformes fecales y los estreptococos fecales; sobre estas tres clases la literatura técnica ha informado ampliamente, especialmente en articulas que tratan de la escorrentia de zonas urbanas. Para discusión y bibliografía vease USPHS, Drinking Water Standars.26
El procedimiento más corriente para determinar la presencia de coliformes consiste en la realización de ensayos presuntivos. y confirmados. El ensayo presuntivo se basa en la capacidad del grupo coliforme para fermentar el caldo de lactosa, con desprendimiento de gas. El ensayo confirmado consiste en el desarrollo de cultivos de bacterias coliformes sobre medios que eliminan el crecimiento de otros organismos. El ensayo completo se basa en la capacidad de los cultivos desarrollados en el ensayo confirmado para fermentar de nuevo el caldo de lactosa.
Existen en la actualidad dos métodos aceptados para obtener los números de los organismos coliformes presentes en un volumen de agua dado. La técnica del número más probable (NMP) se ha utilizado durante mucho tiempo y se basa en un análisis estadístico del número de resultados positivos y negativos obtenidos al hacer ensayos múltiples sobre fracciones de igual volumen y fracciones que constituyen una serie geométrica, para la presencia del organismo coliforme. Hay que hacer notar
276 TRATAMIENTO Y DEPURACIÓN DE LAS AGUAS RESIDUALES
distintas formas de nitrógeno y fósforo y, posiblemente, la eliminación de algunos de los elementos que se encuentran a nivel de vestigios, tales como el hierro y el cobalto.
Los protozoos de importancia para los ingenieros sanitarios son las amebas, los flagelados y l<?s ciliadas libres y fijos. Estas protistas se alimentan de las bacterias y de otras protistas microscópicas y son básicas en el funcionamiento de los procesos biológicos de tratamiento así comb en la purificación de los ríos porque mantienen un equilibrio natural entre los distintos grupos de microorganismos. En la bib1iografía<5• 20 Y 27> se ericontrarán descripciones detalladas de estos organismos.
Virus. El comportamiento de los virus con respecto a otros organismos se explica en el capítulo 10. Los virus excretados por los humanos pueden llegar a ser un peligro importante para la salud pública. Por ejemplo, se sabe a través de estudios experimentales, que de 10 000 a 100 000 dosis infecciosas del virus de la hepatitis son emitidas por cada gramo de heces de un paciente de dicha enfermedad.1 Se sabe con certeza que algunos virus viven hasta 41 dias en el agua o agua residual a 20 oc y durante 6 días en un río normal. Cierto número de brotes de hepatitis infecciosa han sido atribuidos a la transmisión del virus a través del suministro normal de agua. Se requiere un estudio mucho más detallado por parte de biólogos e ingenieros para determinar el mecanismo de transporte y eliminación de los virus en suelos, aguas superficiales y plantas de tratamiento de aguas residuales.
Plantas y animales. Las plantas y animales de importancia varían en tamaño desde rotiferos microscópicos y gusanos hasta crustáceos macroscópicos. El conocimiento de estos organismos es útil al valorar el estado de las corrientes y lagos, al determinar la toxicidad de las aguas residuales evacuadas al medio ambiente, y al observar la efectividad de la vida biológica en los procesos secundarios de tratamiento utilizados para destruir los residuos orgánicos. En la bibliografía<5• 11 Y 27> se encontrarán descripciones detalladas de estos organismos. ~
7.4.2. Organismos coliformes
El tracto intestinlll del hombre contiene innumerables bacterias en forma de bastoncillo conocidas como organismos coliformes. Cada persona evacua de 100 000 a 400 000 millones de organism~ coliformes por día, además de otras clases de bacterias. Los organismos coliformes no son dañinos al hombre y, de hecho, son útiles para destruir la materia orgánica en los procesos biológicos de tratamiento de las aguas residuales.
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CARACTERÍSTICAS DE LAS AGUAS RESIDUALES ~ 277
Los organismos patógenos son evacuados por los seres humanos que se vean afectados con alguna enfermedad o que sean portadores de alguna enfermedad particular. Los organismos patógenos que normalmente pueden ser excretados por el hombre causan enfermedades del sistema gastrointestinal, tales como la fiebre tifoidea, disenteria, diarrea y, en ciertas partes del mundo, el cólera.
Dado que el número de organismos patógenos presentes en las aguas residuales y aguas contaminadas son pocos y · difíciles de aislar, el organismo coliforme, que es más numeroso y de determinación más sencilla, 'se utiliza como organismo indicador. La presencia de organismos coliformes se interpreta como una indicación de que los organismos patógenos también pueden estar presentes y su ausencia indica que el agua se halla exenta de organismos productores de enfermedades.
Las bacterias coliformes incluyen los géneros Escherichia y Aerobacter. El uso de los coliformes como organismos indicadores es problemática debido a que la Aerobacter y ciertas especies de Escherichia pueden crecer en el suelo. Por tanto, Ja presencia de coliformes no siempre significa contaminación con residuos humanos. Parece ser que las Escherichia coli (E. coli) son totalmente de origen fecal. Es difícil determinar la E. coli sin incluir los coliformes del suelo; como resultado de ello, todo el grupo coliforme se utiliza como indicador de la contaminación fecal.
