ESTIMACIÓN DE LA DEMANDA BIOQUÍMICA DE OXÍGENO EN

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ESTIMACIÓN DE LA DEMANDA BIOQUÍMICA DE OXÍGENO EN EFLUENTES

UTILIZANDO LA TÉCNICA DE ESPECTROFOTOMETRÍA

MARTÌN FELIPE RAMÌREZ MUÑOZ

VONY LIZETH MALDONADO PRADO

UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS

FACULTAD DE MEDIO AMBIENTE Y RECURSOS NATURALES

INGENIERÍA SANITARIA

BOGOTÁ D.C. – 2019

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ESTIMACIÓN DE LA DEMANDA BIOQUÌMICA DE OXÍGENO EN EFLUENTES


MARTÌN FELIPE RAMÌREZ MUÑOZ

VONY LIZETH MALDONADO PRADO

Trabajo de grado para obtener el título de Ingeniero Sanitario.

ASESOR: Jorge Alonso Cárdenas León

Químico, M. Sc. Hidrogeología

UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS

FACULTAD DE MEDIO AMBIENTE Y RECURSOS NATURALES

INGENIERÍA SANITARIA

BOGOTÁ D.C. – 2019

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Agradecimientos

Este proyecto de investigación es realizado gracias a la iniciativa de trabajo dirigida a cargo

del docente Jorge Alfonso Cárdenas León, sin el cual el trabajo no tendría una orientación

adecuada. Al mismo tiempo agradecemos al jurado de evaluación, el docente Martín Antonio

Gil Molina, el cual con sus apreciaciones ayudo en la revisión y mejora del proyecto de

investigación. Por último, queremos destacar a cada una de las personas que desde su punto

de vista ayudaron con la terminación y desarrollo del proyecto, gracias totales.

Dedicatoria

El trabajo plasmado en el proyecto de investigación está dirigido a cada uno de los

estudiantes, profesores y profesionales que dedican su tiempo y esfuerzo para intentar

cambiar las condiciones de las futuras generaciones. Cabe destacar que este proyecto es

realizado con la dedicación de sus autores para cada una de las personas que ayudaron en el

crecimiento profesional e intrapersonal durante sus estadios en la universidad Distrital.

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Contenido

1 OBJETIVOS 10

1.1 OBJETIVO GENERAL 10

1.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS 10

2 MARCO TEÓRICO 11

2.1 Principios de la espectrofotometría UV-Visible (UV-Vis) 11

2.2 Método estándar modificado: Mejora en la medición de oxígeno 13

2.3 Método fotométrico 13

2.4 Método manométrico 13

2.5 Biosensores para la detección de la DBO 14

2.5.1 Biosensores de biopelículas con electrodo de oxígeno 14

2.5.2 Sensores de sistemas tipo bioreactor 15

2.6 Biosensores Mediadores 15

2.7 Resumen de los principales métodos para la estimación de la DBO 17

3 MATERIALES Y METODOLOGÍA 19

3.1 Recolección y recepción de muestras 19

3.2 Metodología analítica experimental 20

3.2.1 Demanda bioquímica de oxígeno (DBO5) 20

3.2.2 Agua de dilución 21

3.2.3 Solución control 22

3.2.4 Dilución de las muestras 22

3.2.5 Medición del oxígeno disuelto 23

3.2.6 Espectroscopia UV-VIS 23

3.3 Metodología Instrumental 23

4 ANÁLISIS DE RESULTADOS 25

5 CONCLUSIONES 35

6 RECOMENDACIONES 36

7 REFERENCIAS 37

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LISTA DE TABLAS

Tabla 1. Longitud de onda aproximada, energías y tipo de excitación para diferentes

regiones espectrales. Tomado de: Tissue, 2012. 12

Tabla 2. Comparación de las principales técnicas de medición de la DBO. Tomado de:

(Jouanneau, 2014) 17

Tabla 3. Datos experimentales del método estándar DBO5 y valores estimados por el

método propuesto. 25

Tabla 4. Área bajo la curva espectral, en un rango entre 250 y 600 nm, para cada una de de

las muestras analizadas. 27

Tabla 5. Comparación entre la DBO5 esperada y la DBO5 estimada por la metodología de

estudio. 31

Tabla 6.Resultados internos de DQO, de la muestra enviada a los laboratorio 1 y 2.

(Numerar la muestra) 33

LISTA DE FIGURAS

Figura 1. Mapa de incubación del punto de muestreo. 19

Figura 2. Muestras para incubación, método estándar. 21

Figura 3. Preparación agua de Dilución, método estándar. 22

Figura 4. Método Winkler. 23

Figura 5. Gráfica del ABC con respecto a la DBO, para los ensayos con una DBO control

dentro del rango del 25% de error. 28

Figura 6. Regresión lineal de la ABC con respectos a la DBO, usando la ecuación lineal

para los casos de baja precisión. 29


para los casos de alta precisión. 30

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ESTIMACIÓN DE LA DEMANDA BIOQUÍMICA DE OXÍGENO EN EFLUENTES


RESUMEN

En este trabajo se determina la demanda bioquímica de oxígeno, en muestras de agua residual

doméstica, por el método estándar de incubación a cinco días y se relacionan estos resultados,

con el área bajo la curva espectrofotométrica de las muestras, en el rango de 250 a 600 nm.

Se ha escogido ese rango, porque mediante mediciones previas, se observó que las muestras

de ARD, absorben de manera continua en este rango de longitudes de onda y porque dicho

rango, cubre los máximos de absorbancia de diferentes grupos cromóforos orgánicos e

inorgánicos, presentes en las aguas residuales domésticas.

Por lo anterior, es de suponer que los resultados encontrados en este estudio, sean extensibles

a muestras de agua residual doméstica, de matrices semejantes o en su defecto, que sea

necesario ajustar el método, para matrices diferentes.

Como resultado de este estudio, se encontró, que efectivamente existe una relación directa,

entre el área bajo la curva espectral de las muestras y su correspondiente valor de DBO5, con

una desviación inferior al 15 %. Este dato es importante, si tiene en cuenta que las

desviaciones aceptables en el método estándar de incubación a cinco días, pueden llegar,

incluso, al 25 %.

Palabras clave: Espectrofotometría, Demanda Bioquímica de Oxígeno (DBO), Calidad del

agua, Estandarización de Métodos analíticos, Agua Residual Doméstica (ARD).

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ABSTRACT

In this work the biochemical oxygen demand is determined, in samples of domestic residual

water, by the standard method of incubation to five days and these results are related, with

the area under the spectrophotometric curve of the samples, in the range of 250 to 600 nm.

This range has been chosen, because by means of previous measurements, it was observed

that the ARD samples continuously absorb in this range of wavelengths and because said

range covers the absorbance maxima of different organic and inorganic chromophore groups,

present in domestic wastewater.

Therefore, it is assumed that the results found in this study can be extended to samples of

domestic wastewater, of similar matrices or, failing that, that it is necessary to adjust the

method, for different matrices.

As a result of this study, it was found that there is a direct relationship between the area under

the spectral curve of the samples and their corresponding BOD value, with a deviation lower

than 15%. This information is important, if you take into account that acceptable deviations

in the standard five-day incubation method can even reach 25%.

Keywords: Spectrophotometry, Biochemical Oxygen Demand (BOD), Water Quality,

Standardization of Analytical Methods, Domestic Residual Water (ARD).

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INTRODUCCIÓN

La demanda bioquímica de oxígeno (DBO) se ha utilizado convencionalmente como un

índice de concentración de la materia orgánica, fácilmente biodegradable, en aguas

residuales. En la práctica es expresada, como una medida de la contracción de oxígeno

disuelto requerido para la oxidación bioquímica de compuestos orgánicos presentes en la

muestra. El método de análisis de uso más extendido es el método estándar de incubación a

cinco días.

