Demanda bioquímica de oxígeno

La demanda bioquímica de oxígeno (también conocida como DBO o demanda biológica de oxígeno ) es un parámetro analítico que representa la cantidad de oxígeno disuelto (OD) consumido por las bacterias aeróbicas que crecen en el material orgánico presente en una muestra de agua a una temperatura específica durante un período de tiempo específico. El valor de DBO se expresa más comúnmente en miligramos de oxígeno consumidos por litro de muestra durante 5 días de incubación a 20 °C y a menudo se utiliza como un sustituto del grado de contaminación orgánica del agua . ^[1]

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

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

La mayoría de las aguas naturales contienen pequeñas cantidades de compuestos orgánicos. Los microorganismos acuáticos han evolucionado para utilizar algunos de estos compuestos como alimento . Los microorganismos que viven en aguas oxigenadas utilizan el oxígeno disuelto para degradar oxidativamente los compuestos orgánicos, liberando energía que se utiliza para el crecimiento y la reproducción . Las poblaciones de estos microorganismos tienden a aumentar en proporción a la cantidad de alimento disponible. Este metabolismo microbiano crea una demanda de oxígeno proporcional a la cantidad de compuestos orgánicos útiles como alimento. En algunas circunstancias, el metabolismo microbiano puede consumir oxígeno disuelto más rápido de lo que el oxígeno atmosférico puede disolverse en el agua o lo que puede producir la comunidad autótrofa (algas, cianobacterias y macrófitos). Los peces y los insectos acuáticos pueden morir cuando el oxígeno se agota por el metabolismo microbiano. ^[2]

La demanda bioquímica de oxígeno es la cantidad de oxígeno necesaria para el metabolismo microbiano de los compuestos orgánicos en el agua. Esta demanda se produce durante un período de tiempo variable que depende de la temperatura, las concentraciones de nutrientes y las enzimas disponibles para las poblaciones microbianas autóctonas. La cantidad de oxígeno necesaria para oxidar completamente los compuestos orgánicos a dióxido de carbono y agua a través de generaciones de crecimiento, muerte, descomposición y canibalismo microbiano es la demanda bioquímica total de oxígeno (DBO total). La DBO total es de mayor importancia para las redes alimentarias que para la calidad del agua . Es más probable que el agotamiento del oxígeno disuelto se haga evidente durante la explosión inicial de la población microbiana acuática en respuesta a una gran cantidad de material orgánico. Sin embargo, si la población microbiana desoxigena el agua, esa falta de oxígeno impone un límite al crecimiento de la población de organismos microbianos acuáticos aeróbicos , lo que resulta en un excedente de alimentos y un déficit de oxígeno a largo plazo. ^[3]

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

c) Para que un efluente cumpla con la norma general, no debe contener más de 3 partes por 100.000 de materia en suspensión y, con sus materias en suspensión incluidas, no debe absorber a 65 °F (18,3 °C) más de 2,0 partes por 100.000 de oxígeno disuelto en 5 días. Esta norma general debe ser prescrita por estatuto o por orden de la Autoridad Central y debe estar sujeta a modificaciones por parte de dicha Autoridad después de un intervalo no inferior a diez años. ^[4]

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

Aunque la Comisión Real de Eliminación de Aguas Residuales propuso 5 días como un período de prueba adecuado para los ríos del Reino Unido de Gran Bretaña e Irlanda , se investigaron períodos más largos para los ríos de América del Norte . Los períodos de incubación de 1, 2, 5, 10 y 20 días se utilizaron hasta mediados del siglo XX. ^[5] Manteniendo el oxígeno disuelto disponible a la temperatura elegida, los investigadores encontraron que hasta el 99 por ciento de la DBO total se ejercía en 20 días, el 90 por ciento en 10 días y aproximadamente el 68 por ciento en 5 días. ^[6] Los cambios variables de la población microbiana a bacterias nitrificantes limitan la reproducibilidad de la prueba para períodos mayores de 5 días. El protocolo de prueba de 5 días con resultados aceptablemente reproducibles que enfatizan la DBO carbonosa ha sido respaldado por la Agencia de Protección Ambiental de los Estados Unidos (EPA). Este resultado de la prueba de DBO de 5 días puede describirse como la cantidad de oxígeno requerida para que los microorganismos acuáticos estabilicen la materia orgánica descomponible en condiciones aeróbicas. ^[7] La ​​estabilización, en este contexto, puede percibirse en términos generales como la conversión de alimentos en fauna acuática viva . Aunque esta fauna seguirá ejerciendo una demanda bioquímica de oxígeno a medida que muere, eso tiende a ocurrir dentro de un ecosistema evolucionado más estable que incluye niveles tróficos más altos . ^[3]