En los últimos años se han desarrollado una serie de ensayos que permiten distinguir los coliformes totales, los coliformes fecales y los estreptococos fecales; sobre estas tres clases la literatura técnica ha informado ampliamente, especialmente en articulas que tratan de la escorrentia de zonas urbanas. Para discusión y bibliografía vease USPHS, Drinking Water Standars.26
El procedimiento más corriente para determinar la presencia de coliformes consiste en la realización de ensayos presuntivos. y confirmados. El ensayo presuntivo se basa en la capacidad del grupo coliforme para fermentar el caldo de lactosa, con desprendimiento de gas. El ensayo confirmado consiste en el desarrollo de cultivos de bacterias coliformes sobre medios que eliminan el crecimiento de otros organismos. El ensayo completo se basa en la capacidad de los cultivos desarrollados en el ensayo confirmado para fermentar de nuevo el caldo de lactosa.
Existen en la actualidad dos métodos aceptados para obtener los números de los organismos coliformes presentes en un volumen de agua dado. La técnica del número más probable (NMP) se ha utilizado durante mucho tiempo y se basa en un análisis estadístico del número de resultados positivos y negativos obtenidos al hacer ensayos múltiples sobre fracciones de igual volumen y fracciones que constituyen una serie geométrica, para la presencia del organismo coliforme. Hay que hacer notar
278 TRATAMIENTO Y DEPURACIÓN DE LAS AGUAS RESIDUALES
que el NMP no es la concentración absoluta de organismos que están presentes, sino solamente una estimación estadística de dicha concentración. En el apéndice D se incluyen las tablas completas del NMP y el uso de las mismas se ilustra en los ejemplos 7.5 y 7.6.
EJEMPLO 7.5. Cálculo del NMP
Deternúnese la densidad de coliformes (NMP) para un agua superficial cuyo análisis bacteriano dio los siguientes resultados en el ensayo confirmado estándar.
Solución
Volumen de la fracción, en m!
10,0 1,0 0,1 0,01
Núm. positivo
4 4 2 o
Núm. negativo
1 1 3 5
Según el apéndice D, eliminando la fracción sin tubos positivos de acuerdo con Standard Methods/0 el NMP por lOO mi es 47
EJEMPLO 7.6. NMP de 1111 caudal de agua residual procedente de un aliviadero
Se ensaya una muestra de un caudal aliviado de un sistema unitario para conocer los organismos coliformes de acuerdo con el método NMP,,bteniéndose los siguientes resultados. Determlnese la densidad coliforme.
Solución
Volumen de la fracción, en m!
0,001 0,0001 0,00001 0,000001
Núm. positivo
5 5 5 3
Núm. negativo
o o o 2
Elimínese la Hnea superior, ya que la elección de las tres lineas superiores no conduce a solución alguna. Utilizando las tres líneas inferiores, y de acuerdo con el apéndice D, si los mi del agua residual ep las muestras fueran 10, 1, y 0,1, el NMP sería de 920. Puesto que las muestras son 100 000 veces más diluidas, el NMP por 100 mi de la muestra original será 92 000 000 o 920 000 por ml.
La técnica del filtro de membrana puede utilizarse igualmente para determinar el número de organismos coliformes presebtes en el agua. La determinación se consigue haciendo pasar un volumen conocido de la muestra del agua a través de un filtro de membrana que tenga unos '
CARACTERÍSTICAS DE LAS AGUAS RESIDUALES 279
poros de tamaño muy pequeño. Las bacterias son retenidas en el filtro porque son mayores que los poros y se ponen, entonces, en contacto con agar que contiene los elementos nutritivos necesarios para el crecimiento de las mismas. Tras su incubación, las colonias coliformes pueden ser contadas y determinarse seguidamente la concentración en la muestra de agua original. La técnica del filtro de membrana tiene la ventaja de ser más rápida que el procedimiento del NMP y de dar un recuento directo del número de organismos coliformes. Ambos métodos, por supuesto, están ·sujetos a ciertas limitaciones. En Standard Methods se dan a conocer los procedimientos a emplear para ambos métodos.19
7.4.3. Ensayos biológicos
Los resultados de los ensayos biológicos se utilizan para valorar Ja toxicidad de las aguas residuales en lo que respecta a la vida biológica de las aguas receptoras. La finalidad específica del ensayo biológico es: 1) determinar la concentración de un agua residual dada que produzca la muerte del 50% de los organismos de en.sayo en un período de tiempo especificado, y 2) determinar la concentración máxima que no causa efecto aparente sobre los organismos de ensayo durante 96 horas. Se consiguen estos objetivos introduciendo peces u otros animales adecuados en acuarios conteniendo distintas concentraciones del agua residual en cuestión y observando seguidamente su supervivencia a lo largo del tiempo. Por lo general, las observaciones se hacen tras 24, 48 y 96 horas. Los procedimientos generales de ensayo valoración de los resultados y aplicación de los mismos se describen en el siguiente apartado.