Aunque la DBO5 es un indicador aproximado de la concentración real de la materia orgánica

fácilmente biodegradable, el método de análisis presenta el inconveniente de requerir un

tiempo de análisis demasiado extenso, cinco días, particularmente cuando se requieren

resultados inmediatos como, por ejemplo, en las plantas de tratamiento de aguas residuales.

El método también presenta dificultades cuando existen en la muestra, sustancias tóxicas que

impiden el crecimiento microbiano. Sin embargo, otra de las dificultades, quizás la más

importante, es la relacionada con la necesidad que existe en el método estándar, de realizar

diluciones, en prácticamente todas las muestras.

Teniendo en cuenta los inconvenientes y deficiencias ya mencionados, se hace necesario

desarrollar métodos alternos, para la medición de DBO, que permitan realizar estas

mediciones de forma más rápida, simple y precisa, sin deterioro de la calidad en las

mediciones. Con ello se estará contribuyendo también al cuidado y preservación de los

recursos hídricos naturales, así como en la gestión y administración de los ecosistemas

acuáticos.

Otras alternativas de medición son los biosensores y los sensores ópticos, que mediante

mediciones de absorción de energía radiante buscan estimar la DBO, de forma ágil y precisa.

En el campo de los biosensores, los compuestos orgánicos se oxidan sobre biopelículas y el

consumo de oxígeno se obtiene midiendo la variación de la corriente (cargas eléctricas

generadas por el intercambio de electrones) de estado estable (Chee, 1999). A pesar de las

ventajas que presentan los biosensores sobre la DBO5 convencional, existen varios

problemas relacionados con el monitoreo en tiempo real y la inestabilidad de los

microorganismos. Por ejemplo, los biosensores tienen un corto tiempo de vida útil, por lo

tanto, se limita su aplicación para monitoreo continuo (Bougeois, 2001). Además, en casos

de tener altas concentraciones de nutrientes se presenta un estado conocido como pérdida de

la sensibilidad de lectura (Osbild, 1998)

Por otra parte, las técnicas ópticas utilizando principalmente la espectrofotometría UV-VIS,

es un método para estimar la DBO en el cual, la luz interactúa con la composición orgánica

presente en la muestra. Las ventajas que presentan estos métodos, son la rapidez de los

resultados, la versatilidad del proceso y, que no es necesario realizar un tratamiento previo

sobre las muestras de interés. Así mismo, estas condiciones permiten evaluar la técnica para

su aplicación en tiempo real (Bougeois, 2001)

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PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA Y JUSTIFICACIÓN

La estimación de la DBO se realiza a partir de la metodología DBO5 propuesta por Standard

Methods for the examination of water and wastewater. Este método es usado frecuentemente

debido a su exactitud en la medición cuantitativa; sin embargo, tiene unas desventajas

representadas por el tiempo de incubación, además de un cuidado especial en su realización,

como en la oxigenación del agua de dilución; la rigurosidad en el peso y la adición de los

compuestos a utilizar en el ensayo, así como en el desarrollo de la medición del oxígeno

disuelto, por el método Winkler. Por todas estas razones, en este estudio se investiga una

alternativa de medición de DBO, a partir de la relación existente entre el área bajo la curva

espectral, en el rango 250-600 nm y la DBO, medida por el método estándar.

De ser viable, esta propuesta, tendría la ventaja, sobre el método de incubación a cinco días,

de ser más rápida, económica y precisa, además de requerir pequeños volúmenes de muestra

para su medición.

Los valores derivados de esta investigación seguirán de cerca las tendencias del método

estándar, lo que permite hacerlos ideales para el control en tiempo real de los efluentes de

aguas residuales.

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1 OBJETIVOS

1.1 OBJETIVO GENERAL

Evaluar el potencial de estimación de la DBO en una muestra de agua proveniente de un

efluente en la cuidad de Bogotá, mediante métodos espectrofotométricos.

1.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS

● Seleccionar un punto de muestreo de un cauce urbano de la cuidad de Bogotá, para

realizar muestreos puntuales sobre la sección transversal del cauce.

● Establecer un rango de longitudes de onda de trabajo, para el registro de las curvas

espectrales.

● Realizar ensayos de DBO por el método estándar de incubación a cinco días y /relacionar

estos resultados con las áreas bajo la curva espectral, dentro del rango de trabajo.

● Realizar ejercicios de predicción de DBO, con las curvas de mejor ajuste, con el propósito

de comparar los valores calculados mediante la ecuación lineal.

● Corroborar los resultados obtenidos en las predicciones, con mediciones hechas por un

par externo.

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2 MARCO TEÓRICO

El agua es parte constituyente de la mayoría de animales y vegetales, por esta razón es una

de sustancias más importante para los seres vivos, sin embargo, esta es altamente susceptible

a la contaminación. Las aguas superficiales son el principal receptor de residuos

antropogénicos, ya sea por actividades industriales y/o domésticas. En el caso de los

contaminantes, hay residuos que para su tratamiento demandan, oxígeno afectando las

cantidades de oxígeno presentes en las corrientes de agua, como en las aguas estancadas. Así,

por ejemplo, la materia orgánica, requiere oxígeno para ser degradada por vía aeróbica.

La descarga de materia orgánica contaminante, en los cuerpos de agua receptores, consume

el oxígeno disponible en estos y, una medida de ese impacto, es lo que se conoce como

demanda bioquímica de oxígeno. La oxidación bioquímica es un proceso en cual, los

microorganismos utilizan las sustancias orgánicas del agua residual, como una fuente de

carbono, consumiendo de este modo el oxígeno disuelto necesario para mantener la biota

aeróbica del reservorio.

La cantidad de oxígeno disuelto consumido por un volumen de muestra de agua, a partir del

proceso de oxidación bioquímica, ha sido definido como un método de medición de la calidad

del agua y se denomina, prueba de Demanda Bioquímica de Oxígeno o DBO (Instituto de

Hidrología, 2007)). Así, la DBO es la medida de la cantidad total de oxígeno requerido por

los microorganismos para oxidar la materia orgánica biodegradable, disponible en la muestra.

La reacción de la biodegradación aeróbica en las aguas residuales, se expresa como:

𝐶𝑎𝑟𝑏𝑜ℎ𝑖𝑑𝑟𝑎𝑡𝑜𝑠 + 𝑂2 Biomasa 𝐶𝑂2 + 𝐻2𝑂 + 𝑁𝐻4 + 𝑀𝑖𝑛𝑒𝑟𝑎𝑙𝑒𝑠

𝑃𝑟𝑜𝑡𝑒𝑖𝑛𝑎𝑠 𝐻𝑖𝑑𝑟𝑜𝑐𝑎𝑟𝑏𝑢𝑟𝑜𝑠 Catalizador + 𝑏𝑖𝑜𝑚𝑎𝑠𝑎

La prueba de DBO es un procedimiento experimental, tipo bioensayo, en donde las muestras

de agua residual y/o diluciones convenientes de las mismas, de acuerdo a lo establecido por

el Standard Methods for the examination of water and wastewater, se incuban a unas

condiciones estándar de oscuridad a 20°C, por cinco días. La disminución del oxígeno

disuelto (OD) presente en las muestras, medida por el método Winkler durante el periodo de

incubación produce una medida de la DBO.