La Comisión Real sobre Contaminación de Ríos , establecida en 1865, y la formación de la Comisión Real sobre Eliminación de Aguas Residuales en 1898 llevaron a la selección en 1908 de BOD ₅ como la prueba definitiva para la contaminación orgánica de los ríos. Se eligieron cinco días como un período de prueba apropiado porque supuestamente este es el tiempo más largo que tarda el agua del río en viajar desde la fuente hasta el estuario en el Reino Unido. En su sexto informe, la Comisión Real recomendó que el estándar establecido debería ser de 15 partes en peso por millón de agua. ^[8] Sin embargo, en el noveno informe, la comisión había revisado el estándar recomendado:

Un cálculo sencillo determinaría que un efluente que absorbiera entre 2 y 0 partes de oxígeno disuelto por cada 100.000 requeriría una dilución con al menos 8 volúmenes de agua de río que absorbieran 0,2 partes si la mezcla resultante no debía absorber más de 0,4 partes. Nuestra experiencia indicó que en una gran mayoría de casos el volumen de agua de río superaría en 8 veces el volumen del efluente, y que la cifra de entre 2 y 0 partes de oxígeno disuelto por cada 100.000, que se había demostrado que era factible, sería una cifra segura para adoptar a los efectos de una norma general, tomada junto con la condición de que el efluente no debería contener más de 3 a 0 partes por cada 100.000 de sólidos suspendidos. ^[8]

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

Estados Unidos incluye limitaciones de DBO en efluentes en sus regulaciones de tratamiento secundario . Generalmente se espera que el tratamiento secundario de aguas residuales elimine el 85 por ciento de la DBO medida en las aguas residuales y produzca concentraciones de DBO en efluentes con un promedio de 30 días de menos de 30 mg/L y un promedio de 7 días de menos de 45 mg/L. Las regulaciones también describen el "tratamiento equivalente al tratamiento secundario" como la eliminación del 65 por ciento de la DBO y la producción de concentraciones de DBO en efluentes con un promedio de 30 días de menos de 45 mg/L y un promedio de 7 días de menos de 65 mg/L. ^[9]

La mayoría de los ríos prístinos tendrán un DBO carbonoso de 5 días por debajo de 1 mg/L. Los ríos moderadamente contaminados pueden tener un valor de DBO en el rango de 2 a 8 mg/L. Los ríos pueden considerarse severamente contaminados cuando los valores de DBO superan los 8 mg/L. ^[10] Las aguas residuales municipales que se tratan eficientemente mediante un proceso de tres etapas tendrían un valor de aproximadamente 20 mg/L o menos. Las aguas residuales sin tratar varían, pero el promedio ronda los 600 mg/L en Europa y tan bajo como 200 mg/L en los EE. UU., o donde hay una infiltración/entrada grave de aguas subterráneas o superficiales . Los valores generalmente más bajos en los EE. UU. se derivan del uso de agua per cápita mucho mayor que en otras partes del mundo. ^[1]

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

En 1888, Winkler publicó la metodología de un procedimiento analítico de oxígeno disuelto simple, preciso y directo. ^[11] Desde entonces, el análisis de los niveles de oxígeno disuelto en el agua ha sido clave para la determinación de las aguas superficiales. El método de Winkler sigue siendo una de las dos únicas técnicas analíticas utilizadas para calibrar los medidores de oxígeno con electrodos; el otro procedimiento se basa en la solubilidad del oxígeno en saturación según la ley de Henry .

