Demanda de oxigeno bioquímico

demanda bioquímica de oxígeno (también conocida como DBO o demanda biológica de oxígeno) es un parámetro analítico que representa la cantidad de oxígeno disuelto (OD). consumido por bacterias aeróbicas que crecen en el material orgánico presente en una muestra de agua a una temperatura específica durante un período de tiempo específico. El valor de DBO se expresa más comúnmente en miligramos de oxígeno consumidos por litro de muestra durante 5 días de incubación a 20 °C y a menudo se utiliza como sustituto del grado de contaminación orgánica del agua.

La reducción de la demanda bioquímica de oxígeno (DBO) se utiliza como indicador de la eficacia de las plantas de tratamiento de aguas residuales. La DBO de los efluentes de aguas residuales se utiliza para indicar el impacto a corto plazo en los niveles de oxígeno del agua receptora.

El análisis de DBO tiene una función similar al análisis de la demanda química de oxígeno (DQO), en el sentido de que ambos miden la cantidad de compuestos orgánicos en el agua. Sin embargo, el análisis de DQO es menos específico, ya que mide todo lo que puede oxidarse químicamente, en lugar de solo los niveles de materia orgánica oxidada biológicamente.

Fondo

La mayoría de las aguas naturales contienen pequeñas cantidades de compuestos orgánicos. Los microorganismos acuáticos han evolucionado para utilizar algunos de estos compuestos como alimento. Los microorganismos que viven en aguas oxigenadas utilizan oxígeno disuelto para degradar oxidativamente los compuestos orgánicos, liberando energía que se utiliza para el crecimiento y la reproducción. Las poblaciones de estos microorganismos tienden a aumentar en proporción a la cantidad de alimento disponible. Este metabolismo microbiano crea una demanda de oxígeno proporcional a la cantidad de compuestos orgánicos útiles como alimento. En algunas circunstancias, el metabolismo microbiano puede consumir oxígeno disuelto más rápido de lo que el oxígeno atmosférico puede disolverse en el agua o de lo que puede producir la comunidad autótrofa (algas, cianobacterias y macrófitos). Los peces y los insectos acuáticos pueden morir cuando el metabolismo microbiano agota el oxígeno.

La demanda bioquímica de oxígeno es la cantidad de oxígeno necesaria para el metabolismo microbiano de los compuestos orgánicos en el agua. Esta demanda ocurre durante un período de tiempo variable dependiendo de la temperatura, las concentraciones de nutrientes y las enzimas disponibles para las poblaciones microbianas autóctonas. La cantidad de oxígeno necesaria para oxidar completamente los compuestos orgánicos a dióxido de carbono y agua a través de generaciones de crecimiento microbiano, muerte, descomposición y canibalismo es la demanda bioquímica total de oxígeno (DBO total). La DBO total es más importante para las redes alimentarias que para la calidad del agua. Es más probable que el agotamiento del oxígeno disuelto se haga evidente durante la explosión inicial de la población microbiana acuática en respuesta a una gran cantidad de material orgánico. Sin embargo, si la población microbiana desoxigena el agua, esa falta de oxígeno impone un límite al crecimiento de la población de organismos microbianos acuáticos aeróbicos, lo que resulta en un excedente de alimentos y un déficit de oxígeno a largo plazo.

La Comisión Real de Eliminación de Aguas Residuales propuso por primera vez una temperatura estándar a la que se deberían realizar las pruebas de DBO en su octavo informe en 1912:

c) Un efluente para cumplir con la norma general no debe contener como descargado más de 3 partes por cada 100.000 de materia suspendida, y con sus asuntos suspendidos incluidos no debe tomar hasta 65° F más de 2,0 partes por 100.000 de oxígeno disuelto en 5 días. Esta norma general debe ser prescrita por el Estatuto o por orden de la Autoridad Central, y debe estar sujeta a modificaciones por esa Autoridad después de un intervalo de no menos de diez años.

Más tarde se estandarizó a 68 °F y luego a 20 °C. Esta temperatura puede ser significativamente diferente de la temperatura del entorno natural del agua que se está analizando.

