CARACTERIZACIN DE AGUAS RESIDUALES.

1.1 Generalidades

Las caractersticas del agua que llega a las estaciones de depuracin de aguas residuales (EDAR)

dependen de los tres orgenes de donde esta proviene.

- Aguas de uso domestico

- Aguas industriales

- Aguas de lluvia

As como tambin de las transformaciones que han podido sufrir antes de llegar a la planta, es

decir, en estaciones de regulacin o pretratamiento y esencialmente en el propio alcantarillado.

Se centrara el anlisis en las aguas de uso domestico que corresponde a la fraccin ms

importante de las A.R.U., estas por definicin corresponden a las aguas utilizadas para la

eliminacin de excrementos y las que proceden del uso domestico tales como lavado de ropa,

limpieza de la casa, bao etc.

Estas aguas contienen materias en suspensin que corresponden a tierra o arena y diversas

materias insolubles, materias inorgnicas, grasas, detergentes y sales diversas.

1.2 Aportes de agua residual

Las aguas urbanas brutas tienen una magnitud y caractersticas bastante uniformes una vez

definido el nivel econmico y social de la poblacin.

Tabla 1.1 Valores relacionados con la descarga de aguas residuales. (Hernndez, 1992)

Parmetro Valor (/habitantedia)

Agua 250 l

DBO 50 gO2

Slidos Suspendidos (SS) 40 g

Slidos Susp. Vol. (SSV) 30 g

DQO 125 g O2

Nitrgeno AM. (N-NH3) 8 g

Detergentes 2,5

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Adicionalmente, tanto los caudales como las caractersticas fsico-qumicas y biolgicas varan

apreciablemente segn varios procesos cclicos tanto diarios, semanales, mensuales que se

solapan con la evolucin de tendencias.

Estas variaciones pueden cambiar en un rango de 100% las caractersticas mencionadas y por

tanto son muy importantes para el diseo, que suele considerar aparte de las condiciones medias

las correspondientes a las horas punta.

En las redes unitarias, el agua de lluvia se mezcla con la urbana. Dado que la primera puede ser

en determinados momentos muy superior en caudal a la urbana, se requieren tanques de

retencin o aliviaderos de aguas tormentas.

En redes separadas, las aguas de lluvia pueden verterse directamente a los cauces receptores,

pero hay que tener en cuenta que las primeras aguas de lluvia arrastran muy rpido la

contaminacin, alcanzando altos niveles de polucin especialmente en zonas industriales, por

tanto pueden requerirse tanques de sedimentacin de tormentas.

1.3 Transformaciones en el alcantarillado Las transformaciones en el alcantarillado modifican apreciablemente las caractersticas del agua

en el vertido. As ocurre con las concentraciones de algunos substratos muy rpidamente

biodegradables, de oxigeno, sulfuro, y de algunos microorganismos.

Las transformaciones se producen a travs de reacciones en biopelculas en la pared del

alcantarillado (entre 0,5 mm varios cm de espesor), mas que por organismos suspendidos. Con

alcantarillado de canal hay procesos aerbicos durante el recorrido del agua, pudiendo reducirse la

DBO de forma apreciable.

En procesos anaerobios se producen tambin numerosas transformaciones. Una de las ms

importantes es la transformacin de sulfato en Sulfhidrico, en biopeliculas bien desarrolladas

(produccin de 0,5 SH2/m2h) dadas las altas concentraciones de sulfato y sustratos orgnicos.

Junto con los problemas de olores, se plantean tambin de corrosin, ya que el SH2 producido con

el O2 de zonas aerbicas produce cido sulfrico con participacin de diversas especies de

Thiobacillus en funcin del pH de trabajo y el grado de corrosin que se produce.

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Tabla 1.2 Composicin tpica del agua residual (Meftcal and Eddy)

Componente Fuerte Media Dbil

Slidos totales 1200 720 35

Disueltos 950 500 250

Fijos 525 300 145

Voltiles 325 200 105

Suspendidos 350 220 100

Fijos 75 55 20

Voltiles 275 165 80

Sedimentable 20 10 5

DBO 400 220 110

COT 290 160 80

DQO 1000 500 250

Nitrog. Total 85 40 20

Orgnico 35 15 8

Amoniacal 50 25 12

Nitritos 0 0 0

Nitratos 0 0 0

Fsforo Total 15 8 4

Orgnico 5 3 1

Inorgnico 10 5 3

Cloruros 100 50 30

Alcalinidad 200 100 50

Grasas y aceites 150 100 50

1.4 Aguas residuales industriales

Las aguas residuales industriales presentan caractersticas distintas de las aguas residuales

domesticas, ya que si estas varan muy poco en su composicin, tanto cualitativamente como

cuantitativamente, lo que depende bsicamente de los hbitos de consumo, nivel de vida, clima

etc. Las aguas residuales presentan caractersticas muy diversas, dependiendo de las distintas

clases de industria que las generan e incluso varan dentro de la misma industria.

