PROCESOS DE DESCOMPOSICIÓN DE LA MATERIA ORGÁNICA

CAPITULO DOS:

1. PROCESOS DE DESCOMPOSICIÓN DE LA MATERIA ORGÁNICA

1. INTRODUCCIÓN^[1]*

La Materia Orgánica (MO) representa la parte más importante de la contaminación, aquella que agota el Oxígeno Disuelto (OD) en las masas de agua, ríos, lagos, bahías, etc.  En el agua residual doméstica (ARD) de composición típica, cerca del 70% de los Sólidos Suspendidos, SS, y el 45-50% de los Sólidos Fijos o filtrados (SF) son MO.  La materia orgánica está compuesta de Carbono, Hidrógeno, Oxígeno, elementos comunes a todos los compuestos orgánicos, junto con el Nitrógeno en algunos casos.  También están presentes a menudo otros compuestos como el Fósforo, Azufre, Hierro, etc.  La MO en las ARD se divide por conveniencia en diferentes grupos como sigue:

• Proteínas: componen del 40 al 60 % de las ARD.  Son el principal constituyente de los organismos animales.  Las plantas también contienen proteínas en menor medida.  Las proteínas son sustancias complejas e inestables, y su química está asociados a los Aminoácidos, que se componen del grupo ácido,- COOH, y el grupo básico, -NH2.  En los Aminoácidos siempre está presente el Nitrógeno en una proporción relativamente constante, 16%.  El Peso Molecular de las proteínas es muy alto, de 20.000 a 20 millones.   La Urea, CO(NH2)2,  y las Proteínas son la principal fuente de Nitrógeno de las AR.  Cuando están presentes en grandes cantidades, la producción de malos olores es probable.
• Carbohidratos: constituyen del 25 al 50% de las ARD.  Provienen de la materia vegetal principalmente. Están ampliamente distribuidos en la Naturaleza e incluyen Azúcares, Almidones, Celulosa y Fibra de Madera. La Celulosa y la Fibra de Madera, se conocen genéricamente como Fibra.  La Fibras insolubles se componen de Celulosa, Hemi-celulosa, Lignina y ciertos Almidones.  Los Carbohidratos se componen de C, H2 y O2.  Los Azúcares, solubles en agua, descomponen fácilmente.  Los Almidones son más estables, pero pueden ser convertidos a Azúcares por actividad microbiana.  Las Fibras son insolubles (principalmente la Celulosa) y son muy resistentes a la descomposición en plantas de tratamiento.  Sin embargo en el suelo se descomponen fácilmente gracias a la acción de Hongos en condiciones ácidas.
• Grasas y Aceites: este grupo es el tercer componente en importancia en las ARD.  Las Grasas y Aceites (G&A) son compuestos de alcohol y glicerol.  Los Glicéridos de los Ácidos Grasos Volátiles (AGV) son los aceites, líquidos a temperaturas ordinarias.  Los AG reaccionan con los álcalis (por ejemplo, Hidróxido de Sodio) para formar jabones, que también son muy estables. En las ARD, las G&A, provienen de la mantequilla y los aceites vegetales.  Son elementos muy estables y difíciles de descomponer por las bacterias presentes en las AR.  Por lo tanto deben ser removidos antes del tratamiento o traerán problemas en la descomposición de la MO.
• Surfactantes: son moléculas grandes ligeramente solubles en agua, y que causan espuma.  Conocidos como Detergentes, se usan en limpieza.  Pueden causar grandes problemas en la aireación de las plantas de tratamiento.   Anteriormente los Detergentes se componían de Alkil-Benceno-Sulfonato (ABS), no biodegradables, pero hoy han sido mayormente cambiados por detergentes lineales, Lineal-Alkil-Sulfonato (LAS) que son biodegradables.

Los principales parámetros de calidad del AR son:

Oxígeno Disuelto

El OD es uno de los principales parámetros en el tratamiento de las aguas residuales (TAR), pues muchos de los organismos dependen de él para mantener los procesos metabólicos, para obtener energía y efectuar su reproducción.  Además, el OD es el principal indicador del estado de contaminación de una masa de agua, pues la MO contenida en ella tiene como efecto directo el consumo del Oxigeno Disuelto.

El Oxígeno es un gas poco soluble en el agua, no reacciona con ella, y su solubilidad depende de la presión parcial.  Su concentración de saturación varía entre 7 mg/L a 35º C y 14,7 mg/L a 0º C, a una atmósfera de presión.  La medición del OD en el  agua se efectúa por medio de la sonda del Medidor de Oxígeno, o por titulación con el método Winkler.