2.1 Principios de la espectrofotometría UV-Visible (UV-Vis)

Los métodos espectrofotométricos de absorción en las regiones visible e ultravioleta, UV-

VIS, se basan en la propiedad de absorción de energía radiante, que tienen algunas sustancias,

en proporción directa con su concentración. En un espectrofotómetro UV-VIS, la radiación

es generada por el equipo, el cual tiene un rango espectral que va desde 190 a 800 nm. Los

métodos difieren unos a otros, en función de de las regiones del espectro electromagnético

que se trabajen (Ver Tabla 1). La atenuación es el resultado de la reflexión y dispersión

generada a partir de las sustancias que no permiten el paso de la radiación; por otra parte, se

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tiene una absorción en los compuestos que presentan dicha capacidad a una longitud de onda

discreta; por último en algunos casos, se tienen interferencias producidas por la omisión de

los estándares de buenas prácticas de laboratorio (Marieta L.C. Passos, 2019)

En casos puntuales de laboratorio, la medida que mejor se ajusta a los intereses de la

concentración de los analitos es la absorbancia. Dentro de los límites de control, la

absorbancia es proporcional a la concentración del analito que se busca determinar y a la

distancia que atraviesa el rayo de luz, a través de la muestra durante la irradiación. La relación

anteriormente descrita es denominada Ley de Beer, matemáticamente se escribe de la

siguiente forma:

𝐴 = 𝜀 𝑥 𝑏 𝑥 𝑐

Donde

A, es la absorbancia registrada para la muestra

ε, es el coeficiente de absorbancia molar (Depende de la longitud de onda configurada)

[𝑚𝑜𝑙−1𝐿 𝑐𝑚−1]

b, es el ancho de la celda, en cm

c, es la concentración de la sustancia [𝑚𝑜𝑙 𝐿−1]

La relación lineal de la ecuación puede estar influenciada por distintos factores;

características del espectrofotómetro, fotodegradación de las moléculas, interferencias por

dispersión o absorbentes de no interés en la muestra, compuestos fluorescentes en la muestra,

interacciones entre el analito y el disolvente, y el pH (Sommer, 1989).

Tabla 1. Longitud de onda aproximada, energías y tipo de excitación para diferente

regiones espectrales.

Fuente: Tomado de (Tissue, 2012)

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2.2 Método estándar modificado: Mejora en la medición de oxígeno

El método hace referencia a la incorporación de la sonda para la medición del oxígeno

consumido por los microorganismos. Está adaptación parte de la mención implícita del

método estándar, en el cual, se describe que la lectura del consumo de oxígeno debe ser

realizado a partir de una sonda electroquímica (Electrodo) o mediante la aplicación de la

técnica de yodometría.

La ventaja de la modificación radica en el avance de la sonda óptica (basado en un indicador

químico ‘Fluorescencia dinámica’), que interactúa con el oxígeno, razón por la cual se

evidencia una reducción en la emisión de la fluorescencia que irradia el indicador químico.

Con esta última interpretación, se llega a la afirmación ‘...que la disminución de la

fluorescencia es proporcional a la concentración de oxígeno disuelto presente en la

muestra…’ (Xu, 1994) (McEvoy, 1996) (McDonagh, 2001) (Xiong, 2006).

Una de las apreciaciones sobre este tipo de tecnología, es el bajo mantenimiento de la sonda

electroquímica. Además, la muestra analizada no sufre modificaciones químicas durante la

medición, debido a que el oxígeno no es consumido por la sonda, por lo tanto, la medición

de oxígeno no es afectada por la velocidad del flujo o el campo electromagnético de los

equipos (Klimant, 1995).

2.3 Método fotométrico

El método utiliza las mismas condiciones de incubación que describe el método estándar

(Dilución de muestras con altas cargas orgánicas, incubación a 20°C en ausencia de luz,

inóculo de población microbiana y tiempo de incubación de 5 días), la variable de análisis es

el consumo de oxígeno disuelto por parte de los microorganismos presentes en las muestras

durante el periodo de análisis. Realizando una lectura antes de la incubación y una posterior

de la incubación.

Una vez finalizado el tiempo límite de incubación, se procede a realizar una adición de

reactivos que colorean la muestra en un tono rojo, la intensidad de dicho color depende de la

concentración de oxígeno disuelto disponible en la muestra de análisis. La medida de la

absorbancia del color por medio de un espectrofotómetro, permite estimar la concentración

de oxígeno en la muestra. Este método permite establecer una relación indirecta de la DBO

calculada (Nobuyuki Yoshida, 2002).

2.4 Método manométrico

Este método está orientado a la medición de la presión, en donde el cambio de la presión

inicial, con respecto a la final, es un indicio del consumo de oxígeno por parte de los

microorganismos que oxidan la materia orgánica. El montaje experimental utiliza botellas

herméticamente selladas, llenadas con un volumen conocido de la muestra. En su interior,

los microorganismos oxidan la materia orgánica utilizando el oxígeno gaseoso (atrapado en

14

la botella), como fuente de los electrones empleados en el proceso. El dióxido de carbono

generado durante el proceso es absorbido por el hidróxido de sodio atrapado en el interior de

las botellas por medio de las paletas (Caldwell, 1948)

Los cambios de presión son registrados por un manómetro y expresados de forma equivalente

al porcentaje de oxígeno consumido; el valor final es una medición indirecta de la DBO.

En el transcurso del tiempo se han adelantado investigaciones que mejoran el proceso de

medición para el descenso de la presión dentro de las botellas. Una de las principales

variantes utiliza un barómetro de mercurio, esta modificación fue desarrollada por BMS 6

propuesto por Velp Scientifica que emplea un sistema manual. Por otro lado, se tienen

sistemas comerciales basados en sensores de presión que no utilizan mercurio, estos se

encuentran enumerados en la literatura: BODTrack (Hach Lange, Germany), Quick Scan

BOD Analyzer (Challenge technology, USA), OxiTop (WTW), OxyDirect (Tintometer,

Germany), BOD EVO Sensor (Velp Scientifica, Italy), y CI-B5 BOD ANALYZER

(FanYuan Instrument, China. Para este último conjunto de sistemas se ubica un sensor en la

cabeza de medición que permite sellar herméticamente el recipiente, con el propósito de

anular la entrada o salida de oxígeno dentro del volumen de control, este sistema no requiere

trabajar con diluciones en el caso de tener muestras con altas concentraciones de materia

orgánica.

2.5 Biosensores para la detección de la DBO

El bioreconocimiento de la DBO es el proceso por el cual los microorganismos realizan

procesos biológicos que permiten la lectura del parámetro de la demanda bioquímica de

oxígeno (DBO). Está actividad microbiana parte del principio de inmovilización de

biopelículas formadas por colonias que utilizan el oxígeno como fuente de oxidación para la

materia orgánica (O.N. Ponomareva, 2011). La fijación de los microorganismos cumple la

función de crear un electrodo de medición a partir de la relación de los procesos bioquímicos

desencadenados durante el consumo de materia orgánica, por parte de los microorganismos.

Dentro de las limitantes encontradas para los biosensores, se encuentra la baja tolerancia de

los microorganismos, en presencia de un medio contaminado con metales pesados

(Rodriguez-Mozas, 2006).

2.5.1 Biosensores de biopelículas con electrodo de oxígeno

El fundamento experimental de los biosensores inicia con la medición de la tasa de

respiración de los microorganismos que se encuentran alrededor del transductor (electrodo)

de contacto directo sobre el medio de interés (Karube, 1977). Los primeros estudios

realizados en el área de investigación de los biosensores, plantearon un ensayo de laboratorio

que utilizó una biopelícula de origen microbiano, la cual se adhería a un sustrato poroso

(Celulosa) y al medio permeable (teflón) del electrodo utilizado para la medición de oxígeno.

15

El proceso de operación inicia con la difusión del oxígeno disuelto de la muestra hacia la

biopelícula (microorganismos fijados), una fracción de la concentración de oxígeno inicial

es consumida por los microorganismos aeróbicos, para la oxidación de la materia orgánica

contenida en la muestra de análisis. El oxígeno residual pasa a través del medio poroso para

ser reducido en un cátodo del electrodo; este último proceso permite la medición de la

concentración final de oxígeno. Dicha hipótesis está sujeta a la interpretación, según la cual,

‘La intensidad de la corriente en el sistema es directamente proporcional a la cantidad de

oxígeno reducido en el electrodo’ (O.N. Ponomareva, 2011)

La respuesta del biosensor es ajustada por medio de dos métodos de procesamiento, el

primero de estos corresponde al equilibrio o dinámica (medición en el punto final) y la

segunda, a la cinética (medición de la velocidad de consumo) (Tan, 1993).