Procedimientos de ensayo. Los procedimientos que se sigu~n en la realización de ensayos biológicos de rutina se resumen y dan a conocer en los Standard Methods.19 El ensayo de rutina se aplica bastante para detectar y evaluar la toxicidad aguda, no asociada con una demanda excesiva de oxígeno, y se debe a sustancias que son relativamente estables y no demasiado volátiles. La muerte de los organismos de ensayo debida a una deficiencia de oxígeno disuelto en agua polucionada, debe distinguirse de la muerte por toxicidad. Para detectar y valorar el grado del efecto letal directo de las aguas residuales solamente, debe mantenerse una concentración adecuada de oxígeno disuelto durante los ensayos de toxicidad. Cuando se sospeche que la toxicidad de las soluciones a analizar declina rápidamente durante el curso de un ensayo, se recomienda modificar algo el procedimiento de rutina. La reducción de la toxicidad de una solución puede ser el resultado de la reducción o eliminación de los
278 TRATAMIENTO Y DEPURACIÓN DE LAS AGUAS RESIDUALES
que el NMP no es la concentración absoluta de organismos que están presentes, sino solamente una estimación estadística de dicha concentración. En el apéndice D se incluyen las tablas completas del NMP y el uso de las mismas se ilustra en los ejemplos 7.5 y 7.6.
EJEMPLO 7.5. Cálculo del NMP
Deternúnese la densidad de coliformes (NMP) para un agua superficial cuyo análisis bacteriano dio los siguientes resultados en el ensayo confirmado estándar.
Solución
Volumen de la fracción, en m!
10,0 1,0 0,1 0,01
Núm. positivo
4 4 2 o
Núm. negativo
1 1 3 5
Según el apéndice D, eliminando la fracción sin tubos positivos de acuerdo con Standard Methods/0 el NMP por lOO mi es 47
EJEMPLO 7.6. NMP de 1111 caudal de agua residual procedente de un aliviadero
Se ensaya una muestra de un caudal aliviado de un sistema unitario para conocer los organismos coliformes de acuerdo con el método NMP,,bteniéndose los siguientes resultados. Determlnese la densidad coliforme.
Solución
Volumen de la fracción, en m!
0,001 0,0001 0,00001 0,000001
Núm. positivo
5 5 5 3
Núm. negativo
o o o 2
Elimínese la Hnea superior, ya que la elección de las tres lineas superiores no conduce a solución alguna. Utilizando las tres líneas inferiores, y de acuerdo con el apéndice D, si los mi del agua residual ep las muestras fueran 10, 1, y 0,1, el NMP sería de 920. Puesto que las muestras son 100 000 veces más diluidas, el NMP por 100 mi de la muestra original será 92 000 000 o 920 000 por ml.
La técnica del filtro de membrana puede utilizarse igualmente para determinar el número de organismos coliformes presebtes en el agua. La determinación se consigue haciendo pasar un volumen conocido de la muestra del agua a través de un filtro de membrana que tenga unos '
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poros de tamaño muy pequeño. Las bacterias son retenidas en el filtro porque son mayores que los poros y se ponen, entonces, en contacto con agar que contiene los elementos nutritivos necesarios para el crecimiento de las mismas. Tras su incubación, las colonias coliformes pueden ser contadas y determinarse seguidamente la concentración en la muestra de agua original. La técnica del filtro de membrana tiene la ventaja de ser más rápida que el procedimiento del NMP y de dar un recuento directo del número de organismos coliformes. Ambos métodos, por supuesto, están ·sujetos a ciertas limitaciones. En Standard Methods se dan a conocer los procedimientos a emplear para ambos métodos.19
7.4.3. Ensayos biológicos
Los resultados de los ensayos biológicos se utilizan para valorar Ja toxicidad de las aguas residuales en lo que respecta a la vida biológica de las aguas receptoras. La finalidad específica del ensayo biológico es: 1) determinar la concentración de un agua residual dada que produzca la muerte del 50% de los organismos de en.sayo en un período de tiempo especificado, y 2) determinar la concentración máxima que no causa efecto aparente sobre los organismos de ensayo durante 96 horas. Se consiguen estos objetivos introduciendo peces u otros animales adecuados en acuarios conteniendo distintas concentraciones del agua residual en cuestión y observando seguidamente su supervivencia a lo largo del tiempo. Por lo general, las observaciones se hacen tras 24, 48 y 96 horas. Los procedimientos generales de ensayo valoración de los resultados y aplicación de los mismos se describen en el siguiente apartado.
Procedimientos de ensayo. Los procedimientos que se sigu~n en la realización de ensayos biológicos de rutina se resumen y dan a conocer en los Standard Methods.19 El ensayo de rutina se aplica bastante para detectar y evaluar la toxicidad aguda, no asociada con una demanda excesiva de oxígeno, y se debe a sustancias que son relativamente estables y no demasiado volátiles. La muerte de los organismos de ensayo debida a una deficiencia de oxígeno disuelto en agua polucionada, debe distinguirse de la muerte por toxicidad. Para detectar y valorar el grado del efecto letal directo de las aguas residuales solamente, debe mantenerse una concentración adecuada de oxígeno disuelto durante los ensayos de toxicidad. Cuando se sospeche que la toxicidad de las soluciones a analizar declina rápidamente durante el curso de un ensayo, se recomienda modificar algo el procedimiento de rutina. La reducción de la toxicidad de una solución puede ser el resultado de la reducción o eliminación de los
280 TRATAMIENTO Y DEPURACIÓN DE LAS AGUAS RESIDUALES
componentes tóxicos debido a una gran volatilidad por oxidación, hidrólisis, precipitación, o por su combinación con los subproductos metabólicos de los peces ensayados, etc.