Aunque la Comisión Real de Eliminación de Aguas Residuales propuso 5 días como período de prueba adecuado para los ríos del Reino Unido de Gran Bretaña e Irlanda, se investigaron períodos más largos para los ríos de América del Norte. Hasta mediados del siglo XX se utilizaban períodos de incubación de 1, 2, 5, 10 y 20 días. Al mantener el oxígeno disuelto disponible a la temperatura elegida, los investigadores encontraron que hasta el 99 por ciento de la DBO total se ejerció en 20 días, el 90 por ciento en 10 días y aproximadamente el 68 por ciento en 5 días. Los cambios variables en la población microbiana hacia bacterias nitrificantes limitan la reproducibilidad de la prueba durante períodos superiores a 5 días. El protocolo de prueba de 5 días con resultados aceptablemente reproducibles que enfatizan la DBO carbonosa ha sido respaldado por la Agencia de Protección Ambiental de los Estados Unidos (EPA). El resultado de esta prueba de DBO de 5 días puede describirse como la cantidad de oxígeno necesaria para que los microorganismos acuáticos estabilicen la materia orgánica descomponible en condiciones aeróbicas. La estabilización, en este contexto, puede percibirse en términos generales como la conversión de alimento en fauna acuática viva. Aunque esta fauna seguirá ejerciendo una demanda bioquímica de oxígeno a medida que muere, eso tiende a ocurrir dentro de un ecosistema evolucionado más estable que incluye niveles tróficos más altos.

Historia

La Comisión Real sobre Contaminación de los Ríos, establecida en 1865, y la formación de la Comisión Real sobre Eliminación de Aguas Residuales en 1898 llevaron a la selección en 1908 de la DBO₅ como prueba definitiva de la contaminación orgánica de los ríos. Se eligió cinco días como período de prueba apropiado porque supuestamente es el tiempo más largo que tarda el agua de un río en viajar desde la fuente hasta el estuario en el Reino Unido. En su sexto informe, la Comisión Real recomendó que el estándar establecido debería ser de 15 partes en peso por millón de agua. Sin embargo, en el noveno informe la comisión había revisado el estándar recomendado:

Un efluente que toma 2–0 partes oxígeno disuelto por cada 100.000 sería encontrado por un cálculo simple para requerir dilución con al menos 8 volúmenes de agua del río tomando 0,2 parte si la mezcla resultante no era tomar más de 0,4 parte. Nuestra experiencia indicó que en una gran mayoría de los casos el volumen de agua fluvial superaría 8 veces el volumen de efluentes, y que la cifra de 2–0 partes disueltas de oxígeno por 100.000, que se había demostrado viable, sería una figura segura para adoptar a los efectos de un estándar general, tomada junto con la condición de que el efluente no debería contener más de 3–0 partes por cada 100.000 de sólidos suspendidos.

Esta fue la piedra angular 20:30 (DBO: sólidos suspendidos) + estándar de nitrificación total que se utilizó como criterio en el Reino Unido hasta la década de 1970 para la calidad de los efluentes de las plantas de alcantarillado.

Estados Unidos incluye limitaciones de efluentes de DBO en sus regulaciones de tratamiento secundario. Generalmente se espera que el tratamiento secundario de aguas residuales elimine el 85 por ciento de la DBO medida en las aguas residuales y produzca concentraciones de DBO en los efluentes con un promedio de 30 días de menos de 30 mg/L y un promedio de 7 días de menos de 45 mg/L. Las regulaciones también describen el "tratamiento equivalente al tratamiento secundario" como eliminar el 65 por ciento de la DBO y producir concentraciones de DBO en el efluente con un promedio de 30 días inferior a 45 mg/L y un promedio de 7 días inferior a 65 mg/L.

Valores típicos

La mayoría de los ríos prístinos tendrán una DBO carbonosa de 5 días inferior a 1 mg/l. Los ríos moderadamente contaminados pueden tener un valor de DBO en el rango de 2 a 8 mg/L. Los ríos pueden considerarse gravemente contaminados cuando los valores de DBO superan los 8 mg/l. Las aguas residuales municipales tratadas eficientemente mediante un proceso de tres etapas tendrían un valor de aproximadamente 20 mg/L o menos. Las aguas residuales no tratadas varían, pero tienen un promedio de alrededor de 600 mg/L en Europa y tan solo 200 mg/L en los EE. UU., o donde hay una grave infiltración o afluencia de aguas subterráneas o superficiales. Los valores generalmente más bajos en Estados Unidos se derivan del uso de agua per cápita mucho mayor que en otras partes del mundo.

Uso en el tratamiento de aguas residuales

La DBO se utiliza para medir las cargas de residuos en las plantas de tratamiento y para evaluar la eficiencia de eliminación de DBO de dichos sistemas de tratamiento.

Métodos

Winkler publicó la metodología de un procedimiento analítico de oxígeno disuelto simple, preciso y directo en 1888. Desde entonces, el análisis de los niveles de oxígeno disuelto en el agua ha sido clave para la determinación de las aguas superficiales. El método Winkler sigue siendo una de las dos únicas técnicas analíticas utilizadas para calibrar medidores de electrodos de oxígeno; el otro procedimiento se basa en la solubilidad del oxígeno en saturación según la ley de Henry.