2.5.2 Sensores de sistemas tipo bioreactor

Los sistemas de tipo bioreactor utilizan un respirómetro para determinar la DBO; el

funcionamiento de estos sistemas permite la lectura constante de la actividad respirometría

de la materia orgánica en suspensión. La materia en suspensión se encuentra contenida dentro

de un grupo asociativo que compacta los microbios en un punto focal; este comportamiento

se relaciona con el concepto de lodos activados, según el cual, dentro del medio confinado

en el reactor, las partículas orgánicas fácilmente oxidables, entran en contacto directo con los

lodos activados.

Para mejorar la repetibilidad de los ensayos se utilizan cepas individuales que permiten

generar un reconocimiento de cada una de las etapas de consumo de materia orgánica, toda

vez que los microorganismos en los lodos activados, actúan de forma discontinua (Sohn,

1995)

Una de las ventajas que presenta este tipo de sensores es la estabilidad durante la operación

del sistema con respecto a los sensores de tipo película. Por otra parte, la principal desventaja

radica en que la operación es de tipo estacionario e inaplicable en campo de trabajo, en otras

palabras su funcionamiento está restringido para el monitoreo de la DBO en instalaciones

dedicadas al tratamiento del agua residual (Praet, 1995)

2.6 Biosensores Mediadores

En el método estándar se estudia el valor de la DBO con respecto a la respiración microbiana,

por parte de microorganismos aeróbicos, los cuales están influenciados por la concentración

de oxígeno disuelto en el agua. Está correlación tiene ciertas interferencias por la adición

involuntaria de oxígeno durante el tratamiento de la muestra. Para minimizar este

inconveniente indeseable, se utilizan mediadores. En teoría, se ha encontrado que los

compuestos sintéticos de los mediadores, son reducidos por ciertos microorganismos, es

16

decir, estos compuestos pueden competir por el oxígeno como fuente de oxidación (Tkac,

2003). Así mismo, estos compuestos pueden tener la propiedad redox.

17

2.7 Resumen de los principales métodos para la estimación de la DBO

Tabla 2. Comparación de las principales técnicas de medición de la DBO.

TecnologíasVariable de

relación

Principio de

medición

Tiempo

requeridoVentajas Desventajas

Método EstándarOxígeno Disuelto

(O2)

Yodometría. Sonda

electroquímica.

Electrodos de

membrana

5 días

*Valor de la DBO5 real.

*Información extensa del proceso.

* Método certificado

*Largo Periodo de medición.

*Dosificación anual.

*Mantenimiento de sondas.

*Variabilidad del inóculo.

Método estándar

modificado

Oxígeno Disuelto

(O2)Sonda óptica 5 días


*Sonda no invasiva sobre el medio.

* Información extensa del proceso.

*Método certificado.



Método

fotométrico

Oxígeno Disuelto

(O2)Espectrofotometría 5 días


*Kit listo para usar.

* No requiere un área extensa de

laboratorio.





Método

ManométricoPresión Manómetro 5 días

*Amplio rango de medición (DBO = 0 -

700 mg/l)



*Largo periodo de medición.

*Medida indirecta de la DBO.

*Equivalencia de la DBO.


Bionsensor

basado en

bacterias

bioluminiscentes

Actividad de

bioluminiscenciaLuminómetro 72 min

*Corto periodo de análisis.


200 mg/l).

*Fácil de aplicar.

*Requiere una pequeña área de

laboratorio.

*Medición indirecta.

*Predicción de la DBO5.

*Inestabilidad de la bioluminiscencia.

*Poca información del proceso.

*Método no certificado.

Fuente. Tomado de (S. Jouanneau, 2014)

18

TecnologíasVariable de

relación

Principio de

medición

Tiempo

requeridoVentajas Desventajas

Celdas

microbianasPotencial eléctrico Amperométrico 315 min



200 mg/l)

*Bajo mantenimiento.

*Configuración que permite el

monitoreo de las muestras.



*Medicion indirecta.



Mediador redox Reacción redox

Amperométrico,

Luminómetro,

Fotómetro o

Espectrofotómetro

15 min



300 mg/l)

*Fácil de usar.

*Requiere una pequeña área de

laboratorio.


*Medición indirecta.

*Baja precisión de la evaluación.

* Equivalente de DBO.


Biosensor con

microorganismos

inmovilizados

Oxígeno Disuelto

(O2)

Sonda electroquímica

u óptica10 min

*Medición directa.



500 mg/l).



*Difusión (oxígeno o productos

químicos) en matriz polimérica o

membrana.

*Crecimiento bacteriano no controlado.

*Predicción de la DBO.


*Método no certificado.

BioreactorOxígeno Disuelto

(O2)

Sonda electroquímica

u óptica20 min

*Medición directa.



500 mg/l).



*Método certificado

*Requiere una extensa área de trabajo

dentro del laboratorio.

*Predicción de la DBO.


*Rigurosa fase de calibración.

Fuente. Tomado de (S. Jouanneau, 2014)

19

3 MATERIALES Y METODOLOGÍA

3.1 Recolección y recepción de muestras

Se recolectaron un total de 14 muestras durante un periodo de 5 meses (febrero a junio

2019), las muestras fueron obtenidas de la sección transversal del río Tunjuelo, en el

sector inferior de la cuenca del rio (Comprendido entre Cantarrana y el Río Bogotá);

específicamente, en el punto de intercepción con la Avenida Ciudad de Cali. El río fluye

a través del sector sur del área urbana de la ciudad de Bogotá, en dirección noroccidental

(¡Error! La autoreferencia al marcador no es válida.). Las muestras fueron

recolectadas en la franja horaria de 6:00 a.m. a 8:00 a.m. El sitio de muestreo presenta

un amplio rango de concentraciones de DBO; y se asume que los vertimientos

descargados sobre el río corresponden a Agua Residual Doméstica, principalmente,

aunque, se tiene conocimiento que a este cauce llegan también numerosos vertimientos

industriales.

Figura 1. Mapa de ubicación del punto de muestreo.

Tomado de https://mapas.bogota.gov.co/?webmap=7bef3527f53a4c21af0b10a35cbfc9e9&widgettoopen=Legend#7

En el punto de muestreo, las muestras de agua fueron recogidas utilizando un muestreador

vertical de capacidad de 1 litro, con el cual, se realiza un barrido horizontal que abarque toda

la sección transversal, con el fin de obtener una muestra homogénea y representativa de la

sección transversal del cauce. En este sentido, se trata de muestras integradas. La muestra es

transportada en un envase limpio y almacenada en la oscuridad, mientras se transporta al

Laboratorio de Calidad de Aguas de la Facultad del Medio Ambiente de la

Universidad Distrital, para su análisis, el cual se realizó, siempre, dentro de las siguientes

cuatro horas posteriores al muestreo. Los valores de DBO fueron obtenidos de dos formas:

https://mapas.bogota.gov.co/?webmap=7bef3527f53a4c21af0b10a35cbfc9e9&widgettoopen=Legend#7

20

La primera por el método estándar de incubación a cinco días, SM 5210 B, y la segunda,

mediante predicción a partir de las curvas espectrales de trabajo.

Las muestras recolectadas en campo fueron homogeneizadas mediante filtración sobre un

manto de algodón, con el propósito de retener el material grueso, ajeno a la muestra, que

pueda causar interferencias en la medición. Este pretratamiento es necesario para poder

obtener datos confiables y reproducibles en todos los muestreos.

