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Capítulo 5 muestreo, monitorización y métodos analíticos de control
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Capítulo 5 muestreo, monitorización y métodos analíticos de control
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Muestreo, monitorización y métodos analíticos de control
Parámetros de control de la depuración
El sistema de control de vertidos de las aguas residuales urbanas que más se emplea consiste en establecer limitaciones de la calidad de los efluentes. Es España, este control se realiza mediante la aplicación de la normativa y los permisos de vertido.
Como parámetros fundamentales de control de la contaminación a efectos de control de procesos y vertidos, se utilizan (Hernández, 2004):
1. Sólidos
Las aguas residuales están cargadas casi siempre con materiales sólidos en suspensión. Estos materiales, según su densidad y las características del medio en el que se encuentren, se van depositando en distintas zonas produciendo contaminación mecánica, (obstrucciones, etc.).
El contenido en materia sólida del agua residual está formado por varias fracciones como se describe en la tabla a continuación, y que engloban tanto los sólidos orgánicos como inorgánicos.
Sólidos Totales, ST (Fijos, STF)
(Volátiles, STV)
Sólidos en Suspensión, SS
(Fijos, SSF) (Volátiles, SSV)
Sedimentables, SSs (Fijos, SSsF)
(Volátiles, SSsV) No Sedimentables, SSn
(Fijos, SSnF) (Volátiles, SSnV)
Sólidos Disueltos, SD (Fijos, SDF)
(Volátiles, SDV)
Tabla 1. Clasificación de sólidos
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Los sólidos más utilizados para el control de depuración son los sólidos en suspensión totales (SST), que incluyen todas las formas de sólidos en suspensión.
Es importante el estudio y control de este parámetro, ya que un aumento del mismo puede producir diferentes efectos, como son:
Una disminución del oxígeno disuelto del medio, favoreciendo así condiciones anaerobias del agua residual, con los correspondientes problemas de olores.
Aumento de la salinidad del agua residual. Una mayor turbidez, impidiendo el paso de la luz (radiación UV), uno de los
sistemas de autodepuración de lagunas y ríos.
2. Materia Orgánica
La materia orgánica de las aguas residuales se constituye básicamente de proteínas (40‐60%), carbohidratos (25‐50%) y grasas/aceites (8‐12%). La urea, el mayor constituyente de la orina, es otro de los componentes importantes de las aguas residuales urbanas frescas.
Existen además, un gran número de moléculas orgánicas sintéticas, con estructuras que van desde las más simples a las más complejas.
En base a los parámetros que cuantifican la carga orgánica de las aguas se consideran:
a) Materia orgánica oxidable biológicamente
La materia de tipo orgánico que se degrada por procesos biológicos puede cuantificarse mediante la DBO (cantidad de O2 disuelto consumido por un agua residual durante la oxidación por vía biológica de la materia orgánica biodegradable, en unas determinadas condiciones de ensayo).
Para el control de la autodepuración natural o control de procesos de depuración suele adoptarse la DBO5, correspondiente a su medida a los 5 días a una temperatura de 20ºC.
Refleja la materia orgánica que existe en el agua, indicando el oxígeno necesario para alimentar a los microorganismos y las reacciones químicas involucradas en su degradación.
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Este ensayo representa una alta correspondencia con la situación real de la materia orgánica, sin embargo, las condiciones de tiempo y temperatura requeridos hacen que se adopten otros métodos, que si bien, no reflejan la realidad del hecho en la naturaleza, permiten usarse por su rapidez para el control de vertidos y procesos de depuración.
Hay que considerar que la oxidación de la materia orgánica no es el único fenómeno que tiene lugar en la biodegradación; a ésta se debe añadir la oxidación de los nitritos y de las sales amoniacales, así como el consumo de oxígeno por los procesos de asimilación y de formación de nuevas células. Por lo tanto, en la medida de este parámetro se producen variaciones según las especies de microorganismos según la presencia de bacterias nitrificantes y según la presencia de protozoos consumidores de oxígeno y que se alimentan de bacterias.
b) Materia orgánica oxidable químicamente
Ciertas sustancias presentes en las aguas residuales, cuando se vierte el conjunto en un curso o a una masa de agua, captan parte del oxígeno existente debido a la presencia de sustancias químicas reductoras. Estas necesidades de O2, al margen de todo proceso biológico, se denominan Demanda Química de Oxígeno o DQO.
La medida de la DQO es una estimación de las materias oxidables presentes en el agua, cualquiera que sea su origen orgánico o mineral. Es un análisis particularmente útil para controlar la eficacia de depuración del proceso, sujeto de estudio.
Como todo análisis, tiene sus limitaciones ya que la información resultante del mismo no es fiable en presencia de cloruros, por lo que es importante caracterizar el agua de entrada y así esperar ciertas incidencias en los resultados.
La relación entre estos dos parámetros se conoce como Índice de Biodegradabilidad y varían en función de la degradación de las formas en que se encuentran los
compuestos orgánicos. Los valores de entre 0,3‐0,8 corresponden a
aguas no tratadas y 1,0‐0,3 para efluentes finales. Esta relación da idea de la Biodegradabilidad de la materia orgánica en los vertidos, clasificándose en:
< 0,2 Poco biodegradable
0,2 – 0,4 Biodegradable >0,4 Muy biodegradable
Tabla 2. Índices de biodegradabilidad
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3. Oxígeno Disuelto
Este gas en su forma disuelta se considera la fuente energética de los seres vivos, por lo que se convierte en un índice fundamental para la definición y el control de las aguas residuales.