Hay dos métodos reconocidos para la medición de oxígeno disuelto para DBO y una serie de otros métodos que actualmente no están reconocidos internacionalmente como métodos estándar.

Método de dilución

Este método estándar está reconocido por la EPA, que está etiquetado como Método 5210B en los Métodos estándar para el examen de agua y aguas residuales. Para obtener DBO₅, se disuelve Las concentraciones de oxígeno (OD) en una muestra deben medirse antes y después del período de incubación y ajustarse adecuadamente mediante el factor de dilución correspondiente de la muestra. Este análisis se realiza utilizando botellas de incubación de 300 ml en las que se dosifica agua de dilución tamponada con microorganismos de semillas y se almacena durante 5 días en una habitación oscura a 20 °C para evitar la producción de OD a través de la fotosíntesis. Las botellas tradicionalmente han sido hechas de vidrio, lo que requería limpieza y enjuague entre muestras. Hay disponible una botella de DBO de plástico desechable, aprobada por SM 5210B, que elimina este paso. Además de las diversas diluciones de muestras de DBO, este procedimiento requiere blancos de agua de dilución, controles de ácido glutámico de glucosa (GGA) y controles de semillas. El blanco de agua de dilución se utiliza para confirmar la calidad del agua de dilución que se utiliza para diluir las otras muestras. Esto es necesario porque las impurezas en el agua de dilución pueden provocar alteraciones significativas en los resultados. El control GGA es una solución estandarizada para determinar la calidad de la semilla, donde su concentración recomendada de DBO₅ es 198 mg/L ± 30,5 mg/L. Para medir la DBO carbonosa (cBOD), se agrega un inhibidor de nitrificación después de agregar el agua de dilución a la muestra. El inhibidor impide la oxidación del nitrógeno amoniacal, que suministra la DBO nitrogenada (nBOD). Al realizar la prueba DBO₅, es una práctica convencional medir solo la cBOD porque la demanda de nitrógeno no refleja la demanda de oxígeno de la materia orgánica. Esto se debe a que la nBOD se genera mediante la descomposición de proteínas, mientras que la cBOD se produce mediante la descomposición de moléculas orgánicas.

DBO₅ se calcula mediante:

• Sin semillas:BOD5=()D0− − D5)P{displaystyle mathrm {BOD} _{5}={frac {(D_{0}-D_{5}}{P}}}} {}}} {}} {f}}} {f}}}}} {f}}}}} {f}}}}}}
• A ver: BOD5=()D0− − D5)− − ()B0− − B5)fP{displaystyle mathrm {BOD} _{5}={frac {(D_{0}-D_{5}-(B_{0}-B_{5})f} {}}}}

donde:

D0{displaystyle D_{0} es el oxígeno disuelto (DO) de la solución diluida después de la preparación (mg/L)

D5{displaystyle D_{5} es el DO de la solución diluida después de 5 días de incubación (mg/L)

P{displaystyle P} es el factor de dilución decimal

B0{displaystyle B_{0} es el DO de la muestra de semilla diluida después de la preparación (mg/L)

B5{displaystyle B_{5} es el DO de la muestra de semilla diluida después de 5 días de incubación (mg/L)

f{displaystyle f} es la relación de volumen de semillas en solución de dilución al volumen de semillas en la prueba de BOD sobre semillas

Método manométrico

Este método se limita a la medición del consumo de oxígeno debido únicamente a la oxidación carbonosa. Se inhibe la oxidación del amoníaco.

La muestra se guarda en un recipiente sellado equipado con un sensor de presión. Se agrega una sustancia que absorbe dióxido de carbono (generalmente hidróxido de litio) en el recipiente por encima del nivel de la muestra. La muestra se almacena en condiciones idénticas al método de dilución. Se consume oxígeno y, al inhibirse la oxidación del amoníaco, se libera dióxido de carbono. La cantidad total de gas y, por tanto, la presión, disminuye porque se absorbe dióxido de carbono. A partir de la caída de presión, la electrónica del sensor calcula y muestra la cantidad de oxígeno consumida.

Las principales ventajas de este método frente al método de dilución son:

• simplicidad: sin dilución de la muestra requerida, sin ver, sin muestra en blanco.
• lectura directa del valor BOD.
• Visualización continua del valor BOD en el tiempo de incubación actual.