Por lo que al adentrarse en el amplio mundo del conocimiento de las aguas residuales industriales,

exista el peligro de simplificar el problema, intentando generalizar e incluso extrapolar, aplicando a

esta agua las tcnicas que se utilizan y se han desarrollado para A.R.U.

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Para conocer las aguas residuales de una determinada industria se debe, en primer lugar abordar

las distintas operaciones en las que participa el agua como insumo de proceso dentro de la misma

industria y en ese momento se puede recin abordar los problemas de la polucin y su

tratamiento.

Hay que tener en cuenta que no existe un procedimiento universal de depuracin y que en muchos

casos habr que aplicar distintas soluciones de tratamiento a las aguas residuales de distintas

lneas de fabricacin incluso dentro de una misma industria.

Una de las clasificaciones se hace de acuerdo a la posibilidad de biodegradacin de la materia

orgnica presente:

- Aguas residuales industriales que contienen materia orgnica

- Aguas residuales que no contienen nada mas que sustancias minerales disueltas

- Aguas mixtas, que poseen de las dos anteriores

1.4.1 Ejemplo de agua residual industrial, Mataderos

1.4.2 El agua en la industria crnica es un elemento imprescindible, sobre todo en mataderos, ya sean

de vacuno, porcino, aves. Es usada en todas las operaciones de faenado, limpieza de

instalaciones, utillaje, as como vehculo de eliminacin y conduccin de productos no deseados.

La demanda de agua en un matadero, segn diversos autores, 5-6 m3/1000 kg de peso vivo.

Bsicamente la lnea de vertidos lleva en suspensin: materia orgnica, grasas, slidos (carnes,

restos de sangre etc.), materia inorgnica, aguas de limpieza y desinfeccin.

La sangre no recuperada es el factor principal de contaminacin, ya que existen mataderos donde

es recogida para industrializacin (harina de sangre, protenas etc.). no obstante el 10 a 15 % se

va con las A.R. y supone una carga final de DBO entre 150000 y 200000 mg/l.Tambin en las aR.

se incluyen vsceras gstricas e intestinos que aportan un alto contenido en carga orgnica.

Aguas de lavado, que son las utilizadas en el lavado de canales, suelos y que llevan una carga

contaminante en suspensin de O,3 kg. de DBO5/100 kg por peso vivo.

En resumen los mataderos descargan aguas residuales con una DBO aproximada de 2000 mg/l.

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2 BIODEGRADABILIDAD La biodegradabilidad y las aguas residuales, son dos conceptos estrechamente vinculados, se

sabe que gran parte de las sustancias que transporta el agua, ya sea disuelta, suspendida o

coloidal, es materia orgnica, la cual en una importante fraccin es biodegradable. La biodegradabilidad de estas sustancias es la propiedad que permite que las aguas residuales

puedan ser depuradas por medio de microorganismos, los que utilizan estas sustancias como

alimento y fuente de energa para su metabolismo y reproduccin. Es precisamente la depuracin

de las aguas residuales, lo que va regenerando la disponibilidad del recurso agua y a la vez evita

la contaminacin de las fuentes de aguas existentes tanto superficiales como subterrneas.

Hay sustancias que no son o son lentamente biodegradables, lo que constituye una limitante para

los procesos de tratamiento biolgico de aguas residuales, por lo que es necesario incorporar a

las plantas depuradoras operaciones basadas en mecanismos fsico-qumico, las que

generalmente son de alto costo y a la vez siempre dan origen a un residuo que es de difcil

disposicin final. La biodegradabilidad es una caracterstica de los compuestos orgnicos que tiene relacin con el

nivel de susceptibilidad de que stos sean degradados por microorganismos y por lo tanto

condiciona en gran medida la viabilidad de tratar biolgicamente un efluente que contenga un

determinado compuesto. Para el caso de un agua residual que contenga materia orgnica natural,

la degradacin es relativamente fcil, aunque hay elementos excepcionales como las grasas y

aceites.

Para las aguas residuales industriales la biodegradabilidad resulta ms compleja.