La cantidad de oxígeno presente en el agua se incrementa por:
Captación de oxígeno a través de la superficie de interfase aire‐agua. Acción fotosintética, debida principalmente a las algas verdes. Descenso de la temperatura por cinética de gases. Dilución.
Sin embargo, el contenido en oxígeno disuelto puede disminuir por los procesos de:
Respiración de los microorganismos, algas y organismos microscópicos. Elevación de la temperatura. Reacciones químicas espontáneas de oxidación. Acción metabólica de los microorganismos regidos por la acción enzimática.
4. Ciclo del nitrógeno
Las formas amoniacales, nitritos y nitratos indican los estados de la primera, segunda y tercera etapa del ciclo del nitrógeno, relacionados con el aumento de la distancia del punto de vertido y la evolución del tratamiento de depuración.
Su contenido en agua procede de compuestos como la urea, compuestos orgánicos, degradados por las bacterias, y utilización agrícola (nitratos).
El nitrógeno supone uno de los parámetros fundamentales para el control de vertidos de áreas sensibles, por la incidencia de eutrofización.
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Ilustración 1. Ciclo del Nitrógeno
Dentro del ciclo del Nitrógeno, es interesante la determinación del Nitrógeno Total
El nitrógeno orgánico presente en el agua se encuentra formando parte de compuestos tales como proteínas, péptidos y aminoácidos.
El método Kjeldahl permite la transformación en amoníaco de los compuestos de origen biológico citados anteriormente, pero no la de los compuestos nitrogenados de origen industrial, ni el nitrógeno procedente de nitritos y nitratos. Para determinar estos últimos hay que practicar una reducción en un medio alcalino.
El nitrógeno total es la suma del nitrógeno presente en los compuestos orgánicos aminados y en el amoníaco.
El nitrógeno orgánico se calcula por la diferencia entre el nitrógeno total y el nitrógeno amoniacal:
N2 orgánico = N2total – N2amoniacal
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5. pH
Mide la concentración de iones hidrógeno en el agua. Un pH elevado indica una baja concentración de iones H+, y por lo tanto una alcalinización del medio.
Por el contrario, un pH bajo indica una acidificación del medio. Estas variaciones tienen una repercusión muy importante sobre las biocenosis existentes.
En la naturaleza, así como en los vertidos urbanos e industriales, se encuentran sustancias con carácter ácido y básico que modifican ampliamente el pH de las aguas.
Las aguas urbanas suelen tener un pH próximo al valor 7, por lo que, son adecuadas para el desarrollo de los microorganismos neutrófilos. Las oscilaciones significativas son indicativas de vertidos industriales (ácidos o básicos), así como de determinados procesos biológicos, como los desplazamientos en los equilibrios en los que está involucrado el CO2, debido a la proliferación de microalgas.
Las variaciones importantes de pH respecto de los valores iniciales pueden producir problemas de inhibición en el desarrollo de microorganismos.
6. Conductividad
La conductividad es una medida de la propiedad que poseen los iones presentes en disolución acuosa para producir corriente eléctrica.
La conductividad, que varía en función de la temperatura, está estrechamente ligada a la concentración de sustancias disueltas y a su naturaleza.
Las sales minerales (sustancias inorgánicas, ácidos, bases) son, en general, buenas conductoras. Por el contrario, los compuestos orgánicos que no están disociados tienen escasa conductividad.
La conductividad eléctrica de las aguas superficiales suelen encontrarse en el intervalo entre 200 y 1000 µS/cm, mientras que las aguas subterráneas presentan valores algo mayores, ente 500 y 1500 µS/cm. El intervalo de conductividad para las aguas residuales urbanas oscila entre 1 y 4 mS/cm.
Esta medida no da una idea precisa de la carga contaminante pero sí orienta en sus posibles usos en aplicaciones agrarias.
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7. Potencial de óxido‐reducción (Eredox)
El potencial redox es la valoración de la capacidad oxidante o reductora del medio, se mide en milivoltios o voltios. Un valor Eredox positivo y de alta magnitud es indicativo de un ambiente que favorece las reacciones de oxidación. Del otro lado, un valor Eredox negativo y de baja magnitud es indicativo de un ambiente altamente reductor.
Los microorganismos aerobios estrictos son metabólicamente activos a potenciales redox positivos, mientras que los anaerobios estrictos (ej. metanobacterias) demuestran actividad metabólica, solo a potenciales redox negativos. Los microorganismos anaerobios facultativos demuestran actividad metabólica sobre un rango amplio de valores Eredox. Estos utilizan oxígeno como aceptador final de los electrones a valores Eredox altos. Cuando el potencial redox es bajo, algunos de estos microorganismos llevan a cabo reacciones de fermentación mientras otros obtienen energía a través de la respiración anaerobia.
Las aguas residuales urbanas y muchas procedentes de industrias agroalimentarias, recién recolectadas, tienen un Eredox aproximado de ‐100 mV.
Un medio reductor y por tanto anaerobio (fosas sépticas, putrefacciones en las canalizaciones, etc), presenta un potencial redox entre ‐490 y ‐590 mV.
Los valores de Eredox comprendidos entre 15 y 25 mV caracterizan un medio aerobio que favorece la oxidación de los compuestos orgánicos.
Los valores de Eredox de ‐130 a ‐150 mV definen la zona de transición entre un medio aerobio y otro anaerobio. En esta zona vira el azul de metileno, reactivo indicador que se utiliza en el test de putrefacibilidad de las aguas.