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

Este método estándar está reconocido por la EPA, que está etiquetado como Método 5210B en los Métodos estándar para el examen de agua y aguas residuales. ^[12] Para obtener DBO ₅ , las concentraciones de oxígeno disuelto (OD) en una muestra deben medirse antes y después del período de incubación, y ajustarse adecuadamente por el factor de dilución correspondiente de la muestra. Este análisis se realiza utilizando botellas de incubación de 300 mL en las que se dosifica agua de dilución tamponada con microorganismos de siembra y se almacena durante 5 días en la habitación oscura a 20 °C para evitar la producción de DO a través de la fotosíntesis. Las botellas han sido tradicionalmente hechas de vidrio, lo que requería limpieza y enjuague entre muestras. Hay disponible una botella de DBO de plástico desechable aprobada por SM 5210B que elimina este paso. Además de las diversas diluciones de muestras de DBO, este procedimiento requiere blancos de agua de dilución, controles de ácido glutámico de glucosa (GGA) y controles de siembra. El blanco de agua de dilución se utiliza para confirmar la calidad del agua de dilución que se utiliza para diluir las otras muestras. Esto es necesario porque las impurezas en el agua de dilución pueden causar alteraciones significativas en los resultados. El control GGA es una solución estandarizada para determinar la calidad de la semilla, donde su concentración de DBO ₅ recomendada es de 198 mg/L ± 30,5 mg/L. Para la medición de la DBO carbonosa (cBOD), se agrega un inhibidor de nitrificación después de que se haya agregado el agua de dilución a la muestra. El inhibidor impide la oxidación del nitrógeno amoniaco, que suministra la DBO nitrogenada (nBOD). Al realizar la prueba de DBO ₅ , es una práctica convencional medir solo la DBO c porque la demanda nitrogenada no refleja la demanda de oxígeno de la materia orgánica. Esto se debe a que la nBOD se genera por la descomposición de proteínas, mientras que la cBOD se produce por la descomposición de moléculas orgánicas.

_La DBO5 se calcula mediante:

• Sin semillas:${\displaystyle \mathrm {BOD} _{5}={\frac {(D_{0}-D_{5})}{P}}}$
• Sembrado:${\displaystyle \mathrm {BOD} _{5}={\frac {(D_{0}-D_{5})-(B_{0}-B_{5})f}{P}}}$

dónde:

${\estilo de visualización D_{0}}$es el oxígeno disuelto (OD) de la solución diluida después de la preparación (mg/L)

$Estilo de visualización D_{5}$es el DO de la solución diluida después de 5 días de incubación (mg/L)

${\estilo de visualización P}$es el factor de dilución decimal

$Estilo de visualización B_{0}$es el DO de la muestra de semilla diluida después de la preparación (mg/L)

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

${\estilo de visualización f}$es la relación entre el volumen de semillas en la solución de dilución y el volumen de semillas en la prueba de DBO en semillas

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

La muestra se guarda en un recipiente sellado equipado con un sensor de presión . Se añade una sustancia que absorbe dióxido de carbono (normalmente hidróxido de litio ) en el recipiente por encima del nivel de la muestra. La muestra se almacena en condiciones idénticas a las del método de dilución. Se consume oxígeno y, como se inhibe la oxidación del amoniaco, se libera dióxido de carbono. La cantidad total de gas y, por tanto, la presión, disminuyen porque se absorbe dióxido de carbono. A partir de la caída de presión, la electrónica del sensor calcula y muestra la cantidad de oxígeno consumido.

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

• simplicidad: no requiere dilución de la muestra, ni siembra, ni muestra en blanco.
• Lectura directa del valor de DBO.
• visualización continua del valor de DBO en el tiempo de incubación actual.

Una alternativa para medir la DBO es el desarrollo de biosensores, que son dispositivos para la detección de un analito que combinan un componente biológico con un componente detector fisicoquímico. Las enzimas son los elementos de detección biológica más utilizados en la fabricación de biosensores. Su aplicación en la construcción de biosensores está limitada por los métodos de purificación de enzimas, que son tediosos, costosos y requieren mucho tiempo. Los microorganismos proporcionan una alternativa ideal a estos cuellos de botella. ^[13]

Muchos microorganismos útiles para la evaluación de la DBO son relativamente fáciles de mantener en cultivos puros, crecer y cosechar a bajo costo. Además, el uso de microbios en el campo de los biosensores ha abierto nuevas posibilidades y ventajas, como la facilidad de manejo, preparación y bajo costo del dispositivo. Muchos trabajadores han utilizado una serie de cultivos puros, por ejemplo, Trichosporon cutaneum, Bacillus cereus, Klebsiella oxytoca, Pseudomonas sp., etc., individualmente, para la construcción de biosensores de DBO. Por otro lado, muchos trabajadores han inmovilizado lodos activados, o una mezcla de dos o tres especies bacterianas y en varias membranas para la construcción de biosensores de DBO. Las membranas más utilizadas fueron el alcohol polivinílico, las membranas hidrófilas porosas, etc. ^[14]