La validez del ensayo depende por una parte de la selección de las especies adecuadas y, por otra, de las características del agua receptora en las que -descarga el residúo. En ensayos sobre polución en estuarios, especies tales como espinos o pececillos de cebo o peces mosquito {Gambusia) son adecuadas como animales de ensayo por su tolerancia a ~na amplia variación de la salinidad, por su abundancia en muchas aguas costeras y también por su tamaño. En ensayos de agua dulce, las especies utilizadas con mayor éxito han sido los espinos, los peces mosquito, los foxinos, trucha y rueda.
Para detalles sobre el tamaño de los acuarios de ensayo, temperatura, mantenimiento, selección de los especimenes de ensayo y otras materias afines, debe consultarse los Standard Methods.29
Evaluación de resultados. La medida prescrita de toxicidad aguda, es el límite de tolerancia media (LT,,), definido como la concentración de residuo (tóxico) en la que solamente un 50% de los animales de ensayo son capaces de sobrevivir durante un periodo especifico de exposición. El método para calcular el LT,. se ilustra en el ejemplo 7.7. Los valores LT,. son solamente estimaciones de la toxicidad aguda del agua para un residuo en condiciones de laboratorio. Los valores obtenidos no representan las concentraciones del residuo ensayado que pueden considerarse no perjudiciales a la diversa fauna y flora acuátic,. Las concentraciones de un residuo que no sean tóxicas a Jos organismos de ensayos seleccionados tras 96 horas, pueden en cambio ser muy tóxicas a estos mismos animales u otras especies económica o ecológicamente importantes si estuviesen sometidos a una exposición crónica o continua. Chain y Selleck2 han propuesto un sistema más representativo para evaluar los resultados de los ensayos biológicos, basada en una consideración del umbral de la toxicidad.
EJEMPLO 7.7. And/isis de ensayos biológicos
Utilizando Jos datos hipotéticos que se indican seguidamente, determínense los valores LTm para 24 y 48 horas en porcentaje en volumen.
Concentración Núm. de Núm. de animales de ensayo supervivientes de un residuo, animales
en % en volumen de ensayo después de 24 h después de 48 h
40 20 1 o 20 20 8 o 10 20 14 6
5 20 20 13 3 20 20 • 16
, . ..
7
CARACTERÍSTICAS DE LAS AGUAS RESIDUALES . ' 281
Solución
l . Represéntese la concentración del residuo en porcentaje en volumen, en relación con el porcentaje de animales de ensayo supervivientes.
2. Unanse los puntos correspondientes a los datos situados a ambos lados de la supervivencia de un 50 % durante 24 y 48 horas.
3. Hállese la concentración del residuo para una supervivencia del 50 %. 4. Los valores LTm, tal y como se muestran en la figura 7.13, son el 16,0 % durante
24 horas y el 6,7 % durante 48 horas.
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50
-o e 10 cw ·o · - Q) l6 ·;o 5 .... ~ ~·e CQ) wo o~ e o oc. u
o Datos de ensayo a 24 h
• Datos de ensayo a 48 h
24hTLm~
48hT~ •
o
o
1L-~-L--L-~-L~L-J--L--L-~ o 20 40 60 80 1 00
Porcentaje de animales de ensayo supervivientes
Fig. 7.13. Representación gráfica y análisis de los datos de un ensayo biológico
Aplicación de resultados. Al estimar las relaciones permisibles de dilución del residuo en base a los resultados de ensayos biológicos sobre toxicidad aguda, debe utilizarse algún factor de aplicación. El factor de aplicación se define como la concentración del material o residuo que no es dañino bajo una exposición continua o a largo plazo dividida por el valor LT,. de 96 horas para dicho residuo.
En ausencia de datos sobre la toxicidad, aparte del LTm de 96 horas, el National Technical Advisory Committee on Water Quality Criteria ha recomendado unos factores de aplicación que varían de 1/10 a 1(100 del LTm de 96 horas, según la naturaleza y característica del residuo.28 En algunos casos esta recomendación supone incluir un requisito que demuestre que los niveles de seguridad prescritos en base al LTm de 96 horas y al factor de aplicación no provoquen disminuciones en la productividad o diversidad de la fauna y flora del agua receptora.28
PROBLEMAS
7.1. Las variaciones de caudal y DBO con el tiempo en una planta de tratamiento se dan en la figura 7.14. Calcúlese la media ponderada y el valor promedio de la DBO .
280 TRATAMIENTO Y DEPURACIÓN DE LAS AGUAS RESIDUALES
componentes tóxicos debido a una gran volatilidad por oxidación, hidrólisis, precipitación, o por su combinación con los subproductos metabólicos de los peces ensayados, etc.
La validez del ensayo depende por una parte de la selección de las especies adecuadas y, por otra, de las características del agua receptora en las que .descarga el residúo. En ensayos sobre polución en estuarios, especies tales como espinos o pececillos de cebo o peces mosquito (Gambusia) son adecuadas como animales de ensayo por su tolerancia a t¡.na amplia variación de la salinidad, por su abundancia en muchas aguas costeras y también por su tamaño. En ensayos de agua dulce, las especies utilizadas con mayor éxito han sido los espinos, los peces mosquito, los foxinos, trucha y rueda.