Variaciones pequeñas en el potencial redox pueden ocasionar cambios en la nutrición y fisiología de determinados microorganismos. Una reducción en el potencial redox de la columna de agua puede causar que diatomeas bénticas cambien su patrón metabólico típico de autotrofía a uno de heterotrofía y que bacterias anaerobias facultativas cambien su patrón metabólico de una respiración aerobia a una respiración anaerobia o a reacciones de fermentación (Lynch y Poole, 1979).
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8. Temperatura
Parámetro físico que influye en la solubilidad de las sales y principalmente en la solubilidad de los gases, así como en la disociación de las sales disueltas, y por lo tanto, en la conductividad eléctrica y el pH del agua.
Existe una estrecha relación entre la densidad del agua y su temperatura, por lo que cualquier alteración de ésta modifica los movimientos de mezcla de diferentes masas de agua. Es un parámetro de gran utilidad para calcular los intercambios térmicos que tienen lugar en el medio.
Éste parámetro también nos da información sobre la evolución y naturaleza de los procesos biológicos a estudiar, ya que, los procesos aerobios, al ser exotérmicos, favorecen un aumento en la temperatura del medio en el que se producen.
Las medidas se realizan con un termómetro de máximas y mínimas suspendido a una profundidad media.
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9. Olor
Las aguas residuales tienen olores característicos generados por los materiales volátiles que contienen y por los procesos de degradación de la materia orgánica presente. El olor, por ejemplo, nos da información sobre si el proceso que se está produciendo es aerobio o anaerobio en función de la emisión de metano y sulfuro de hidrógeno.
10. Color
Parámetro físico y propiedad organoléptica de fácil determinación. Con la visualización del color del agua residual en cada una de las fases del canal se podrá comprobar la eficacia de la eliminación de materia orgánica y sólidos en suspensión, así como, la intensidad de color en la fase de sobreoxigenación bajo plástico. Con el control por el color de dicha fase podemos estimar la cantidad de oxígeno disuelto, y la actividad clorofílica de las microalgas en suspensión.
La determinación del color se realiza básicamente, por dos métodos:
El método de platino‐cobalto Comparación directa con discos coloreados homologados.
11. Turbidez
La turbidez del agua es debida a la presencia de materias en suspensión finamente divididas: Arcillas, limos, granos de sílice, materia orgánica, etc. La apreciación de la abundancia de estas materias mide el grado de turbidez.
La turbidez es tanto mayor cuanto mayor es la contaminación del agua, por lo que es un indicador de interés en el control de la eficacia de procesos de depuración.
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Desinfección de aguas residuales
Las aguas residuales urbanas contienen una gran variedad de microorganismos patógenos, por lo que suponen un alto riesgo para la salud pública y medioambiental. Por tanto, un sistema de depuración integral del agua debería estar concebido como el tratamiento hasta la obtención de un efluente libre de microorganismos patógenos.
Los sistemas de tratamiento de aguas residuales urbanas comúnmente utilizados están basados en la aplicación de un proceso primario de decantación y uno biológico aerobio secundario más una digestión de fangos. Estos sistemas muestran una alta efectividad en la eliminación de la materia orgánica y materia en suspensión presente en los afluentes a la planta depuradora, sin embargo, no consiguen la eliminación de los microorganismos patógenos.
Ilustración 2. "Dispensario de la Muerte". Illustrated London, 1860.
Los requerimientos exigidos según la normativa de vertidos están desarrollados en función de materia en suspensión y carga orgánica, controladas por los sólidos en suspensión y por la DQO y DBO.
Si bien la reducción de materia orgánica significa una protección ambiental importante, la salud de los ciudadanos está ligada, en primer lugar, a la eliminación de patógenos.
La trasposición mimética de normas europeas a los países en desarrollo, sin considerar los diferentes equipamientos previos existentes, ha ocasionado en estos últimos,
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multitud de problemas de salud al dejar indefensa a su población frente a los patógenos.
En Europa, la conducción en tuberías cerradas protege a los ciudadanos de forma sistemática. Con lo que las mismas normas dan resultados muy diferentes en los entornos europeos y en desarrollo.
Los organismos potencialmente problemáticos en el agua residual doméstica incluyen las bacterias entéricas, los virus y los quistes protozoarios. La siguiente tabla
Tabla 3 Principales enfermedades causadas por microorganismos de transmisión fecal‐oral
La determinación y cuantificación de todos los microorganismos patógenos suponen un gasto de tiempo y medios que no siempre son compatibles con la rapidez requerida para la toma de decisiones de actuación o las necesidades de la investigación. El uso de organismos indicadores permite una evaluación rápida y fiable de presencia y el contenido de patógenos en agua.
Los microorganismos indicadores son aquellos que poseen características de comportamiento similares a los organismos patógenos en cuanto a concentración, supervivencia a procesos de desinfección y reacción a variaciones de factores ambientales. Pero además ofrecen la posibilidad de una identificación y cuantificación rápida, económica y fiable.
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Los principales patógenos y sus correspondientes indicadores son los siguientes: bacterias (coliformes fecales, E.coli, streptococus fecales y Clostridium perfringens), virus (fagos somáticos, F+ y Bacteroides fragilis), Huevos de helminto (Ascaris lumbricoides) y quistes (Giarda y Cryptosporidium).