Como indicador de la calidad de las aguas, el OD debe  tener un máximo del 110 % de la concentración de saturación, pues con aguas sobre-saturadas de Oxígeno los peces pueden sufrir la enfermedad de la “burbuja de gas”.   Esto puede ocurrir en aguas eutrofizadas que contengan una excesiva población de algas y en ciertos momentos del día, cuando la producción algal de Oxígeno es máxima, el agua se puede sobresaturar.  Sin embargo son más frecuente las bajas concentraciones de OD debido a la demanda de Oxígeno causada por la MO presente.  En estas circunstancias, por encima de 7 mg/L existe una población diversificada de peces, con presencia de caracoles, insectos, etc.  En general, el OD debe estar por encima de 5 mg/L, concentración mínima necesaria para sustentar la vida de peces salmónidos.  La mayoría de los peces, por otra parte,  pueden sobrevivir con concentraciones de 4 mg/L, y algunos como la mojarra o tilapia, alcanzan a resistir concentraciones de 3 mg/L.   Concentraciones menores causarán la desaparición de la vida acuática superior.  Por debajo de un 1 mg/L promedio medido en las masas de agua, se encontrarán con seguridad zonas anaerobias (que no contienen Oxígeno) y por consiguiente habrá presencia de malos olores.  Cuando la concentración llega a cero, la descomposición anaerobia es general, y la presencia de malos olores también.  La presencia de bacterias será generalizada.

Demanda Bioquímica de Oxígeno

La Demanda Bioquímica de Oxígeno (DBO) es causada por la Materia Orgánica arrojada a las masas y corrientes de agua, la cual se constituye en el alimento para las bacterias que se reproducirán rápidamente.  Estas bacterias en condiciones aerobias, consumirán Oxígeno, causando la disminución del OD con los efectos que se explican en el numeral anterior.   La DBO se define como la cantidad de Oxígeno necesaria para descomponer la MO presente en el Agua Residual mediante la acción de bacterias en condiciones aerobias.  La DBO es causada por la respiración de las bacterias y cesará al agotarse totalmente la MO.  La DBO se propuso en el año de 1912 como un método indirecto para medir la MO presente en el agua.  Hoy día la DBO se efectúa a 5 días y a 20º C, y se denota con el símbolo DBO5.  Sin embargo, pueden realizarse a diferentes tiempos, por ejemplo la DBO7 es la demanda medida a los 7 días, y la DBOu  (DBO última o total)  es la medida hasta el agotamiento total de la MO, lo que usualmente toma de 20 a 30 días.  En las Aguas Residuales Domésticas, la DBO5 ≈ 0,70 DBOu.  

El ensayo de la DBO es de tipo biológico, razón por la cual se debe simular en forma aproximada las condiciones en que la demanda ocurre en los medios naturales. Estas condiciones implican la presencia de Oxígeno y nutrientes (P y N2), la ausencia de tóxicos, mantener el pH y la temperatura adecuados, presencia de bacterias en cantidad suficiente, etc.

El ensayo de la DBO se efectúa midiendo el OD antes y después de los cinco días.  Como el OD en el laboratorio alcanza concentraciones de solo 7 u 8 mg/L, y como la DBO5 fluctúa entre 200 y 20.000 mg/L o más, es necesario diluir la muestra de AR.   Para realizar el ensayo de la DBO se toma la muestra y se diluye en una alícuota^[2]* definida, dependiendo del valor esperado de la DBO.   Si no se conoce la concentración aproximada se deben preparar diferentes diluciones, en los rangos en que se crea posible la DBO.  El agua de dilución empleada para preparar la alícuota se prepara con agua destilada,  sales de potasio, sodio, calcio y magnesio que dan buena capacidad amortiguadora (o capacidad buffer, es decir mantiene el pH aproximadamente constante en un valor cercano a 7,0), y se satura de Oxígeno en las condiciones del laboratorio.  Una vez preparadas las alícuotas con las diluciones convenientes, es decir, cuya demanda no sea mayor a 2 a 3 mg/L (que es la demanda posible sin problemas con un OD de 6 mg/L) se vierte la muestra en un frasco Winkler (de boca ancha). Si es necesario (como en el caso de AR que no tengan bacterias presentes) se inocula el agua de dilución con bacterias.  Como se supone que el agua de dilución que contiene el inóculo tendrá materia orgánica que, al adicionarse a la muestra, incrementará el contenido de materia orgánica a oxidar, es necesario también medir la DBO al agua de dilución, y para ello se prepara un frasco con exactamente las mismas condiciones de la muestra, pero sin el AR, que se conoce como el blanco.   Se toman, pues, los OD de la muestra preparada y en el blanco a la hora cero denominadas OD inicial (ODi) y ODbi respectivamente, se ponen en una incubadora a 20º C, sin luz (para evitar posible oxigenación con la presencia de algas) y se mide al cabo cinco días el OD final, ODf y ODbf.  El blanco corregirá la DBO5 de la muestra, así:

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