Se puede formar un consorcio microbiano definido mediante la realización de un estudio sistemático, es decir, una prueba previa de microorganismos seleccionados para su uso como material de siembra en el análisis de DBO de una amplia variedad de efluentes industriales. Un consorcio formulado de este tipo se puede inmovilizar en una membrana adecuada, es decir, una membrana de nailon cargada. La membrana de nailon cargada es adecuada para la inmovilización microbiana, debido a la unión específica entre la célula bacteriana cargada negativamente y la membrana de nailon cargada positivamente. Por lo tanto, las ventajas de la membrana de nailon sobre las otras membranas son: La unión dual, es decir, la adsorción y el atrapamiento, lo que da como resultado una membrana inmovilizada más estable. Estos dispositivos analíticos de DBO basados ​​en consorcios microbianos específicos pueden encontrar una gran aplicación en el monitoreo del grado de fuerza de los contaminantes, en una amplia variedad de aguas residuales industriales en un tiempo muy corto. ^[14]

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

Se ha desarrollado un sustituto de la DBO5 _{utilizando un derivado} de la resazurina que revela el grado de absorción de oxígeno por parte de los microorganismos para la mineralización de la materia orgánica. ^[15] Una validación cruzada realizada en 109 muestras en Europa y Estados Unidos mostró una equivalencia estadística estricta entre los resultados de ambos métodos. ^[16]

Se ha desarrollado un electrodo basado en la emisión de luminiscencia de un compuesto químico fotoactivo y la extinción de dicha emisión por el oxígeno. Este mecanismo fotofísico de extinción se describe mediante la ecuación de Stern-Volmer para el oxígeno disuelto en una solución: ^[17]

${\displaystyle I_{0}/I~=~1~+~K_{SV}~[{\ce {O2}}]}$

• ${\displaystyle I}$:Luminiscencia en presencia de oxígeno
• ${\displaystyle I_{0}}$:Luminiscencia en ausencia de oxígeno
• $Estilo de visualización K_ {SV}}$:Constante de Stern-Volmer para extinción de oxígeno
• ${\displaystyle {\ce {[O2]}}}$: Concentración de oxígeno disuelto

La determinación de la concentración de oxígeno mediante extinción de la luminiscencia tiene una respuesta lineal en un amplio rango de concentraciones de oxígeno y tiene una excelente precisión y reproducibilidad. ^[18]

Durante la década de 1950 se introdujo el desarrollo de un instrumento analítico que utiliza la química de reducción-oxidación (redox) del oxígeno en presencia de electrodos de metales diferentes. ^[19] Este electrodo redox utilizaba una membrana permeable al oxígeno para permitir la difusión del gas en una celda electroquímica y su concentración se determinaba mediante electrodos polarográficos o galvánicos. Este método analítico es sensible y preciso hasta niveles de ± 0,1 mg/L de oxígeno disuelto. La calibración del electrodo redox de este electrodo de membrana aún requiere el uso de la tabla de la ley de Henry o la prueba de Winkler para el oxígeno disuelto .

Se han presentado propuestas de automatización para realizar predicciones rápidas de la DBO, de modo que se pueda utilizar para el control y monitoreo de procesos en línea. Por ejemplo, el uso de un método de aprendizaje automático computarizado para realizar inferencias rápidas sobre la DBO utilizando parámetros de calidad del agua fáciles de medir. Algunos de estos parámetros, como el caudal, la demanda química de oxígeno, el amoníaco, el nitrógeno, el pH y los sólidos suspendidos, se pueden obtener de manera directa y confiable utilizando sensores de hardware en línea. En una prueba de esta idea, se utilizaron mediciones de estos valores junto con la DBO que se habían realizado durante tres años para entrenar y probar un modelo de predicción. La técnica podría permitir algunos datos faltantes. Indicó que este enfoque era posible, pero necesitaba que estuvieran disponibles suficientes datos históricos. ^[20]