Los requerimientos necesarios para que un microorganismo sea considerado indicador biológico bacteriano de contaminación fecal son (Campos, 1999):
1. Ser constituyente normal de la flora intestinal de individuos sanos. 2. Estar presente, de forma exclusiva, en las heces de animales
homeotérmicos. 3. Estar presentes cuando los microorganismos patógenos intestinales lo
están. 4. Presentarse en número elevado, facilitando su aislamiento e identificación. 5. Debe ser incapaz de reproducirse fuera del intestino de los animales
homeotérmicos 6. Su tiempo de supervivencia debe ser igual o un poco superior al de las
bacterias patógenas, de forma que su resistencia a los factores ambientales sea igual o un poco superior al de los patógenos de origen fecal.
7. Debe ser fácil de aislar y cuantificar. 8. No debe ser patógeno
No existe ningún microorganismo que cumpla todos los requisitos como bioindicador ideal, por lo que se toman los más cercanos a este comportamiento.
Resultados expresados como Log 10 de U.F.C./100 ml.
Mientras que los rendimientos de eliminación hasta el tratamiento secundario son del orden de 70‐95%, según los indicadores biológicos estudiados, los contenidos finales siguen siendo altos, del orden de 106 para CF (Howard, 2004; Moreno, 2006). El contenido de microorganismos patógenos en loe efluentes de tratamientos depende, además, de la eficacia de los tratamientos.
Concentración promedio de los indicadores de la contaminación fecal en aguas residuales
CF EC ENT CP SOM F+ RYC GYA CRY
6,99 7,27 6,07 5,44 6,35 5,58 4,26 3,03 2,55
Tabla 4. Concentración promedio de bioindicadores de origen fecal
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Métodos de análisis
1. Métodos físico‐químicos
Se basan en el estudio de los factores físico‐químicos del agua, y se llevan a cabo mediante toma de muestras, con determinación de sus características físicas y con análisis de sus componentes químicos. Estos métodos dan una información valiosa, pero se refieren únicamente al instante en el que se tomo la muestra; por lo tanto, pueden ser muy alarmantes o, al contrario, pasar desapercibidos ciertos factores que pueden ser decisivos para un uso determinado del agua.
No indican el estado anterior a la toma de muestras ni la capacidad de recuperación natural después de un aporte contaminante, tanto en el tiempo como en el espacio.
2. Métodos biológicos
Se basan en el estudio de las comunidades animales y de plantas acuáticas. Dado que cada biocenosis o cada comunidad responden a las condiciones físico‐químicas del medio en el que vive, cualquier alteración en éstas induce cambios que se manifiestan en la sustitución de unas especies por otras, o por la variación del número y proporción de cada una de ellas.
Por lo tanto, la caracterización biológica del agua parte de la determinación del grado de alteración de la condición biológica de la misma cuando se introducen sustancias tóxicas, materia orgánica que pueda descomponerse, o cualquier forma de energía.
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Métodos de determinación de parámetros microbiológicos
El contenido en microorganismos fecales de las aguas residuales analizadas se evaluó en función de la concentración de los microorganismos indicadores de contaminación fecal, bacterias coliformes totales (CT) y fecales (CF).
Determinación del contenido en CT (APHA, 9222‐B,1992)
Para el análisis bacteriológico se utilizó la técnica de filtración a través de membrana, que permite la cuantificación del número de unidades formadoras de colonias (U.F.C.) de bacterias CF y CT. El recuento de las colonias formadas se realizó en cultivos sobre membranas filtrantes (Scharlab, 47 mm, 0,47 nm, membrana estéril de celulosa/éster).
Esta técnica es altamente reproducible, y se puede utilizar para estudiar grandes volúmenes de muestra, proporcionando resultados rápidos.
Respecto a la técnica de determinación por filtro de membrana, el grupo coliforme se define como el formado por bacterias aerobias y anaerobias facultativas, gramnegativas, no esporuladas y de forma alargada que desarrolan colonia roja con brillo metálico en un medio tipo Endo que contiene lactosa, tras incubación de 24 horas a 35ºC.
Para la determinación de CT (Geldreich y col, 1965), se utilizó medio de cultivo (Endo, Base Agar/Fuscina Básica de Cultimed/Panreac), y las placas inoculadas se incubaron durante 24horas a 37ºC.
Las determinaciones se realizaron por duplicado en diluciones de las muestras afluentes al sistema de 10‐4 y 10‐5, y en efluentes con dilución 10‐1 y sin dilución.
Los resultados se expresan como U.F.C. 100 ml‐1.
Determinación del contenido en CF (APHA, 9222‐D,1992)
Para la determinación por filtro de membrana, el grupo coliformes fecales se define como el formado por el subgrupo de las coliformes que desarrollan colonias azules con producción de gas en un medio de lactosa enriquecido, en presencia de azul de anilina, tras incubación de 24 horas a 44ºC.
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Para la determinación de CF (Fifield, C. W. y col, 1958), se utilizó un medio de cultivo comercial (M‐FC‐Agar/A. Rosólico de Merk/Panreac) y las placas inoculadas se incubaron durante 24 horas a 44ºC.
Las determinaciones se realizaron por duplicado en diluciones de las muestras afluentes al sistema de 10‐4 y 10‐5, y en efluentes con dilución 10‐1 y sin dilución.
Los resultados se expresan como U.F.C. 100 ml‐1.
Métodos de determinación de parámetros físicoquímicos
1. Determinación potenciométrica del pH (APHA, 4500‐H+,1992)
El principio básico de la determinación electrométrica del pH es la medida de la actividad de los iones H+ por mediciones potenciométricas.