Métodos alternativos

Biosensor

Una alternativa para medir la DBO es el desarrollo de biosensores, que son dispositivos para la detección de un analito que combina un componente biológico con un componente detector fisicoquímico. Las enzimas son los elementos sensores biológicos más utilizados en la fabricación de biosensores. Su aplicación en la construcción de biosensores está limitada por los métodos de purificación de enzimas tediosos, lentos y costosos. Los microorganismos proporcionan una alternativa ideal a estos cuellos de botella.

Muchos microorganismos útiles para la evaluación de DBO son relativamente fáciles de mantener en cultivos puros, crecer y cosechar a bajo costo. Además, el uso de microbios en el campo de los biosensores ha abierto nuevas posibilidades y ventajas como la facilidad de manipulación, preparación y bajo coste del dispositivo. Varias culturas puras, p. Trichosporon cutaneum, Bacillus cereus, Klebsiella oxytoca, Pseudomonas sp. etc. individualmente, han sido utilizados por muchos trabajadores para la construcción del biosensor de DBO. Por otro lado, muchos trabajadores han inmovilizado lodos activados, o una mezcla de dos o tres especies bacterianas, sobre varias membranas para la construcción del biosensor de DBO. Las membranas más utilizadas fueron el alcohol polivinílico, las membranas hidrófilas porosas, etc.

Se puede formar un consorcio microbiano definido mediante la realización de un estudio sistemático, es decir, pruebas previas de microorganismos seleccionados para su uso como material de siembra en el análisis de DBO de una amplia variedad de efluentes industriales. Un consorcio formulado de este tipo puede inmovilizarse sobre una membrana adecuada, es decir, una membrana de nailon cargada. La membrana de nailon cargada es adecuada para la inmovilización microbiana, debido a la unión específica entre la célula bacteriana cargada negativamente y la membrana de nailon cargada positivamente. Entonces, las ventajas de la membrana de nailon sobre las otras membranas son: La doble unión, es decir, adsorción y atrapamiento, lo que da como resultado una membrana inmovilizada más estable. Estos dispositivos analíticos de DBO basados en el consorcio microbiano específico pueden encontrar una gran aplicación en el control del grado de concentración de contaminantes en una amplia variedad de aguas residuales industriales en muy poco tiempo.

Los biosensores se pueden utilizar para medir indirectamente la DBO a través de un sustituto de DBO rápido (generalmente <30 min) que se determinará y un método de curva de calibración correspondiente (pionerado por Karube et al., 1977). En consecuencia, los biosensores ahora están disponibles comercialmente, pero tienen varias limitaciones, como sus altos costos de mantenimiento, tiempos de ejecución limitados debido a la necesidad de reactivación y la incapacidad de responder a las características de calidad cambiantes como normalmente ocurriría en las corrientes de tratamiento de aguas residuales; p.ej. procesos de difusión de la materia orgánica biodegradable dentro de la membrana y diferentes respuestas de diferentes especies microbianas que conducen a problemas con la reproducibilidad del resultado (Praet et al., 1995). Otra limitación importante es la incertidumbre asociada con la función de calibración para traducir la DBO sustituta en la DBO real (Rustum et al., 2008).

Fluorescente

Se ha desarrollado un sustituto de la DBO₅ utilizando un derivado de resazurina que revela el grado de absorción de oxígeno por parte de los microorganismos para la mineralización de la materia orgánica. Una validación cruzada realizada en 109 muestras en Europa y Estados Unidos mostró una estricta equivalencia estadística entre los resultados de ambos métodos.

Se ha desarrollado un electrodo basado en la emisión de luminiscencia de un compuesto químico fotoactivo y la extinción de esa emisión por oxígeno. Este mecanismo fotofísico de extinción se describe mediante la ecuación de Stern-Volmer para el oxígeno disuelto en una solución:

I0/I=1+KSV[O2]{displaystyle Yo... {O2}}}

• I{displaystyle Yo...: Luminiscencia en presencia de oxígeno
• I0{displaystyle I_{0}: Luminiscencia en ausencia de oxígeno
• KSV{displaystyle K_{SV}: Stern-Volmer constante para anclaje de oxígeno
• [O2]{displaystyle {ce {}}}: Concentración de oxígeno disuelto

La determinación de la concentración de oxígeno mediante extinción de luminiscencia tiene una respuesta lineal en un amplio rango de concentraciones de oxígeno y tiene una precisión y reproducibilidad excelentes.