Hasta hace poco, el monitoreo en tiempo real de la DBO era inalcanzable debido a su naturaleza compleja. Una investigación reciente de una importante universidad del Reino Unido ha descubierto el vínculo entre múltiples parámetros de calidad del agua, incluyendo la conductividad eléctrica, la turbidez, la TLF y la CDOM. ^{[21] [22]} Todos estos parámetros se pueden monitorear en tiempo real mediante una combinación de métodos tradicionales (conductividad eléctrica a través de electrodos) y métodos más nuevos como la fluorescencia. El monitoreo de la fluorescencia similar al triptófano (TLF) se ha utilizado con éxito como un indicador de la actividad biológica y la enumeración, particularmente con un enfoque en Escherichia coli (E. Coli). ^{[23] [22] [24] [25]} El monitoreo basado en TLF es aplicable en una amplia gama de entornos, incluyendo, pero de ninguna manera limitado a, plantas de tratamiento de aguas residuales y aguas dulces. Por lo tanto, ha habido un movimiento significativo hacia sistemas de sensores combinados que pueden monitorear parámetros y usarlos, en tiempo real, para proporcionar una lectura de DBO que sea de calidad de laboratorio.

El desarrollo de un instrumento analítico que utiliza la química de reducción-oxidación (redox) del oxígeno en presencia de electrodos de metales diferentes se introdujo durante la década de 1950. ^[26] Este electrodo redox (también conocido como sensor de oxígeno disuelto ^[27] ) utilizó una membrana permeable al oxígeno para permitir la difusión del gas en una celda electroquímica y su concentración determinada por electrodos polarográficos o galvánicos. Este método analítico es sensible y preciso hasta niveles de ± 0,1 mg/L de oxígeno disuelto. La calibración del electrodo redox de este electrodo de membrana aún requiere el uso de la tabla de la ley de Henry o la prueba de Winkler para oxígeno disuelto .

El método de prueba implica variables que limitan la reproducibilidad. Las pruebas normalmente muestran observaciones que varían más o menos entre un diez y un veinte por ciento alrededor de la media. ^{[29] : 82}

Algunos desechos contienen sustancias químicas capaces de suprimir el crecimiento o la actividad microbiológica. Entre las posibles fuentes se encuentran los desechos industriales, los antibióticos presentes en los desechos farmacéuticos o médicos , los desinfectantes utilizados en el procesamiento de alimentos o en las instalaciones de limpieza comercial, la desinfección por cloración utilizada después del tratamiento convencional de aguas residuales y las formulaciones para el control de olores utilizadas en los tanques de almacenamiento de desechos sanitarios de los vehículos de pasajeros o en los sanitarios portátiles. La supresión de la comunidad microbiana que oxida los desechos reducirá el resultado de la prueba. ^{[29] : 85}

La prueba se basa en un ecosistema microbiano con enzimas capaces de oxidar el material orgánico disponible. Algunas aguas residuales, como las del tratamiento biológico secundario de aguas residuales , ya contienen una gran población de microorganismos aclimatados al agua que se está probando. Una parte apreciable de los desechos puede utilizarse durante el período de retención antes del inicio del procedimiento de prueba. Por otro lado, los desechos orgánicos de fuentes industriales pueden requerir enzimas especializadas. Las poblaciones microbianas de fuentes de semillas estándar pueden tardar algún tiempo en producir esas enzimas. Un cultivo de semillas especializado puede ser apropiado para reflejar las condiciones de un ecosistema evolucionado en las aguas receptoras. ^{[29] : 85–87}

• Demanda bioquímica de oxígeno carbonoso
• Demanda teórica de oxígeno
• Los indicadores de calidad de aguas residuales analizan tanto la DBO como la DQO como indicadores de la calidad de las aguas residuales.

• Rustum, R., Adeloye, A. y Simala, A., 2007. Características extraídas del mapa autoorganizado de Kohonen (KSOM) para mejorar los modelos de predicción de DBO5 mediante redes neuronales artificiales multipolares. En Simposio internacional: Cuantificación y reducción de la incertidumbre predictiva para la gestión sostenible de los recursos hídricos, 24.ª Asamblea General de la Unión Internacional de Geodesia y Geofísica (IUGG) (pp. 181–187).

• BOD Doctor Archivado el 21 de agosto de 2007 en Wayback Machine : una wiki de resolución de problemas para esta prueba problemática