El pH se determinó utilizando un dispositivo multiparamétrico Eutech, modelo PCD 6500, conectado a una sonda de pH Hamilton.
Las condiciones normales de uso del multiparamétrico Eutech, PCD 6500 permite trabajar con límites de precisión ± 0,1 unidades de pH.
Los resultados se expresan como unidades de pH.
2. Determinación del potencial de óxido‐reducción (Eredox)
Las mediciones de potenciales proporcionan un método rápido y adecuado para determinar la capacidad oxidante o reductora del medio, que condiciona las reacciones químicas o los equilibrios biológicos en su seno.
El Eredox se determinó mediante medida potenciométrica tras calibración del electrodo. Se empleó un equipo multiparamétrico Eutech, modelo PCD 6500 conectado a la sonda Hamilton 238145 Liq Glass ORP con electrodo de platino y rango de medida ± 2 mV y temperatura de trabajo de ‐10 a 100ºC.
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3. Determinación del oxígeno disuelto (OD) (APHA, 4500‐O G, 1992)
El contenido de OD de las aguas depende de los equilibrios del oxígeno en el medio, debido a la actividad física, química y biológica del sistema. La determinación de su concentración supone un dato fundamental para el control del estado de las aguas.
La concentración del oxígeno disuelto contenido en el agua se determinó por el método del electrodo de membrana (Carritt D. E. y col., 1955). Los métodos de electrodos de membrana sensibles al oxígeno, ya sean polarográficos o galvánicos miden la corriente eléctrica generada por dos electrodos, proporcional a la concentración de oxígeno disuelto.
Estos métodos de determinación de OD están especialmente indicados para medidas de campo in situ, y en condiciones en los que los electrodos deben permanecer sumergidos.
Se utilizó un equipo multiparamétrico de medida Eutech, modelo PCD6500, con electrodo polarográfico. La sonda BOD de Fisher es un sensor de oxígeno polarográfico disuelto. Tiene un ánodo, cátodo y un electrolito separado de la disolución muestra por una membrana permeable al oxígeno. El cátodo es de oro y el ánodo de plata, actuando este último como electrodo de referencia.
La sonda BOD de Fisher permite tomar medidas de oxígeno disuelto,
Tiene una exactitud en la medida de ± 0,1 mg O2 l‐1 o el 2% de la medida si empleamos
el % de saturación y una precisión de ± 0,05 mg O2 l‐1.
Los resultados se expresan como mg O2 l‐1 disuelto.
4. Determinación de la temperatura interior del dispositivo experimental
La temperatura se determinó con los dispositivos de registro de temperatura con que están equipadas las sondas de pH y OD del equipo multiparamétrico EUTECH, modelo PCD 6500, que se utilizaron en la medición en continuo de estos parámetros para el contenido del sistema.
La determinación presenta una precisión de ± 0,1 ºC.
La temperatura se expresó como ºC.
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5. Determinación de la conductividad eléctrica (CE) (APHA, 2510, 1992)
La conductividad eléctrica es una expresión de la capacidad de una solución para transportar una corriente eléctrica, que es función de la presencia de iones en disolución y de su concentración total.
La conductividad condiciona totalmente las posibilidades de uso y tratamiento de las aguas y de su actividad biológica.
La medida de CE ofrece una importante información sobre el contenido en sales de las aguas, relacionado con los sólidos totales, el grado de mineralización y requerimientos previos para otras analíticas.
La CE se determinó por la medida conductimétrica (Jones, G. y col, 1933), utilizando un equipo multiparamétrico Eutech, modelo PCD 6500, con sonda de cuatro células en vidrio‐platino, que permite tomar medidas de la conductividad, resistividad, salinidad y sólidos disueltos totales.
Presenta una precisión de ± 0,08 mS cm‐1.
Los resultados se expresan como mS cm‐1.
6. Determinación de los sólidos totales (ST) secados a 103‐5 ºC (APHA, 2540 B, 1992)
Los sólidos totales determinados para una muestra de agua representa el residuo de material que permanece en un recipiente después de la evaporación de la muestra y de su secado en estufa.
Los sólidos totales contenidos en el agua se determinaron gravimétricamente como el residuo obtenido de un volumen de muestra secada a 103‐5 ºC, sobre cápsula de porcelana tarada a peso seco constante. El volumen de muestra se calculó para obtener una masa de residuo seco de entre 50‐200 mg.
Los resultados se expresan como mg l‐1.
La determinación presenta una precisión de ± 0,1 mg l‐1 para muestras de 200 mg l‐1.
7. Determinación de los sólidos totales en suspensión (SS) secados a 103‐5 ºC (APHA, 2540 D, 1992)
Los sólidos totales en suspensión representan la fracción de los sólidos retenidos en un filtro y secados en estufa.
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Los SS contenidos en el agua se determinaron gravimétricamente como el residuo retenido sobre un filtro de celulosa (0,45 µm de tamaño de poro, de Millipore), por filtración a vacío y secados a 105 ºC sobre una cápsula de porcelana tarada a peso constante.
Los resultados se expresan como mg l‐1.
La determinación presenta una precisión de ± 0,1 mg l‐1 para muestras de 200 mg l‐1.
8. Determinación de la demanda química de oxígeno (DQO) (APHA, 5220 C, 1992)
La demanda química de oxígeno se utiliza como medida del equivalente de oxígeno necesario para consumir por degradación aeróbica la de materia orgánica de una muestra. El cálculo se realiza en base a la oxidación de la materia orgánica de la muestra por un oxidante fuerte de uso en laboratorio.