3.2 Metodología analítica experimental

Para el desarrollo de esta investigación se siguió una metodología analítica experimental,

basada en el diseño y realización de ensayos de laboratorio y su posterior análisis y discusión

de resultados. El análisis y discusión de los resultados de cada ensayo, se utilizó para diseñar

y programar el siguiente.

3.2.1 Demanda bioquímica de oxígeno (DBO5)

El desarrollo de este estudio sigue una metodología analítica experimental, que inicia desde

el mismo momento del muestreo y termina cuando se analizan e interpretan los resultados de

las pruebas de DBO5, hechas sobre la muestra, siguiendo el Método 5210 BIOCHEMICAL

OXYGEN DEMAND (BOD), del Standard Methods, de incubación a cinco días, pero

también, de acuerdo con la metodología desarrollada en este estudio.

Las muestras tomadas se homogenizan por filtración sobre un manto de algodón, con el

propósito de retirar el material grueso, ajeno a las muestras, que suele estar presente en las

aguas residuales que fluyen por los cauces urbanos. Vale la pena mencionar, que mediante

este proceso de ‘cribado’, se busca homogenizar las muestras, antes que filtrarlas, ya que la

intención es medir la DBO debida a los sólidos en suspensión y solución, contenidos en la

muestra.

Sobre la muestra homogenizada se realiza la prueba de DBO5 por el método estándar de

incubación a cinco días y luego se realizan diluciones de la muestra en factores de diez, para,

posteriormente, realizar una curva espectral, sobre cada una de estas diluciones, en el rango

de 250 a 650 nm.

Una vez que han pasado los cinco días de incubación y se obtiene el valor de la DBO de la

muestra, se calculan los valores de DBO, de cada una de las diluciones y se grafican, en el

eje de las abscisas, contra los correspondientes valores del ‘área bajo la curva’, en el eje de

las ordenadas.

La hipótesis fundamental de este estudio presupone que ‘existe una relación lineal’ entre

estas dos variables y que dado un tipo particular de agua residual doméstica o dado un

21

determinado punto de muestreo, en un vertimiento de aguas residuales domésticas, el área

bajo la curva permitirá predecir la DBO, con un margen de variabilidad inferior al 25 %.

El procedimiento con las muestras sigue el siguiente orden:

Se incuban las muestras, blancos y patrones a 20°C durante cinco días, más o menos 4 horas,

en quince botellas Winkler distribuidas de la siguiente forma:

● Incubación de tres réplicas de ‘agua de dilución’, para los ‘blancos’.

● Incubación de tres réplicas de solución de Glucosa-Glutámico, para los ‘controles’.

● Incubación de la muestra, con tres grados de dilución diferente y tres réplicas para

cada dilución.

Figura 2. Muestras para incubación, método estándar.

Fuente: Propia - Tomada: 20 de mayo del 2019

Para todas las muestras, la siembra se llevó a cabo después de haber filtrado las muestras

como método de homogeneización.

3.2.2 Agua de dilución

El agua de dilución se prepara dosificando un 1 ml de cada una de las soluciones nutrientes,

por cada litro de agua destilada. Adicionalmente se inocula con un volumen del efluente

problema (3 ml) a un volumen de 15 litros de agua de dilución, y se airea alrededor de 2 horas

antes de su uso. Las soluciones nutrientes adicionadas son:

⮚ Buffer de fosfatos (pH 7,2): Se pesa 8,50 g. KH2PO4, 21,75 g. K2HPO4, 33,40 g.

Na2HPO4.7H20 y 1,7 g. NH4Cl. Llevar a un litro con agua destilada.

22

⮚ Solución de sulfato de magnesio. Se pesa 22,5 g. MgSO4 y se lleva a un litro con agua

destilada.

⮚ Soluciones de cloruro de calcio. Se pesa 27,5 g. CaCl2 y se lleva a un litro con agua

destilada.

⮚ Solución de cloruro férrico. Se pesa 0,25 g. FeCl3.6H2O y se lleva a un litro con

agua destilada.

Figura 3. Preparación agua de Dilución, método estándar.

Fuente: Propia - Tomada: 22 mayo del 2019

3.2.3 Solución control

De acuerdo a lo establecido por el método estándar para la DBO, a cinco días, la solución

control se prepara pesando 150 mg de glucosa y 150 mg de ácido glutámico, previamente

secados a 110 C durante 24 horas, disolviéndose en un volumen total de 1000 ml con agua

des ionizada. Ésta solución se utiliza como referencia para validar o refutar los resultados de

DBO obtenidos por el método estándar.

3.2.4 Dilución de las muestras

Las muestras, que eran visiblemente turbias, se diluyeron con agua de dilución, con el fin de

alcanzar el rango óptimo de lectura de la DBO5. Las diluciones utilizadas para medir la

DBO5 de estas muestras fueron de 10:1000, 15:1000, 20:1000 y 25:1000. En algunos casos

la concentración de DBO de la muestra, fue superior a las posibilidades de medición de estas

diluciones.

23

3.2.5 Medición del oxígeno disuelto

Las mediciones del oxígeno disuelto, posterior a la incubación de las muestras, (5 días, más

o menos 4 horas), se realizaron por el método de Winkler, tal como se muestra en la Figura

3.

Figura 4. Método Winkler.

Fuente: Propia - Tomada: 24 de marzo del 2019

3.2.6 Espectroscopia UV-VIS

Las muestras homogenizadas por filtración a través de algodón, se diluyeron en fracciones

de diez, en diez, a partir de la muestra concentrada, esto es, al 10 %, al 20 %, etc., hasta llegar

a la muestra concentrada o 100 %. Posteriormente, dentro de las 2 horas siguientes al

muestreo, se registraron las curvas espectrales de cada una de las diluciones, desde 250 hasta

600 nm. Las mediciones espectrales se hicieron en un equipo Shimadzu UV Mini-1240,

utilizando como blanco o cero de concentración de DBO, el agua de dilución. Las mediciones

fueron realizadas utilizando celdas de cuarzo, de un cm de ancho.

Aunque el equipo utilizado tiene tres velocidades de barrido, se utilizó la velocidad lenta,

para lograr una mayor precisión en el cálculo de ‘el área bajo la curva, ABC’, que es el

parámetro que finalmente se compara con la DBO de las diluciones de las muestras. Así, los

ejercicios de predicción de la DBO, se hacen sobre gráficas de ABC ‘vs’ DBO. No se

aplicaron correcciones de instrumentos, ya que se usó siempre, el mismo instrumento de

medición, durante este trabajo.

3.3 Metodología Instrumental

Los resultados obtenidos por la metodología experimental tienen un tratamiento estadístico

con el propósito de validar los valores suministrados por el equipo de medición

(espectrofotómetro). Para tal fin, se realizaron tres réplicas por medición para cada una de

24

las diluciones evaluadas con el área bajo la curva. A partir de las réplicas, se calculó el valor

medio con el fin de tener un valor puntual para el tratamiento de los resultados y posterior a

esto, se graficó la relación entre el área bajo la curva, ABC y la DBO5. Para comparar la

linealidad de las variables cuantitativas se utilizó el análisis de correlación lineal, este

procedimiento es efectuado con el fin de determinar el grado de variación conjunta existente

entre las dos variables de estudio; el grado de correlación lineal fue medido a partir del

coeficiente de linealidad (R2), el cual tiene la función de medir la tendencia de las variables

a comportarse bajo la expresión de una ecuación lineal.

25

4 ANÁLISIS DE RESULTADOS

Se realizaron 14 muestreos, en donde, para cada uno de ellos, se registró el área bajo, ABC

y la DBO5 respectivamente. Los resultados para cada uno de los ensayos de DBO5 con sus

respectivos datos de identificación de la secuencia del ensayo, factor de dilución, valores de

DBO y O2 (Oxígeno Disuelto) se muestran en la Tabla 3.