La consideracin de la aceptabilidad medioambiental hacia determinados compuestos orgnicos

puede incluir no slo su biodegradabilidad, persistencia y toxicidad a microorganismos sino

tambin el efecto sinrgico de sustratos mezclados como los efectos inhibidores de posibles

metabolismos.

Es preciso mencionar que la biodegradabilidad de las aguas residuales no es una propiedad

intrnseca de stas, sino que depende en gran medida de la poblacin microbiolgica a la que este

se enfrente, ya que son estos ltimos los que realizan la tarea degradadora en el correspondiente

anlisis de DBO, es en atencin a esto que se han desarrollado otros mtodos de anlisis

experimental que lleven a cabo una evaluacin ms precisa y certera acerca de la

biodegradabilidad como es la respirometra electroltica (Gonzalez,1994).

2.1 Medida de la biodegradabilidad

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El problema bsico del ensayo acerca de la biodegradabilidad consiste en la medida de la

extensin o tasa de degradacin de un compuesto orgnico usando mtodos analticos

estandarizados.

Generalmente, una poblacin mezclada de microorganismos se expone a un compuesto orgnico

simple en un medio mineral que es controlado y reproducible. Los mtodos estandarizados de

biodegradabilidad no necesariamente producen datos medioambientalmente realistas, pero los

resultados pueden poseer un grado de repetitividad y comparacin generalizada, lo que constituye

una buena forma de caracterizacin de los distintos compuestos orgnicos en cuanto a su

susceptibilidad para ser tratados biolgicamente.

a. Demanda Qumica de oxigeno

La demanda qumica de oxigeno, DQO, corresponde a la cantidad de oxigeno requerida para

oxidar completamente, por medios qumicos los compuestos orgnicos a CO2 y H2O. En la

prctica, la materia orgnica en agua es oxidada por K2Cr2O7 bajo condiciones estrictas (en medio

de cido sulfrico concentrado, y a una temperatura de 160 C). La cantidad de oxgeno del

dicromato usado, es determinada y expresada como DQO.

En aquellos casos que la frmula de los compuestos es conocida, la DQO puede ser derivada de

la estequiometra. Se tiene que 1 g eq. de carbohidrato 1 g eq. de protena corresponde 1 g eq.

de CO2. Se debe destacar que la DQO no incluye el oxigeno que convierte el nitrgeno reducido a

nitrato. En cuanto al sulfuro reducido (R-SH S2), sin embargo, es oxidado a sulfuro por los agentes

qumicos y por consiguiente se incluye en el valor de DQO.

Una importante ventaja de este mtodo es que cuantifica tanto la materia orgnica disuelta como

la partculada. Considerando el hecho que el tratamiento de aguas residuales tiene que ver con la

separacin de ambos tipos de materia orgnica, la DQO medida es ampliamente usada como un

parmetro cuantitativo

b. Carbono orgnico total Es una tcnica instrumental que es alternativa a la DQO. Representa la cantidad de carbono (mg

/l) de la materia orgnica presente en el agua residual. El fundamento de la medida es la oxidacin

del carbono a dixido de carbono y la determinacin cuantitativa de la cantidad de CO2 producido.

CaHbOc + O2 ------------- CO2 + H2O

Donde b y c son valores genricos. - 6 -

Los mtodos de oxidacin ms utilizados son combustin cataltica a alta temperatura, oxidacin

persulfato ultravioleta. La deteccin de CO2 mas empleada es mediante espectrofotometria en

infrarrojo. Igual que en la DQO, los compuestos inorgnicos oxidables constituyen una seria

interferencia. En la prctica el carbono total es suma del carbono orgnico y del carbono

inorgnico. El carbono inorgnico puede eliminarse por acidificacin hasta Ph=2 y desorcin del

CO2 producido.

c. Demanda bioqumica de oxigeno

La demanda bioqumica de oxigeno, DBO, se define como la cantidad de oxgeno usado por los

microorganismos no fotosintticos a una temperatura de 20C, para metabolizar los compuestos

orgnicos degradables biolgicamente.

Protenas

Grasas y aceites

Carbohidratos

Hidrocarburos + O2 ------------------> Biomasa microbiana + CO2 + H2O Biomasa microbiana

Se tiene que el nitrgeno est libre en la forma de hidrxido de amonio y es susceptible de

oxidacin en presencia de oxgeno, pasando a nitrato. La nitrificacin de este compuesto es

inhibida si se utiliza un inhibidor selectivo, tal como Allylthiourea o Nitrapyrin { 2- cloro-6- tricloro

metil- piridina}. Para obtener un resultado estable y reproducible, el oxgeno consumido es medido

durante un periodo de cinco das.