La DQO se determinó titulométricamente por la oxidación con dicromato potásico, según el método de reflujo cerrado (Moore, 1949). La soluciones resultantes se titularon con sulfato ferroso amónico 0,01 M, usando ferroina como indicador.
Los resultados se expresan como mg O2 l‐1.
La determinación presenta una precisión de ± 0,05 mg O2 l‐1.
9. Determinación de la demanda bioquímica de oxígeno a los 5 días (DBO5)
La determinación de la demanda bioquímica de oxígeno es una prueba empírica en la que se utilizan procedimientos estandarizados de laboratorio para determinar los requerimientos relativos de oxígeno de las aguas residuales. La prueba mide el oxígeno utilizado, en un periodo de tiempo determinado (5 días), para la degradación bioquímica de la materia orgánica y la oxidación de la materia orgánica junto con algunas especies inorgánicas.
El sistema más empleado es que realiza la medida de la presión en la fase gas con sensor electrónico. Varias ventajas adicionales hacen de este sistema muy interesante: el sensor dispone de cronómetro y termómetro, almacena los valores de DBO para cada día.
Este dispositivo empleado es el Oxitop IS, que consta de tres partes, la cabeza de medida, el frasco de color ámbar de 0,5 l y la base que es un agitador con diferentes plazas (6 ó 12).
Los resultados se expresan como mg O2 l‐1.
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Métodos automáticos de determinación de parámetros
Para la determinación de ciertos parámetros de control se ha empleado un dispositivo multiparamétrico marca EUTECH, modelo PCD 6500.
Este dispositivo permite realizar todas las medidas de los parámetros programados en continuo o bien como medida puntual. Para el proyecto desarrollado, todas las medidas de los parámetros físico‐químicos se realizaron en continuo.
Además, este dispositivo, mediante una correcta conexión a un PC, permite el control y seguimiento de todos los parámetros seleccionados desde el mismo PC.
Dentro de los puntos a desarrollar en este proyecto, está la monitorización del Canal Abiertos de Saneamiento mediante dos unidades del dispositivo de medida PCD 6500.
Esta labor se describe a continuación ya que la puesta a punto de ambos multiparamétricos y su conexión a los PC de control ha supuesto un desafío importante en el desarrollo del presente trabajo.
Para la monitorización del CAS, primero se eligió una serie de parámetros físico‐químicos que el multiparamétricos PCD 6500 podía medir en continuo. La elección de éstos empieza en esta pantalla
Estos canales están relacionados con cada una de las conexiones de las sondas.
Representación de la zona de conexión del multiparamétrico.
Las zonas con título en azul corresponden a las diferentes conexiones para las sondas.
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Al seleccionar cada uno de los canales podemos ver qué tipo de parámetro se mide por cada canal y elegir en cada uno el que queramos para caracterizar el agua residual en los puntos de control del CAS.
Como se puede observar, en el canal 1 puede medirse pH, Eredox o Ión Selectivo. Siendo las sondas diferentes para cada parámetro.
El canal 2 es igual que el canal 1 de modo que se puede medir simultáneamente pH y Eredox.
El canal 3 se emplea en caso de que la sonda de pH no contenga al electrodo de referencia dentro del mismo sensor.
En el canal 4 se mide OD, DBO, OUR* y SOUR*.
En el canal 5 podemos medir conductividad, resistividad, salinidad y sólidos totales disueltos.
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Una vez que tenemos seleccionados los canales para realizar las mediciones, procedemos a calibrar cada sonda.
Para la calibración de la sonda de pH hemos de seleccionar el canal 1, opción pH. Una vez dentro del menú pulsamos la opción de Estandarizar (señalado en rojo). Una vez pulsado aparecerá una nueva pantalla para poder calibrar la sonda.
Por defecto aparecerá seleccionado en pantalla un grupo de patrones de calibrado.
Este dispositivo permite calibrar con patrones USA, utilizados comunmente el patrón pH 4, el patrón pH 7 y el patrón pH 9. También permite el uso de patrones EURO,NIST y CUSTOM. Este última selección nos da la opción de calibrar con los patrones que mejor se ajusten al rango de pH en el que vamos a medir.
Además de elegir el tipo de patrones con los que calibrar, en esta pantalla, disponemos de un menu con diferentes opciones, como la temperatura por defecto para la calibración, la elección de alarma de control por si las condiciones generadas en el prototipo de inestigación llegasen a ciertos límites.
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Una vez calibrada la sonda, entramos en el menu de criterios de almacenamiento (Storage Criteria), en él, además de poner el nombre a la bateria de datos que vamos almacenar, podemos seleccionar la fecha, temperatura, última estandarización y intervalo de tiempo en el que tomara la medida. Esta parte del menú permite tomar la medida de forma manual, cada vez que la medida sea estable o cada cierto tiempo.
Hasta ahora se ha descrito la calibración y elección del tipo de datos de almacenamiento que queremos para el parámetro de pH.
Para el resto de parámetros, Eredox, Oxígeno Disuelto y Conductividad, el procedimiento a seguir es el mismo, siempre teniendo en cuenta las diferencias a la hora de calibrar de cada sonda.
En el caso de la sonda de potencial redox, se calibra forzando en el medio que queramos, o bien agua destilada, o bien el propio aire a establecer el valor 0 mV de referencia.