Para detalles sobre el tamaño de los acuarios de ensayo, temperatura, mantenimiento, selección de los especímenes de ensayo y otras materias afines, debe consultarse los Standard Methods.29
Evaluación de resultados. La medida prescrita de toxicidad aguda, es el límite de tolerancia media (LTm), definido como la concentración de residuo (tóxico) en la que solamente un 50% de los animales de ensayo son capaces de sobrevivir durante un periodo específico de exposición. El método para calcular el LT,. se ilustra en el ejemplo 7.7. Los valores LTm son solamente estimaciones de la toxicidad aguda del agua para un residuo en condiciones de laboratorio. Los valores obtenidos no representan las concentraciones del residuo ensayado que pueden considerarse no perjudiciales a la diversa fauna y flora acuátic(. Las concentraciones de un residuo que no sean tóxicas a los organismos de ensayos seleccionados tras 96 horas, pueden en cambio ser muy tóxicas a estos mismos animales u otras especies económica o ecológicamente importantes si estuviesen sometidos a una exposición crónica o continua. Chain y Sel1eck2 han propuesto un sistema más representativo para evaluar los resultados de los ensayos biológicos, basada en una consideración del umbral de la toxicidad.
EJEMPLO 7.7. Análisis de ensayos biol6gicos
Utilizando Jos datos l1ipotéticos que se indican seguidamente, determínense los valores LTm para 24 y 48 horas en porcentaje en volumen.
Concentración Núm. de Núm. de animales de ensayo supervivientes de un residuo, animales
en % en volumen de ensayo después de 24 h después de 48 h
40 20 1 o 20 20 8 o 10 20 14 6
5 20 20 13 3 20 20 • 16
CARACTERÍSTICAS DE LAS AGUAS RESIDUALES 281
Solución
l. Represéntese la concentración del residuo en porcentaje en volumen, en relación con el porcentaje de animales de ensayo supervivientes.
2. Unanse los puntos correspondientes a los datos situados a ambos lados de la supervivencia de un 50 % durante 24 y 48 horas.
3. Hállese la concentración del residuo para una supervivencia del 50 %. 4. Los valores LTm, tal y como se muestran en la figura 7.13, son el 16,0 % durante
24 horas y el 6,7 % durante 48 horas.
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o Datos de ensayo a 24 h
• Datos de ensayo a 48 h
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Porcentaje de animales de ensayo supervivientes
Fig. 7.13. Representación gráfica y análisis de los datos de un ensayo biológico
Aplicación de resultados. Al estimar las relaciones permisibles de dilución del residuo en base a los resultados de ensayos biológicos sobre toxicidad aguda, debe utilizarse algún factor de aplicación. El factor de aplicación se define como la concentración del material o residuo que no es dañino bajo una exposición continua o a largo plazo dividida por el valor LT111 de 96 horas para dicho residuo.
En ausencia de datos sobre la toxicidad, aparte del LTm de 96 horas, el National Technical Advisory Committee on Water Quality Criteria ha recomendado unos factores de aplicación que varían de 1/10 a 1{100 del LT111 de 96 horas, según la naturaleza y característica del residuo.28 En algunos casos esta recomendación supone incluir un requisito que demuestre que los niveles de seguridad prescritos en .base al LTm de 96 horas y al factor de aplicación no provoquen disminuciones en la productividad o diversidad de la fauna y flora del agua receptora.2s
PROBLEMAS
7.1. Las variaciones de caudal y DBO con el tiempo en una planta de tratamiento se dan en la figura 7.14. Calcúlese la media ponderada y el valor promedio de la DBO .
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TRATAMIENTO Y DEPURACIÓN DE LAS AGUAS RESIDUALES
Si una muestra de agua residual de una ciudad con una población de 100 000 habitantes y una dotación media de 450 1/hab· día contiene 5 ml/1 de sólidos sedimentables, ¿cuántos metros cúbicos de fango se producirán por día? En una determinación de DBO, se mezclan 6 rol de agua residual con 294 mi de agua de dilución · que contiene 8,6 mg/1 de oxígeno disuelto. Tras una incubación de 5 días a 20 °C el contenido de oxígeno disuelto de la mezcla es 5,4 mg por litro. Calcúlese la DBO" del agua residual. Supóngase que el oxígeno disuelto inicial del agua residual es cero. La DBO a 5 días y a 20 oc de un agua residual es 210 mg/1. ¿Cuál será la DBO última? ¿Cuál será la demanda a los 10 días? Si la botella ha sido incubada a 30 °C, ¿cuál habría sido la DBO a los 5 días? K' = 0,23. . Los siguientes resultados de DBO fueron obtenidos en una muestra de agua residual cruda·a 20 °C.
t, en dfas o 2 3 4 5
y, en mg/1 o 65 109 138 158 172
Calcúlese la constante de reacción K y la DBO ültima de la primera fase, utilizando los métodos de Tllomas y de los mínimos cuadrados. Calcülese la demanda de oxígeno carbonosa y nitrogenada de un residuo representado por la fórmula C9N2H00 2 (N se convierte en NH3 en la primera fase). El oxígeno disuelto de un estuario sujeto a mareas debe mantenerse a una concentración igual o superior a 4,5 mg/1. La temperatura media del agua durante Jos meses de verano es de 24 oc y la concentración de cloruros es 5000 mg/1. ¿Qué porcentaje de saturación representa esto? Los resultados de un ensayo coliforme presuntivo fueron 4 fracciones positivas de cada 5 tubos de 10 mi, 3 fracciones positivas de(.> tubos de 1 mi y O fracciones positivas de 5 tubos de 0,1 mi. ¿Cuál es el NMP por 100 ml? Disctítanse las ventajas e inconvenientes de utilizar el ensayo de Jos coliformes fecales para indicar la polución bacteriológica.