En los ensayos, en donde se presentó un agotamiento del oxígeno disuelto, por debajo o igual

a 2 mg O2/l, durante el proceso de incubación, se descartaron los datos, por no cumplir con

ese criterio de verificación establecido por el Standard Methods, 5210, en el cual se establece

que el oxígeno disuelto de las muestras debe ser mayor o igual a 2 mg/l. Adicionalmente, se

excluyeron los datos de los ensayos que no presentaron un control de la DBO de 200 +/- 50

mg/l ( Ensayo N° 7, 9, 10, 12), reduciendo el número de ensayos válidos a 10.

Tabla 3. Datos experimentales del método estándar DBO5 y valores estimados por el

método propuesto.

ID EnsayoFactores de

Dilución

Oxígeno

Disuelto (mg/l)

DBO5 Estimada

(mg/l)

DBO Control

(mg/l)

DBO Muestra

(mg/l)

15:1000 3,653 181

20:1000 2,76 180

25:1000 1,86 180

10:1000 3,631 224

15:1000 2,302 238

20:1000 1,569 215

10:1000 4,088 237

15:1000 2,501 264

20:1000 1,866 230

10:1000 3,974 324

15:1000 3,794 228

20:1000 2,874 217

10:1000 3,711 197

15:1000 2,852 0

10:1000 2,168 215

10:1000 0 202

15:1000 2,926 240

10:1000 2,11 127

10:1000 3,541 111

15:1000 3,025 206

10:1000 2,725 223

10:1000 4,023 214

15:1000 2,741 106

10:1000 1,8 103

10:1000 5,276 35

15:1000 5,76 52

10:1000 3,521 161

Ensayo

N°8

Ensayo

N°9

183

35

211

114

181

231

251

222

218

208

126

215

131

Ensayo

N°1

227Ensayo

N°6

Ensayo

N°7

Ensayo

N°2

Ensayo

N°3

Ensayo

N°4

Ensayo

N°5

183

181

199

189

Fuente: Propia – Obtenida de la metodología

26

ID EnsayoFactores de

Dilución

Oxígeno

Disuelto (mg/l)

DBO5 Estimada

(mg/l)

DBO Control

(mg/l)

DBO Muestra

(mg/l)

10:1000 5,309 161

20:1000 3,411 47

25:1000 4,897 156

10:1000 4,669 167

15:1000 3,725 191

20:1000 2,420 57

10:1001 5,866 66

15:1000 5,454 67

20:1000 5,092 109

10:1000 5,176 122

15:1000 4,436 110

20:1000 4,064 65

10:1000 5,723 86

15:1000 5,088 91

10:1000 4,548 215

159

133

110

103

107

179

66

116

89

152Ensayo N°10

Ensayo N°11

Ensayo N°12

Ensayo N°13

Ensayo N°14


Como es bien sabido, la naturaleza bioquímica de la muestra, afecta los resultados de las

pruebas de DBO5 y esto se traduce en resultados poco reproducibles y confiables. Esta

observación es importante, ya que el Río Tunjuelito, recibe descargas procedentes de

curtiembres. Obviamente si los microrganismos presentes en el inóculo no pueden crecer o

no se adaptan rápidamente a la matriz de la muestra, los valores de DBO obtenidos, no serán

confiables.

Es probable que en algunos ensayos (Ensayos N° 7, 9, 10 y 12), las desviaciones en los

valores de la DBO predicha, sean causadas por presencia ocasional de sustancias

contaminantes que inhiben el crecimiento bacteriano y que corresponde a vertimientos

puntuales en el tiempo.

En la lectura de los ensayos no contemplados para el análisis de resultados, en donde la DBO

del control estuvo por fuera del rango permitido, es posible que hayan ocurrido errores

asociados a la inestabilidad de la temperatura durante la incubación de las muestras, ya que

durante ese periodo, el Laboratorio de Aguas de la Sede Porvenir, se encontraba en fase de

adecuación y, como es bien sabido, desviaciones de temperatura superiores a un grado

Celsius, afectan los resultados.

En la Tabla 4, se presentan los datos de área bajo la curva, ‘vs’ DBO, para cada uno de los

ensayos realizados. En esta tabla, los valores más altos de DBO se corresponden a con

muestreos realizados durante periodos climáticos de baja precipitación y viceversa. Por lo

tanto, en esos periodos de alta carga orgánica, se evalúa principalmente el agua residual

doméstica, sin efecto de dilución por lluvias. En síntesis, la variación existente entre los datos

es consecuente con las condiciones climáticas imperantes durante el muestreo.

27

Tabla 4. Área bajo la curva espectral, en un rango entre 250 y 600 nm, para cada una de

las muestras analizadas.

DiluciónEnsayo

N°1

Ensayo

N°2

Ensayo

N°3

Ensayo

N°4

Ensayo

N°5

Ensayo

N°6

Ensayo

N°7

Ensayo

N°8

Ensayo

N°9

Ensayo

N°10

Ensayo

N°11

Ensayo

N°12

Ensayo

N°13

Ensayo

N°14

MDILUCIÓN 10:100 23,139 28,320 34,129 25,959 33,326 32,923 36,661 37,316 37,295 38,948 - 42,872 27,714 22,582

MDILUCIÓN 20:100 35,755 49,261 54,327 39,976 52,875 51,432 58,020 62,258 55,218 57,679 - 66,307 43,998 50,055

MDILUCIÓN 30:100 47,184 67,826 71,203 54,023 70,239 65,773 80,937 85,626 72,590 80,253 - 92,453 58,468 66,781

MDILUCIÓN 40:100 52,218 86,009 89,512 68,843 88,823 87,209 89,605 111,333 92,702 102,117 - 115,387 73,427 82,883

MDILUCIÓN 50:100 68,165 102,153 109,510 82,973 105,567 104,823 123,267 133,283 116,967 123,500 117,153 144,397 89,295 99,347

MDILUCIÓN 60:100 80,929 117,677 130,560 99,115 123,507 122,533 140,343 158,723 155,913 142,470 - 161,230 104,703 114,787

MDILUCIÓN 70:100 93,145 137,377 149,963 111,457 143,353 130,767 165,133 183,250 165,427 166,627 - 193,980 120,280 132,200

MDILUCIÓN 80:100 98,323 153,500 167,567 121,943 155,123 144,500 185,503 203,690 176,500 185,427 - 219,603 136,647 146,947

MDILUCIÓN 90:100 107,5 171,613 182,067 135,443 168,553 160,613 190,970 219,717 186,499 194,907 - 252,587 147,263 162,850

MDIRECTA 119,13 185,910 200,753 151,293 181,437 205,380 204,813 244,233 212,033 197,943 - 264,610 164,243 184,130

Área Bajo la Curva Espectral (ABC) - (250 - 600 nm)


28

En la Figura 4, se muestra las gráficas de los diez ensayos más representativos realizados

durante este estudio. En esta gráfica el Eje ‘Y’ representa el área bajo la curva y el Eje ‘X’ la

de DBO de cada uno de los ensayos. Como puede verse en esta gráfica, cada color representa

un ensayo diferente, pero todos ellos muestran una tendencia evidentemente lineal.

Figura 5. Gráfica del ABC con respecto a la DBO, para los ensayos con una DBO control

dentro del rango del 25% de error.


Los datos de los 14 ensayos presentaron un ‘coeficiente de correlación lineal, R2’ mayor a

0,99 y menor a 1, para la relación entre el ‘ABC’ y la ‘DBO’. Obsérvese que, aunque la

relación entre estas dos variables es evidentemente lineal, las pendientes de cada ensayo

difieren levemente. No obstante, también se observa una tendencia en la pendiente, que está

determinada por los ensayos No 2, 3, 5 y 6. Esta tendencia en el valor de la pendiente,

posiblemente está asociada a la naturaleza o matriz de la muestra y eso es lo que hace

necesario ‘ajustar’ los resultados de este estudio, para cada caso particular, tipo de muestra o

tipo de vertimiento.