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Y en el caso de la sonda OD, la calibración se efectúa dejando la sonda 30 minutos al aire, o en agua destilada hasta obtener 100% de saturación de oxígeno.
En el canal 4, tal y como se explico con anterioridad se puede medir oxígeno disuelto, se puede medir la Demanda biológica de oxígeno y dos parámetros más, el OUR (Oxygen Uptake Rate) y el SOUR ( Specific Oxygen Uptake Rate).
El OUR se define como la cantidad en mg l ‐1 de oxígeno consumidos por hora. Con este parámetros podemos cuantifica la velocidad de respiración o la cantidad de oxígeno consumido por hora.
El SOUR se define como la cantidad en mg l‐1 de oxígeno consumido por gramos de sólidos volátiles suspendidos por hora
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En el canal 5 se miden los parámetros de conductividad, resistividad, salinidad y sólidos totales disueltos (TDS)
Al igual que se realizó con la sonda de pH, con la sonda de conductividad, vemos imagen por imagen cual es la secuencia de puesta a punto de esta sonda.
A diferencia de la sonda de pH, los patrones para su calibración son fijos y solo se puede elegir en número de puntos con el dispositivo va a hacer la recta de calibrado.
En esta sonda la temperatura es un factor muy importante a tener en cuenta ya que es un parámetro que depende directamente de la temperatura. Se puede ver en el menú, que realiza el cálculo de un factor de corrección entre la temperatura de referencia y la temperatura a la que se efectúa la calibración.
En nuestro caso, la calibración se realiza con los patrones de 1.413 µS cm‐1 y 12.880 µS cm‐1, almacenados a 20 ºC, de manera que la calibración sea precisa.
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Se ha detectado que al estar los sensores al raso, la calibración se vuelve lenta cuando la sonda se encuentra a una temperatura inferior de 15 ºC.
Dada que la calibración de cada sonda es un paso fundamental para tener fiabilidad de los datos que se están registrando, este dispositivo guarda un historial de las calibraciones de cada sonda, los patrones empleados, el número de serie y modelo de cada sonda tal y como podemos ver en las pantallas a continuación:
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Tras la revisión de la calibración de cada sonda, la rutina cotidiana con el multiparamétrico PCD 6500 consiste en especificar en el panel de control del programa que parámetros se van a medir ese día y en qué puntos, ya que nos ofrece una gran variedad de parámetros útiles que nos den información sobre el estado de los procesos físico‐químicos y biológicos con los que se consigue la depuración del agua residual de muestra.
Para finalizar la descripción de la monitorización del CAS, nos queda explicar las opciones que nos ofrece el multiparamétrico PCD 6500 en lo que respecta al tratamiento de datos.
El programa tiene diferentes opciones, la primera consistiría en ver en el propio multiparamétrico o bien en la pantalla del PC si está conectado al mismo, el almacenamiento de datos.
Esta opción del programa solo permite la visualización de los datos almacenados en el tiempo programado. Como puede verse, solo se puede, o bien actualizar, borrar selectivamente o borrar todos los datos almacenados o, exportar el archivo en forma Html.
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Para poder ver los datos almacenados de cada parámetro hay que seleccionar el canal y el parámetro en el menú que puede verse en la zona izquierda superior.
En el menú de la zona izquierda inferior, puede verse la opción Excel Sheet, con esta opción, y tras la elección del parámetro deseado, nos aparece una nueva pantalla. Es una hoja de Excel con los datos asociados perfectamente a cada celda, de manera que podamos emplear este programa en realizar gráficas, cálculos estadísticos o desarrollo de fórmulas para la optimización del diseño experimental empleado.
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Es importante destacar los obstáculos que se han presentado por si mismos durante la instalación y operación de los multiparamétricos, ya que, gran parte de la información necesaria para la el seguimiento de los procesos que se dan en el canal abierto de saneamiento, se han obtenido de la correcta monitorización del mismo.
El primer problema que se presentó fue la comunicación entre el multiparamétrico y el PC. Aunque el PCD 6500 cuenta con diversos puertos, USB, Ethernet, puerto paralelo o RS232, hábiles para la comunicación entre el medidor y otros dispositivos, queda como operativo tan solo el puerto paralelo RS232, lo cual genera una serie de problemas producidos por la incompatibilidad o no existencia de dicho puerto en los dispositivos de datos actuales, como es nuestro caso. Debido a ello, se tuvo que emplear una serie de adaptadores que incrementaron la complejidad y costes de la operación.
Una vez resuelto los problemas físicos de comunicación (hardware), surgieron problemas con el software propio del PCD6500 diseñado por Eutech Instrument. Dichos problemas se traducían en el no reconocimiento por parte del PC del multiparamétrico conectado. Estos problemas fueron subsanados aplicando ciertas pautas de programación MSDOS, tras un largo proceso de ensayo y error y sin soportes técnicos externos por parte de Eutech.
Este problema retrasó enormemente el inicio de la toma de datos, que se solventó finalmente a principios de septiembre.
Una vez que la comunicación entre el PCD 6500 y el ordenador fue óptima, surgieron nuevos problemas que no afectaban a la toma de datos pero si al almacenamiento y tratamiento posterior de los mismos.
El diseño del software, que debería responder a las aplicaciones informáticas de tratamiento de datos con las que Eutech Instrument anuncia el PCD 6500, no cumplía, ni cumple su función.