300
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4 8 12 16 20 24 Tiempo. horas
Fig. 7.14. Variaciones horarias del caudal y DBO pata el problema 7.1
CARACTERÍSTICAS DE LAS AGUAS RESIDUALES 283
BIBLIOGRAFIA
1. Berg, G.: Transmission of Viruses by the Waier Route, Wiley, New York, 1965. 2. Chen, C. W., and R. E. Selleck: A Kinetic Model of Fish Toxicity Threshold,
J. WPCF, vpl.. 41, no. 8, part 2, 1969. 3. Ciar k, J. W.: New Method for Biochemical Oxygen Demand, Eng. Experimental
Sta., New Mexico State University, Bulletin 11, 1959. 4. Clifford, D.: Total Oxygen Demand- A New Instrumental Method, American
Chemical Society, Midland, Mich., 1967. 5. Hutchinson, G. E.: A Treatise on Limnology , vol. 11, Wiley, New York 1967. 6. Kléin S. A. and P. H. McGauhey: Degradation of Biologically Soft Detergents
by Wastewater Treatment Processes J . WPCF, vol. 37, no. 6, 1965. 7. McCarty, P. L. : Anaerobic Waste Treatment Fundamentals, Public Works, vol. 95,
no. 11, 1964. · 8. McKee, J. E., and H. W. Wolf: Water Quality Criteria, 2d ed., Report to Califor
nia State Water Quality Control Board, Publication 3A, 1963. 9. Moore, E. W., H. A. Tbomas, and W. B. Snow: Simplified Method for Analysis
of BOD Data, Sewage and Industrial Wastes, vol. 22, no. 10, 1950. 10. Palmer, E. M.: Algae in Water Supplies, U.S. Public Health Set·vice, Pub. 657,
Washington, D.C., 1959. 11. Pennak, R. W. : Fresh-Water Invertebrates of the United States, Ronald Press,
New York, 1953. 12. Phelps, E. B.: Stream Sanitation, Wiley, New York, 1944. 13. Prescott, G. W.: The Freshwater Algae, 2d ed., B"rown Company, Dubuque, Iowa,
1970. 14. Sawyer, C. N., and L. Bradney: Modernization of the BOD Test for Determining
the Efficiency of Sewage Treatrnent Processes, Sewage Works Journal, vol. 18, no. 6, 1946.
15. Sawyer, C. N., and P.L. McCarty: Chemistry for Sanitary Engineers, 2d ed. , McGraw·Hill, New York, 1967.
16. Scbroepfer, G. J., M. L. Robins, and R. H. Susag : The Research Program on tlle Mississippi River in the Vicinity of Minneapolis and St. Paul, Advances in Water Pollution Research, vol. 1, Pergamon, London, 1964.
17. Slleehy, J. P. : Rapid Metbods for Solving Monomolecular Equations, J. WPCF, vol. 32, no. 6, 1960. ·
18. Smitll, G. M.: The Fresh-Water Algae of tire United States, McGraw-Hill, New York, 1950.
19. Standard Methods /or the Examination of Water and Waste Water, 13th ed., American Public Health Association, 1971.
20. Stanier, R. Y., M. Doudoroff, a ndE. A. Adelberg: The Microbial World, 3d ed., Prentice-Hall, Englewood Cliffs, N.J., 1970.
21. Stwnm, W., and J. J. Margan: Aquatic Clzemistty, Wiley-Interscience, New York, 1970.
22. Tchobanoglous, G., and R. Eliassen: The Indirect Cycle of Water Reuse, Water and Wastes Engineering, vol. 6, no. 2, 1969.
23. Theroux, F. R., E. F. Eldridge, and W. L. Mallmann: Analysis of Water and Sewage, McGraw-Hill, New York, 1943.
24. Thomas, H. A., Jr.: Graphical Determination of BOD Curve Constants, Water and Sewage Works, vol. 97, p. 123, 1950.
25. Tsivoglou, E. C:: Oxygen Relationships in Streams, Robert A. Taft Sanitary Engineering Center, Technical Report W-58-2, 1958.
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7.2.
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TRATAMIENTO Y DEPURACIÓN DE LAS AGUAS RESIDUALES
Si una muestra de agua residual de una ciudad con una población de 100 000 habitantes y una dotación media de 450 1/hab· día contiene 5 ml/1 de sólidos sedimentables, ¿cuántos metros cúbicos de fango se producirán por día? En una determinación de DBO, se mezclan 6 rol de agua residual con 294 mi de agua de dilución · que contiene 8,6 mg/1 de oxígeno disuelto. Tras una incubación de 5 días a 20 °C el contenido de oxígeno disuelto de la mezcla es 5,4 mg por litro. Calcúlese la DBO" del agua residual. Supóngase que el oxígeno disuelto inicial del agua residual es cero. La DBO a 5 días y a 20 oc de un agua residual es 210 mg/1. ¿Cuál será la DBO última? ¿Cuál será la demanda a los 10 días? Si la botella ha sido incubada a 30 °C, ¿cuál habría sido la DBO a los 5 días? K' = 0,23. . Los siguientes resultados de DBO fueron obtenidos en una muestra de agua residual cruda·a 20 °C.