En otras palabras, las ecuaciones de predicción obtenidas en este estudio, no son 100%

aplicables a otros cauces o vertimientos, en donde cambie la matriz de la muestra. Sin

embargo, lo que sí es aplicable a diversos tipos de muestras, es la metodología encontrada en

este estudio, para predecir los valores de DBO, en muestras de matriz comparable. Para cada

caso, deberá aplicarse un proceso metodológico semejante.

29

Los coeficientes de correlación lineal encontrados en los ensayos 1, 5, 6 y 14, fueron un poco

más bajos, que los encontrados para los demás ensayos, Figura 5.

Los datos de los 14 ensayos combinados, dieron un valor de R2 mayor a 0.99 y menor a 1

para la regresión lineal de la ABC con respecto a la DBO. Las regresiones de los datos

recopilados en los ensayos No.1, No.5, No.6 y No.14 fueron menos pronunciadas (Figura 5).

Los coeficientes de correlación lineal ‘R2’ se calcularon individualmente para cada ensayo y

aunque siempre fueron cercanos a uno, 1, la pendiente defiere apreciablemente de un ensayo

a otro, como se muestra en la Figura 5. Nótese que las ecuaciones obtenidas describen un

buen comportamiento lineal entre las dos variables estudiadas. Sin embargo, las predicciones

no fueron satisfactorias, probablemente debido a errores experimentales en la

implementación del método.


para los casos de baja precisión.


30

En comparación con los anteriores ensayos, en los restantes, el nivel de precisión en la

predicción de los valores de DBO, tuvo un error cercano a +/- 10%, con respecto al ‘valor

verdadero’, obtenido por el método de estándar de incubación a cinco días. Este hecho es

muy importante, si se tiene en cuenta que la desviación aceptable para el método estándar es

de +/- 25%.

En síntesis, los resultados obtenidos en este estudio indican, que la estimación de los valores

de DBO, en aguas residuales domésticas, mediante curvas de ABC ‘vs’ DBO, permite

estimar los valores de DBO, de una manera más rápida, simple y precisa, en comparación

con la medición realizada por el método estándar de incubación a cinco días.

Aunque otros investigadores ya han utilizado métodos espectrofotométricos para estimar los

valores de DBO, el uso de curvas espectrales, en lugar de ‘longitudes de máxima

absorbancia’, representa un avance significativo, alcanzado en este estudio. La razón por la

cual se utilizó en este estudio el área bajo la curva y no una longitud de onda de máxima

absorbancia, radica en que la composición media de las aguas residuales domésticas, posee

una amplia variedad de grupos cromóforos, que absorben energía radiante, tanto en el visible

como en el ultravioleta, 250-600 nm.


para los casos de alta precisión.

31


Las bondades del método y del rango espectral de medición, dentro del cual se realiza la

medición del área bajo la curva, se ponen de manifiesto en los ensayos 2, 3, 4, 8 y 13, como

se muestra en la Figura 6, en donde, los índices de correlación lineal reportan valores que

van desde 0,995 hasta 0,999. El comportamiento gráfico de los ensayos, evidencia una

relación lineal entre la DBO de las muestras y el área bajo la curva espectral, entre 250 y 600

nm. Dicha relación muestra también una tendencia coherente entre los valores calculados con

base en las curvas y los correspondientes valores de DBO obtenidos experimentalmente por

el método estándar de incubación a cinco días.

Los resultados presentados en la Figura 6, sugieren que la metodología se ajusta a las

características de la matriz de la muestra, toda vez que la medida lineal entre las dos variables

cualitativas es cercana a 1,0. Esa tendencia lineal sustenta la fuerza de asociación entre la

DBO de las muestras de agua residual doméstica y el área bajo la curva espectral.

Tabla 5. Comparación entre la DBO5 esperada y la DBO5 estimada por la metodología de

estudio.

ID EnsayoValor DBO5

Esperado mg O2/l

Valor DBO5

Estimado mg O2/lError (%)

Ensayo N°2 298 231 22%

Ensayo N°3 258 251 3%

Ensayo N°4 173 222 28%

Ensayo N°8 295 215 27%

Ensayo N°13 110 116 5%

Ensayo N°14 103 89 14%


32

Nótese cómo en la Tabla 5, los primeros ensayos –2, 4 y 8- realizados muestran variaciones

entre los valores predichos y los valores experimentales, semejantes a los permitidos para la

medición de DBO por el método estándar, SM 5210 B 5day BOD Test. Sin embargo, los

ensayos posteriores -3, 13 y 14- de los cuales solo se muestran en esta tabla, los más

representativos, presentan una variación media del orden del 7,3 %, entre el valor predicho

por la metodología propuesta en este estudio y el valor experimental, obtenido por el método

estándar de incubación a cinco días.

En este orden de ideas, estimar la DBO de una muestra de agua residual doméstica, a partir

de curvas de calibración, como las presentadas en este estudio, constituye un método más

simple, rápido y preciso, en comparación con la medición directa de la DBO, por el método

estándar de incubación a cinco días.

Al momento de realizar las respectivas predicciones de los valores de DBO, a partir de sus

correspondientes áreas bajo la curva, se ponen de manifiesto también los efectos climáticos

imperantes al momento del muestreo. Es decir, las curvas cambian ligeramente de época

lluviosa a época seca. La tendencia sigue siendo lineal, pero la pendiente de la curva cambia

ligeramente.

En síntesis, la estimación de la DBO de un agua residual doméstica, mediante la medición

del área bajo la curva espectral, puede ser aplicable en Plantas de Tratamiento de Agua

Residual Domestica, como la PTAR Salitre, por ejemplo, en donde la construcción periódica

de curvas de calibración, permitiría afinar las estimaciones de DBO y corregir los efectos

climáticos.

En general, el método desarrollado en este estudio puede ser usado para mejorar la eficiencia

de las mediciones de DBO, de forma rápida y precisa, en sitios en donde se requiere una

estimación rápida, que no permite esperar los cinco días que tarda la incubación del método

estándar. El único requisito es la construcción previa de las curvas de calibración, para cada

tipo de matriz de muestra.

Como suele suceder siempre que se propone un nuevo método analítico, para la medición de

un determinado parámetro, las expectativas frente a los resultados esperados, suelen ser tan

grandes como el nivel de incertidumbre que se genera, frente a su potencial aplicación en

diversos tipos de muestras. Obviamente, este estudio no es la excepción.

Para tratar de lidiar con estos factores de presión, propios y ajenos del método que se busca

implementar, durante el desarrollo de este estudio se contrataron servicios analíticos en tres

de los laboratorios ambientales más prestigiosos de la ciudad. Dichos laboratorios en lo

sucesivo se llamarán simplemente como Laboratorio 1, Laboratorio 2 y Laboratorio 3. El

nombre específico de cada uno de estos laboratorios, se reserva para evitar inconvenientes

jurídicos, innecesarios para los propósitos de este estudio. Con cada uno de esos laboratorios

se contrató el servicio de análisis de DBO5, para dos muestras de agua residual doméstica,

33

relacionadas directamente entre sí y con la muestra de trabajo procesada rutinariamente

durante los ensayos realizados en este estudio.

Así, las muestras enviadas a los laboratorios externos, 1, 2 y 3, corresponden exactamente a

la muestra tomada y trabajada ese mismo día y a una dilución de la misma muestra, utilizada

como control. Por otra parte, y también como ejercicio de control interno, a las muestras que

fueron enviadas a los laboratorios externos, se les midió internamente la DQO, antes de medir

su DBO, de acuerdo con los procedimientos SM 5210 B 5day BOD Test y SM 5220 C Closed

Reflux Titrimetric Method.