Durante los primeros dos das, los microorganismos rpidamente metabolizan los compuestos

orgnicos disponibles y viables de degradar biolgicamente.

Tales cinticas son obtenidas siempre que las condiciones medioambientales apropiadas para el

ensayo estn aseguradas, tales como:

pH neutro Presencia de un inculo lo suficientemente aclimatado Presencia de una cantidad adecuada de nutrientes minerales necesarios para el

crecimiento microbiano (de particular importancia son N, P, Ca, Mg, Fe, S).

Incubacin en la oscuridad.

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En una investigacin previa se ha demostrado que gran parte de los microorganismos metabolizan

aerbicamente los sustratos orgnicos, tales como lpidos, azcares, alcoholes o protenas, tal

que alcanzan un mximo rendimiento de produccin celular de 0.4 g de clulas en peso seco por

gramo de DQO eliminada (Sikes,1975).

Este valor es de gran importancia ya que se relaciona con la cantidad de energa oxidable en el

sustrato el cual es microbiolgicamente utilizable por las clulas para sus requerimientos de

energa y su posterior sntesis, ahora este valor vara en funcin del tipo de aguas residuales y se

tiene para el caso de una planta de tratamiento de aguas industriales en Galicia el valor obtenido

es de 0,127 para este parmetro (Ortiz y Aguila, 1997).

Esto implica que, cuando los microorganismos metabolizan aerbicamente 1g de DQO, estos

inmovilizan aproximadamente la mitad de la materia orgnica en la forma de biomasa y consumen

oxgeno para oxidar la otra mitad.

La anterior consideracin relaciona el mximo rendimiento celular y no tiene en cuenta la

manutencin del metabolismo de la bacteria durante la segunda fase del ensayo.

Hay que destacar que el ensayo de la DBO5 tiene algunas limitaciones importantes, como el ser

laborioso, lento y poco reproducible, esto es muy importante desde el punto de vista del control

operacional de las plantas de tratamiento de aguas residuales.

Aunque la biodegradabilidad no es una propiedad que dependa exclusivamente de los compuestos

que van en el agua residual correspondiente, las enzimas que participan en la biodegradacin y

los productos derivados de la misma si dependen del sustrato: En la Tabla 3.1 se expone un

listado de compuestos qumicos y las respectivas enzimas que participan en la biodegradacin y

los productos derivados.

Tabla 3.1 Degradacin biolgica de los constituyentes de aguas residuales (Nemerow,1977)

Sustancia

a degradar Tipo de enzimas

Descomposicin

Anaerobia

Descomposicin

Aerobia

Aminocidos Amoniaco

Amonaco Nitritos

Sulfdrico Nitratos

Protenas Proteinasas Metano Sulfdrico

Dixido de carbono cido sulfrico

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Hidrgeno Alcoholes

Alcoholes cidos orgnicos

cidos orgnicos Dixido de carbono

Fenoles Agua

ndoles

Hidratos de

carbono Carboxidasas Dixido de carbono Alcoholes

Hidrgeno cidos grasos

Alcoholes Dixido de carbono

cidos grasos Agua

Grasas Lipasas cidos grasos cidos grasos y

Dixido de carbono Glicerina

Hidrgeno Alcoholes

Alcoholes Agua

Dixido de carbono

3.2 Relaciones entre parmetros DBO y DQO

Para disear una planta de tratamiento de fangos activos, es necesario saber cuanta materia

orgnica biodegradable est presente en el efluente de aguas residuales, por consiguiente se

necesita determinar la DBO5, sin embargo es aconsejable medir tambin en paralelo la demanda

qumica de oxigeno DQO, de esta forma se obtiene informacin acerca de la biodegradabilidad de

los compuestos orgnicos presentes en el efluente.

Adems, la razn DBO5 /DQO, una vez establecida, se utiliza para controlar y operar la planta de

tratamiento.Una aproximacin cuantitativa de la biodegradabilidad de un efluente va a estar dada

por la relacin de la demanda bioqumica de oxgeno a la demanda qumica de oxgeno. De este

ndice se tiene una referencia acerca de la biodegradabilidad de un efluente determinado

(Hernndez, 1992).

As se tiene que, cuando:

DBO/DQO>0.4

es un efluente o compuesto biodegradable, pudindose utilizar sistemas biolgicos como fangos

activos o lechos bacterianos. Y cuando

0.2