t, en dfas o 2 3 4 5
y, en mg/1 o 65 109 138 158 172
Calcúlese la constante de reacción K y la DBO ültima de la primera fase, utilizando los métodos de Tllomas y de los mínimos cuadrados. Calcülese la demanda de oxígeno carbonosa y nitrogenada de un residuo representado por la fórmula C9N2H00 2 (N se convierte en NH3 en la primera fase). El oxígeno disuelto de un estuario sujeto a mareas debe mantenerse a una concentración igual o superior a 4,5 mg/1. La temperatura media del agua durante Jos meses de verano es de 24 oc y la concentración de cloruros es 5000 mg/1. ¿Qué porcentaje de saturación representa esto? Los resultados de un ensayo coliforme presuntivo fueron 4 fracciones positivas de cada 5 tubos de 10 mi, 3 fracciones positivas de(.> tubos de 1 mi y O fracciones positivas de 5 tubos de 0,1 mi. ¿Cuál es el NMP por 100 ml? Disctítanse las ventajas e inconvenientes de utilizar el ensayo de Jos coliformes fecales para indicar la polución bacteriológica.
300
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4 8 12 16 20 24 Tiempo. horas
Fig. 7.14. Variaciones horarias del caudal y DBO pata el problema 7.1
CARACTERÍSTICAS DE LAS AGUAS RESIDUALES 283
BIBLIOGRAFIA
1. Berg, G.: Transmission of Viruses by the Waier Route, Wiley, New York, 1965. 2. Chen, C. W., and R. E. Selleck: A Kinetic Model of Fish Toxicity Threshold,
J. WPCF, vpl.. 41, no. 8, part 2, 1969. 3. Ciar k, J. W.: New Method for Biochemical Oxygen Demand, Eng. Experimental
Sta., New Mexico State University, Bulletin 11, 1959. 4. Clifford, D.: Total Oxygen Demand- A New Instrumental Method, American
Chemical Society, Midland, Mich., 1967. 5. Hutchinson, G. E.: A Treatise on Limnology , vol. 11, Wiley, New York 1967. 6. Kléin S. A. and P. H. McGauhey: Degradation of Biologically Soft Detergents
by Wastewater Treatment Processes J . WPCF, vol. 37, no. 6, 1965. 7. McCarty, P. L. : Anaerobic Waste Treatment Fundamentals, Public Works, vol. 95,
no. 11, 1964. · 8. McKee, J. E., and H. W. Wolf: Water Quality Criteria, 2d ed., Report to Califor
nia State Water Quality Control Board, Publication 3A, 1963. 9. Moore, E. W., H. A. Tbomas, and W. B. Snow: Simplified Method for Analysis
of BOD Data, Sewage and Industrial Wastes, vol. 22, no. 10, 1950. 10. Palmer, E. M.: Algae in Water Supplies, U.S. Public Health Set·vice, Pub. 657,
Washington, D.C., 1959. 11. Pennak, R. W. : Fresh-Water Invertebrates of the United States, Ronald Press,
New York, 1953. 12. Phelps, E. B.: Stream Sanitation, Wiley, New York, 1944. 13. Prescott, G. W.: The Freshwater Algae, 2d ed., B"rown Company, Dubuque, Iowa,
1970. 14. Sawyer, C. N., and L. Bradney: Modernization of the BOD Test for Determining
the Efficiency of Sewage Treatrnent Processes, Sewage Works Journal, vol. 18, no. 6, 1946.
15. Sawyer, C. N., and P.L. McCarty: Chemistry for Sanitary Engineers, 2d ed. , McGraw·Hill, New York, 1967.
16. Scbroepfer, G. J., M. L. Robins, and R. H. Susag : The Research Program on tlle Mississippi River in the Vicinity of Minneapolis and St. Paul, Advances in Water Pollution Research, vol. 1, Pergamon, London, 1964.
17. Slleehy, J. P. : Rapid Metbods for Solving Monomolecular Equations, J. WPCF, vol. 32, no. 6, 1960. ·
18. Smitll, G. M.: The Fresh-Water Algae of tire United States, McGraw-Hill, New York, 1950.
19. Standard Methods /or the Examination of Water and Waste Water, 13th ed., American Public Health Association, 1971.
20. Stanier, R. Y., M. Doudoroff, a ndE. A. Adelberg: The Microbial World, 3d ed., Prentice-Hall, Englewood Cliffs, N.J., 1970.
21. Stwnm, W., and J. J. Margan: Aquatic Clzemistty, Wiley-Interscience, New York, 1970.
22. Tchobanoglous, G., and R. Eliassen: The Indirect Cycle of Water Reuse, Water and Wastes Engineering, vol. 6, no. 2, 1969.
23. Theroux, F. R., E. F. Eldridge, and W. L. Mallmann: Analysis of Water and Sewage, McGraw-Hill, New York, 1943.
24. Thomas, H. A., Jr.: Graphical Determination of BOD Curve Constants, Water and Sewage Works, vol. 97, p. 123, 1950.
25. Tsivoglou, E. C:: Oxygen Relationships in Streams, Robert A. Taft Sanitary Engineering Center, Technical Report W-58-2, 1958.
284 TRATAMIENTO Y DEPURACIÓN DE LAS AGUAS RESUDUALES
26. U.S. Public Health Service: Public Health Service Drinking Water Standards, Washington, D.C., 1962.
27. Ward, H. B., and G. C. Whipple (ed. by W. T. Edmondson): Fresh Water Biology, 2d ed., Wiley, New York, 1959.
28. Water Quality Criteria, National Technical Advisory Committee, Federal Water Pollutio11 Control Administration, Washington, D.C., 1968.