Tabla 6. Resultados internos de DQO, de la muestra enviada a los laboratorios 1 y 2.

(Numerar la muestra)

Párametro de

análisisBlancos', (3 réplicas) Control 'B', (3 réplicas) Muestra (3 réplicas)

5,0 ml de agua

destilada5,0 ml de 'Control B' 5,0 ml de 'Muestra'

3,0 ml de K2Cr2O7 0,1

N3,0 ml K2Cr2O7 0,1 N 3,0 ml K2Cr2O7 0,1 N

4,0 ml de solución

catalizadora4,0 ml de solución catalizadora 4,0 ml de solución catalizadora

ml de FAS 0,025 N 6,813, 6,820, 6,818 ml 4,120, 4,220, 4,150 ml MD 4,50 ml

6,817 ml 4,163 ml M (50%) 5,63 ml

NFAS = 0,044 N DQOCONTROL = 187 mg O2/l DQOMD = 163 mg O2/l

DQO M(50%) = 83 mg O2/l

DBO MD = 85 mg O2/l DBO MD(60:100) = 40 mg O2/l

DBO MD = 85 mg O2/l DBO MD(30:100) = 30 mg O2/l

DBO MD(30:100) = 15 mg O2/l

DBO MD(70:100) = 36 mg O2/l

Laboratorio 2

Laboratorio 3 DBO MD = 51 mg O2/l

DQO Sistema

Cerrado.

Digestión 2 Horas

150°C

RESULTADOS DE LA TITULACIÓN DESPUÉS DE LA DIGESTIÓN

RESULTADOS DE DBO REPORTADOS POR LOS LABORATORIOS EXTERNOS

Laboratorio 1


La DBO de la muestra No. 15, obtenida por el método estándar de incubación a cinco días,

dio como resultado un valor de 51 mg O2/l., el cual es coherente y razonable para el valor de

DQO obtenido en la Tabla 6. Nótese como los resultados reportados por los laboratorios

externos no son coherentes, ni con los resultados obtenidos en el este estudio, ni con la forma

en que se diluyeron las muestras. Así, el ejercicio de contratar análisis externos para sustentar

los resultados obtenidos en este estudio, no funcionó, en absoluto. Y no funcionó,

sencillamente porque las pruebas de DBO implican un alto grado de complejidad, que muy

pocos laboratorios ambientales, en nuestro medio, están en condiciones de resolver. Lo único

que se puede concluir de ese intento fallido de buscar apoyo externo, para fortalecer la

credibilidad propia, es que ‘es urgente desarrollar métodos alternos de medición de DBO’,

que permitan obtener de estas pruebas, resultados más confiables y reproducibles. En esa

dirección, precisamente, se logró avanzar un poco, con la realización de este estudio.

34

Como se observa en la Tabla 6 los resultados obtenidos en los laboratorios 1 y 2, no son

confiables, en cuanto no hay concordancia en los resultados obtenidos para la muestra directa

y la muestra diluida. No obstante, los resultados obtenidos por nosotros, para esas mismas

muestras, están respaldados por los valores obtenidos en los controles, tanto para las pruebas

de DQO, como para las pruebas de DBO.

De todos modos y para no desfallecer en el intento, se contrató nuevamente un ensayo de

DBO, al final de este estudio. En esta ocasión se contrató al Laboratorio 3 para el análisis de

DBO en dos muestras de agua residual doméstica, directamente relacionadas entre sí. Dicha

muestra se analizó también en este estudio, mediante el mismo procedimiento rutinario con

el que se realizaron todos los ensayos de este estudio.

En esta ocasión, la muestra de trabajo se diluyó en proporción de 30 ml de muestra, hasta

100 ml, con agua destilada, ‘M-1’ y, 70 ml de muestra, hasta 100 ml, con agua destilada, ‘M-

2’. Las muestras fueron enviadas al Laboratorio 3, rotuladas como Muestra 1 y Muestra 2,

respectivamente. Los resultados entregados por el Laboratorio, 19 días después de entregadas

las muestras, fueron de 8,0 y 18,0 mg O2/l respectivamente, mientras que el valor medido en

el laboratorio, por el método estándar de incubación a cinco días, dio 51 mg O2/l. De acuerdo

a esta medición, los valores reportados por el Laboratorio 3, deberían de haber sido del orden

15 y 36 mg O2/l, respectivamente, valores muy diferentes a los reportados.

El propósito de contratar los servicios de análisis de un laboratorio certificado, era predecir

–en el Laboratorio de Calidad de Aguas de El Porvenir- la DBO de una determinada muestra

y confrontar ese valor predicho, con el valor experimental, reportado por un laboratorio,

certificado para este tipo de pruebas.

Sin embargo, ese propósito no pudo cumplirse, por cuanto los resultados reportados por los

laboratorios externos, presentan incoherencias entre el valor reportado para la muestra directa

y el valor reportado para su dilución. Más bien, los resultados recibidos indican claramente,

que ‘es necesario y urgente investigar más, en el desarrollo de nuevas metodologías para

medir la DBO.’

Es importante tener en cuenta que los errores encontrados en los reportes de mediciones de

DBO, no son particulares de esos tres laboratorios, sino más bien, la norma en un parámetro

cuya medición es operativamente dispendiosa en el laboratorio, compleja en los cálculos y

difícil de interpretar en campo. No en vano, las variaciones aceptadas en sus resultados, por

el método estándar, alcanzan valores de hasta el 25 %.

Desafortunadamente, una de las principales causas de error en las mediciones de DBO, es la

laboriosa y constante dificultad que existe en la medición de este parámetro. Cuanto más se

insiste en la ‘suficiencia’ del funcionario o del laboratorio, para realizar esta prueba, más

frecuentes y grandes son los errores que se cometen.

35

5 CONCLUSIONES

Los resultados obtenidos en este estudio indican que efectivamente existe una relación

directa, entre la DBO de una muestra de agua residual doméstica y el área bajo la curva

espectral, en el rango de 250-600 nm.

Los resultados de este estudio posibilitan estimar los valores de DBO en muestras de agua

residual doméstica, de forma más rápida y simple que el método estándar de incubación a

cinco días y con un rango de variabilidad inferior al 25 %.

Los resultados obtenidos en este estudio sugieren que la relación existente entre la DBO de

una muestra de agua residual doméstica y el área bajo su curva espectral, en el rango de 250-

600 nm, es una relación lineal. Sin embargo, se hace la aclaración, de que es necesario hacer

una curva de calibración para cada matriz de muestra.

Los resultados obtenidos en este estudio son aplicables, particularmente, para estimar los

valores de DBO en casos o situaciones, en donde se mide rutinariamente la DBO de un

influente, cuya matriz tiende a ser homogénea o cuando se muestrea rutinariamente, un

mismo punto de muestreo.

Los resultados obtenidos sugieren que, para implementar el método de estimación de DBO a

partir del área bajo la curva espectral, es necesario realizar periódicamente, curvas de

calibración para ajustar las predicciones y para reducir la interferencia de las variaciones

climáticas de cada lugar.

36

6 RECOMENDACIONES

Se recomienda continuar este estudio en otros puntos urbanos de agua residual doméstica,

para evaluar la consistencia del método.

Se recomienda poner a prueba los resultados de este estudio en una planta de tratamiento de

aguas residuales domésticas, para confrontar la validez de las predicciones, en los valores de

DBO.

Se recomienda realizar estudios semejantes con muestras de agua residual de matriz

diferente, tales como, con aguas residuales de plantas de sacrificio, con aguas residuales del

beneficio del café, etc.

Se recomienda implementar el método en el Laboratorio de Aguas de la Universidad

Francisco José de Caldas y continuar sus estudios con muestras de agua de diferente matriz.

37

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ESTIMACIÓN DE LA DEMANDA BIOQUÍMICA DE OXÍGENO EN