Polarographic method

Durante la década de 1950 se introdujo el desarrollo de un instrumento analítico que utiliza la química de oxidación-reducción (redox) del oxígeno en presencia de electrodos metálicos diferentes. Este electrodo redox utilizó una membrana permeable al oxígeno para permitir la difusión del gas en una celda electroquímica y su concentración determinada mediante electrodos polarográficos o galvánicos. Este método analítico es sensible y preciso hasta niveles de ± 0,1 mg/L de oxígeno disuelto. La calibración del electrodo redox de este electrodo de membrana aún requiere el uso de la tabla de la ley de Henry o la prueba de Winkler para oxígeno disuelto.

Sensor de software

Ha habido propuestas de automatización para hacer una predicción rápida de la DBO para que pueda usarse para el monitoreo y control de procesos en línea. Por ejemplo, el uso de un método de aprendizaje automático computarizado para hacer inferencias rápidas sobre la DBO utilizando parámetros de calidad del agua fáciles de medir. Datos como el caudal, la demanda química de oxígeno, el amoníaco, el nitrógeno, el pH y los sólidos suspendidos se pueden obtener de forma directa y fiable utilizando sensores de hardware en línea. En una prueba de esta idea, se utilizaron mediciones de estos valores junto con la DBO que se habían realizado durante tres años para entrenar y probar un modelo de predicción. La técnica podría permitir que falten algunos datos. Indicó que este enfoque era posible pero que necesitaba disponer de suficientes datos históricos.

Monitoreo de DBO en tiempo real

Hasta hace poco, el monitoreo en tiempo real de la DBO era inalcanzable debido a su naturaleza compleja. Una investigación reciente realizada por una importante universidad del Reino Unido ha descubierto el vínculo entre múltiples parámetros de calidad del agua, incluidos la conductividad eléctrica, la turbidez, TLF y CDOM. Todos estos parámetros se pueden controlar en tiempo real mediante una combinación de métodos tradicionales (conductividad eléctrica mediante electrodos) y métodos más nuevos como la fluorescencia. La monitorización de la fluorescencia similar al triptófano (TLF) se ha utilizado con éxito como indicador de la actividad biológica y la enumeración, especialmente centrándose en Escherichia coli (E. coli). El monitoreo basado en TLF es aplicable en una amplia gama de entornos, incluidos, entre otros, plantas de tratamiento de aguas residuales y agua dulce. Por lo tanto, ha habido un movimiento significativo hacia sistemas de sensores combinados que pueden monitorear parámetros y usarlos, en tiempo real, para proporcionar una lectura de DBO con calidad de laboratorio.

Sondas de oxígeno disuelto: Membrana y luminiscencia

Durante la década de 1950 se introdujo el desarrollo de un instrumento analítico que utiliza la química de oxidación-reducción (redox) del oxígeno en presencia de electrodos metálicos diferentes. Este electrodo redox (también conocido como sensor de oxígeno disuelto) utilizó una membrana permeable al oxígeno para permitir la difusión del gas en una celda electroquímica y su concentración determinada mediante electrodos polarográficos o galvánicos. Este método analítico es sensible y preciso hasta niveles de ± 0,1 mg/L de oxígeno disuelto. La calibración del electrodo redox de este electrodo de membrana aún requiere el uso de la tabla de la ley de Henry o la prueba de Winkler para oxígeno disuelto.

Limitaciones de la prueba

El método de prueba involucra variables que limitan la reproducibilidad. Las pruebas normalmente muestran observaciones que varían entre más o menos entre un diez y un veinte por ciento alrededor de la media.

Toxicidad

Algunos desechos contienen sustancias químicas capaces de suprimir el crecimiento o la actividad microbiológica. Las fuentes potenciales incluyen desechos industriales, antibióticos en desechos farmacéuticos o médicos, desinfectantes en instalaciones de procesamiento de alimentos o limpieza comercial, desinfección por cloración utilizada después del tratamiento convencional de aguas residuales y formulaciones de control de olores utilizadas en tanques de retención de desechos sanitarios en vehículos de pasajeros o baños portátiles. La supresión de la comunidad microbiana que oxida los desechos reducirá el resultado de la prueba.

Población microbiana apropiada

La prueba se basa en un ecosistema microbiano con enzimas capaces de oxidar el material orgánico disponible. Algunas aguas residuales, como las del tratamiento biológico secundario de aguas residuales, ya contendrán una gran población de microorganismos aclimatados al agua que se analiza. Una porción apreciable de los residuos podrá utilizarse durante el período de retención previo al comienzo del procedimiento de prueba. Por otro lado, los desechos orgánicos de fuentes industriales pueden requerir enzimas especializadas. Las poblaciones microbianas de fuentes de semillas estándar pueden tardar algún tiempo en producir esas enzimas. Un cultivo de semillas especializado puede ser apropiado para reflejar las condiciones de un ecosistema evolucionado en las aguas receptoras.