29. Waugb, A. E.: Elements o["Statistlcal Method, 2d ed., McGraw-Hill, New York, 1943.
30. Ymmg, H. D.: Statistical Treatment of Experimental Data, McGraw-Hill, New York, 1962.
31. Young, J. C.: Cbemical Metbods for Nitrification Control, Proceedings i/ tlze 24th Industrial Waste Conference, part 2, Purdue University, Lafayette, Indiana, 1969.
32. Young, J. C., W. Garner, and J. W. Clark: An Improved Apparatus for Biochemical Oxygen Demand, Analytical Chemis1ry, vol. 37, p. 784, 1965.
8 Operaciones físicas unitarias
Los contaminantes del agua residual son eliminados por medios físicos, químicos y biológicos. Los medios de tratamiento en que se aplican predominantemente fuerzas físicas se liaman operaciones unitarias y se tratan ampliamente en los libros de texto sobre ingeniería quimica13• 18 y libros de consulta.1: 15 Operaciones unitariás son pues el desbaste, mezclado, la floculación, sedimentación, flotación, elutriación, filtración al vacío, transferencia térmica y secado. Los medios de tratamiento en los que la eliminación de los contaminantes se consigue mediante la adición de productos químicos o por actividad biológica se conocen por procesos unitarios. Ejemplos de estos procesos son la precipitación, combustión y oxidación biológica.
Las operaciones unitarias antes mencionadas y que se discutirán en este capítulo, y los procesos unitarios biológicos, que se tratarán en los capítulos 9 y 10, respectivamente, se presentan en combinaciones diversas en los distintos sistemas de tratamiento, si bien los principios fundamentales de su funcionamiento no cambian; de aquí que, al igual que en la ingeniería química, convenga estudiar la base científica de su ·operación como unidades.
Los principios desarrollados en estos capítulos (8 y 10) se aplicarán al proyecto de las instalaciones de tratamiento que se detallan en los capítulos 11 y 12. El diseño de las instalaciones para la eliminación y tratamiento de fangos se discute por separado y detalladamente en el capítulo 13. Los procesos y operaciones unitarios relacionados con los tratamientos avanzados se discuten en el capítulo 14. En estos cuatro últimos capítulos, las diversas operaciones y procesos unitarios se presentarán conjuntamente en los diagramas de flujo de plantas de tratamiento, como el que se muestra en la figura 8.1.
284 TRATAMIENTO Y DEPURACIÓN DE LAS AGUAS RESUDUALES
26. U.S. Public Health Service: Public Health Service Drinking Water Standards, Washington, D.C., 1962.
27. Ward, H. B., and G. C. Whipple (ed. by W. T. Edmondson): Fresh Water Biology, 2d ed., Wiley, New York, 1959.
28. Water Quality Criteria, National Technical Advisory Committee, Federal Water Pollutio11 Control Administration, Washington, D.C., 1968.
29. Waugb, A. E.: Elements o["Statistlcal Method, 2d ed., McGraw-Hill, New York, 1943.
30. Ymmg, H. D.: Statistical Treatment of Experimental Data, McGraw-Hill, New York, 1962.
31. Young, J. C.: Cbemical Metbods for Nitrification Control, Proceedings i/ tlze 24th Industrial Waste Conference, part 2, Purdue University, Lafayette, Indiana, 1969.
32. Young, J. C., W. Garner, and J. W. Clark: An Improved Apparatus for Biochemical Oxygen Demand, Analytical Chemis1ry, vol. 37, p. 784, 1965.
8 Operaciones físicas unitarias
Los contaminantes del agua residual son eliminados por medios físicos, químicos y biológicos. Los medios de tratamiento en que se aplican predominantemente fuerzas físicas se liaman operaciones unitarias y se tratan ampliamente en los libros de texto sobre ingeniería quimica13• 18 y libros de consulta.1: 15 Operaciones unitariás son pues el desbaste, mezclado, la floculación, sedimentación, flotación, elutriación, filtración al vacío, transferencia térmica y secado. Los medios de tratamiento en los que la eliminación de los contaminantes se consigue mediante la adición de productos químicos o por actividad biológica se conocen por procesos unitarios. Ejemplos de estos procesos son la precipitación, combustión y oxidación biológica.
Las operaciones unitarias antes mencionadas y que se discutirán en este capítulo, y los procesos unitarios biológicos, que se tratarán en los capítulos 9 y 10, respectivamente, se presentan en combinaciones diversas en los distintos sistemas de tratamiento, si bien los principios fundamentales de su funcionamiento no cambian; de aquí que, al igual que en la ingeniería química, convenga estudiar la base científica de su ·operación como unidades.
Los principios desarrollados en estos capítulos (8 y 10) se aplicarán al proyecto de las instalaciones de tratamiento que se detallan en los capítulos 11 y 12. El diseño de las instalaciones para la eliminación y tratamiento de fangos se discute por separado y detalladamente en el capítulo 13. Los procesos y operaciones unitarios relacionados con los tratamientos avanzados se discuten en el capítulo 14. En estos cuatro últimos capítulos, las diversas operaciones y procesos unitarios se presentarán conjuntamente en los diagramas de flujo de plantas de tratamiento, como el que se muestra en la figura 8.1.