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7/21/2019 Quimica Ambiental - DBO
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INTRODUCCIÓN
El tratamiento de aguas residuales es un conjunto de operaciones unitarias de tipo
físico, químico y biológico cuya finalidad es la eliminación o reducción de la
contaminación o las características no deseables de las aguas a niveles que no
puedan sustentar el crecimiento bacteriano, siguiendo una secuencia de tratamiento
primario (reduce la materia suspendida y separa los materiales sólidos tanto
orgánicos e inorgánicos), tratamiento secundario (remoción del DBO, sólidos
suspendidos y organismos patógenos) el cual puede ser por procesos de filtros
percoladores, lodos activados o lagunas de estabilización y un tratamiento terciario
(reduce los niveles de nutrientes orgánicos) en alguno de los casos, siendo este el
método más completo para el tratamiento de aguas residuales.
La DBO se utiliza para medir el grado de contaminación de un agua residual por
materia orgánica degradable por oxidación biológica, expresada en miligramos porlitro (mg/L).
Otro parámetro importante a analizar son los coliformes que son bacilos anaerobios
facultativos, gram negativos, no formadores de endosporas, fermentadores de
lactosa con producción de gas a una temperatura específica; éste grupo de
microorganismos es constante, abundante y casi exclusivo de la materia fecal, sin
embargo, las características de sobrevivencia y la capacidad para multiplicarse
fuera del intestino también se observan en cuerpos de aguas, por lo que el grupo
coliformes se utiliza como indicador de contaminación fecal en agua.
Cabe resaltar que la remoción tanto de Carga Orgánica (DBO) y patogénica(coliformes totales y fecales) se realiza en unidades de Proceso, siendo estos los
filtros percoladores, lodos activados, entre otros; más no en Unidades de Operación
como los sedimentadores, unidades de desinfección desengrasadores,
desarenadores, cámara de rejas, etc. quienes aportan mínimamente en su
reducción.
En el presente informe se detallará cómo la Química trabaja a través de los
microorganismos, mediante reacciones bio-químicas.
1. OBJETIVOS
- Determinar la DBO.
- Determinar los Coliformes Totales.
- Conocer los procesos Químicos que ocurren en las plantas de tratamiento de
aguas residuales.
- Comparar a las Normas Peruanas.
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2. MARCO CONCEPTUAL
2.1. BacteriasLos actuales tratamientos que se aplican a las aguas residuales pueden
reducir mucho las concentraciones de organismos patógenos que se pueden
encontrar pero aún es muy difícil asegurar la eliminación completa y continua
por lo que la posibilidad de transmisión de enfermedades a través de la
reutilización es factible. Microorganismos causantes de epidemias en el
pasado todavía pueden encontrarse, se trata de controlar los niveles dentro
de unos ciertos niveles de seguridad. Los principales agentes infecciosos
para el hombre y los animales que pueden encontrarse en el agua residual
bruta se pueden clasificar en tres grandes grupos: las bacterias, los parásitos
(protozoos y helmintos) y los virus.
2.2. Demanda Bioquímica de OxígenoSe define como un parámetro que mide la cantidad de oxígeno consumido al
degradar la materia susceptible de ser consumida u oxidada por medios
biológicos que contiene una muestra líquida, disuelta o en suspensión. Se
utiliza para medir el grado de contaminación; normalmente se mide
transcurridos cinco días de reacción (DBO5 ) y se expresa en miligramos de
oxígeno diatómico por litro (mg/l). El método de ensayo se basa en medir el
oxígeno consumido por una población microbiana en condiciones en las que
se ha inhibido los procesos fotosintéticos de producción de oxígeno en
condiciones que favorecen el desarrollo de los microorganismos. La curva deconsumo de oxígeno suele ser al principio débil y después se eleva
rápidamente hasta un máximo sostenido, bajo la acción de la fase logarítmica
de crecimiento de los microorganismos.
2.3. ColiformesEl agua es un recurso indispensable para la vida; por tal motivo, su sistema
de tratamiento debe ser evaluado y controlado periódicamente, para
garantizar su calidad de consumo humano. La disponibilidad del agua apta
para la preparación de alimentos, la higiene personal y doméstica, la
agricultura y la producción de energía, es fundamental para garantizar lasalud y el bienestar de los seres humanos.