Por fallos en el programa Cybercom 6000, software del PCD 6500, éste no permite el uso de las aplicaciones anunciadas por Eutech, así el empleo directo de los datos obtenidos por el PCD 6500, es imposible. Necesitando extraer los datos en bruto de la aplicación del PCD 6500 y exportarlos a un entorno Microsoft (aplicación Excel), que sí permite la manipulación de los datos para su tratamiento gráfico y estadístico.
Todos estos obstáculos han dificultado enormemente la obtención y tratamiento de los datos obtenidos a lo largo del proceso de monitorización del canal abierto de saneamiento.
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Métodos de muestreo
Tras describir la instalación y funcionamiento de los dispositivos con el que se han realizado el monitoreo en continuo de los parámetros físico‐químicos del canal, se procede a la indicación de los puntos de muestreo dentro del mismo.
Esta imagen representa una forma esquemática del canal abierto de saneamiento. Los puntos en enmarcados en rojo indican las zonas de muestreo en las distintas fases del canal que se describen a continuación:
Punto 1: alimentación al canal o entrada a la fosa anaerobia. Punto 2: salida de la fosa anaerobia y entrada al canal de piedras. Punto 3: salida del canal de piedras y entrada al canal de sobreoxigenación bajo
plástico. Punto 4: salida del canal de sobreoxigenación bajo plástico o proceso Baccou. Punto 5: salida de biogás de la fosa anaerobia.
En el punto 1, se han realizado dos tipos de procesos de análisis distintos:
1) Caracterización del agua de entrada: Para ello se ha procedido marcando fecha y hora de la toma de agua en la planta experimental de tratamiento de aguas residuales PECC de Carrión de los Céspedes y fecha y hora de conexión al canal
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3. Esquema básico del CAS prototipo
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abierto de saneamiento. Se han trasvasado 3 litros para su manipulación en los diversos análisis que con los que caracterizar el agua de alimentación (CF, CT, DQO, DBO5, SS, ST), cada vez que se ha repuesto el bidón en la entrada al canal.
2) Control de calidad del agua residual contenida en el bidón de alimentación. Este proceso se realizado tomado del bidón de alimentación conectado a la bomba, un volumen de 100 ml cada/día para conocer, mediante los datos de DQO, la cantidad de materia orgánica que se va degradando por los procesos biológicos cada día antes de entrar al canal. De este modo se minimiza los posibles errores de cálculo en el rendimiento de eliminación de materia orgánica en el proceso.
Punto 2: En este punto se ha procedido para el estudio del proceso de degradación anaerobia de la fosa mediante los dos métodos anteriormente descritos:
Monitorizando en continuo OD, conductividad, pH, temperatura y potencial redox. La configuración de los puntos de muestreo viene determinada por unos tubos de PVC con accesos en la zona de contacto con el agua para que ésta penetre por los tubos y no se estanque. Las diferentes sondas se introducen en estos tubos, de diámetros escogidos para la correcta colocación de los sensores. Esta disposición se puede apreciarse en los planos anexos al proyecto.
Analizando los parámetros DQO, DBO5, CF, CT, SS y ST. Para los análisis se ha muestreado directamente del canal empleando pipetas volumétricas de 50 ml. Hay que distinguir el grado de esterilidad que se ha empleado en la instrumentación para la recolección de las muestras destinadas al estudio de los CF y CT. La frecuencia de muestreo ha venido marcada por las características del análisis. De ese modo, la realización de DQO y DBO5 a la salida de la fosa se ha realizado diariamente. Para los SS y ST se ha realizado semanalmente, al igual que el muestreo y análisis microbiológicos en este punto.
Hay que resaltar que, dada la importancia de este punto como zona de transición entre procesos, en un futuro se espera poder realizar un estudio más amplio de microorganismos patógenos concretos, distinguiendo entre aerobios y anaerobios para corroborar los resultados expuestos en este trabajo.
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Punto 3. En este punto, al igual que en el punto 2, el control de la calidad del agua residual tratada se realiza mediante la monitorización en continuo y control analítico de parámetros físico‐químicos y microbiológicos.
La toma de muestra sigue el mismo procedimiento y los análisis desarrollados, el mismo protocolo descrito anteriormente.
Punto 4. Es este punto, la monitorización en continuo se realiza al igual que en el punto 2 y 3, con la salvedad de la necesidad de una limpieza diaria de los sensores, ya que, la presencia masiva de microalgas produce que éstas se incrusten en las sondas, pudiendo provocar lecturas erróneas si no procede con un correcto mantenimiento.
El muestreo para los análisis físico‐químicos y microbiológicos se realiza igualmente con la captación de una cantidad de muestra tomada con pipetas volumétricas de 25 y 50 ml, debidamente esterilizadas para análisis microbiológicos, y filtradas con filtro de 45 µm, con el fin de eliminar las microalgas presentes en esta fase del proceso.
Sin esta filtración de la muestra para la determinación de DQO y DBO5, la presencia de microalgas daría resultados erróneos, ya que aumentan el contenido en materia orgánica en la oxidación con dicromato potásico.
Punto 5. En este punto tiene como finalidad comprobar la salida de gases procedentes de la degradación anaerobia (CH4, SH2) mediante observación directa de las burbujas del biogás atravesando una columna de agua. Para ellos se ha instalado un dispositivo que consiste en una probeta de 1l con un tubo conectado desde el domo de la fosa hasta la probeta. Al salir los gases a través del tubo, se ven forzados a atravesar la columna de agua, en forma de burbujas fácilmente detectables.
Con este método simple, se comprueba que se está produciendo el proceso de degradación anaerobia dentro de la fosa instalada.