Los coliformes están estrechamente relacionados a las infecciones o
enfermedades estomacales, comúnmente conocidas como diarreas en la
población consumidora de estas aguas mal tratadas e incluso aguas no
tratadas, ya que estas enfermedades son transmitidas por vía FECAL-ORAL.
Es común que el agua sea vehículo de bacterias, virus y protozoos de origen
fecal.
Para su estudio, se dividen en dos grupos. El grupo de bacterias coliformes
totales el cual comprende a todos los bacilos Gram-negativos aerobios o
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anaerobios facultativos, que fermentan la lactosa con producción de gas en
un lapso máximo de 48 h. a 35°C ± 1ºC.
El segundo grupo, los coliformes fecales, está constituido por bacterias
Gram-negativas capaces de fermentar la lactosa con producción de gas a las
48 h de incubación a 44.5 ± 0.1°C. Estas muestras son incubadas a mayortemperatura por ser termos resistentes. Este grupo no incluye una especie
determinada, sin embargo la más prominente es Escherichia coli.
Escherichia coli es un bacilo corto Gram negativo que se encuentra
clasificado dentro de la familia Enterobacteriaceae (bacterias entéricas),
existe como comensal en el intestino delgado de humanos y animales.
La búsqueda de coliformes como indicadores de contaminación de origen
fecal del agua es una práctica establecida desde hace muchos años. En 1895
se propuso una prueba de Escherichia coli como índice para determinar la
potabilidad del agua de bebida, marcando así el inicio del uso de los
coliformes como indicadores de patógenos (Jay, 1992), práctica que hasta
hoy aplican muchos países para la calificación sanitaria del agua potable.
2.4. Fisiología y metabolismo bacterianoLas bacterias son los organismos más pequeños que tienen la maquinaria
requerida para el crecimiento y la replicación. Están compuestas, como las
células eucariotas, por proteínas, polisacáridos, lípidos, ácidos nucleicos,
entre otros. Estas macro-moléculas pueden formar parte de estructuras
celulares más complejas, como la pared celular y la membrana plasmática. El
crecimiento bacteriano se define como el aumento ordenado de todos losconstituyentes químicos de la célula. Es un proceso complejo que supone la
replicación de todas las estructuras y componentes celulares a partir de
nutrientes exógenos.
2.5. Aguas ResidualesLas aguas residuales pueden definirse como las aguas que provienen del
sistema de abastecimiento de agua de una población, después de haber sido
modificadas por diversos usos en actividades domésticas, industriales y
comunitarias.
Las aguas residuales contienen materia orgánica como inorgánica, y los
microorganismos desempeñan un papel especialmente importante
eliminando los compuestos orgánicos. Sin embargo, el tratamiento idóneo de
las aguas residuales elimina los microorganismos patógenos, evitando que
estos lleguen a los ríos o a otros abastecimientos de agua.
Así, de acuerdo con su origen, las aguas residuales pueden ser clasificadas
como:
Domésticas: son aquellas utilizadas con fines higiénicos (baños, cocinas,
lavanderías, etc.). Consisten básicamente en residuos humanos que llegan a
las redes de alcantarillado por medio de descargas de instalaciones
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hidráulicas de la edificación también en residuos originados en
establecimientos comerciales, públicos y similares.
Industriales: son líquidos generados en los procesos industriales. Poseen
características específicas, dependiendo del tipo de industria.
Infiltración y caudal adicionales: las aguas de infiltración penetran en elsistema de alcantarillado a través de los empalmes de las tuberías, paredes
de las tuberías defectuosas, tuberías de inspección y limpieza, etc. Hay
también aguas pluviales, que son descargadas por medio de varias fuentes,
como canales, drenajes y colectores de aguas de lluvias.
Pluviales: son agua de lluvia, que descargan grandes cantidades de agua
sobre el suelo. Parte de esta agua es drenada y otra escurre por la superficie,
arrastrando arena, tierra, hojas y otros residuos que pueden estar sobre el
suelo.
2.6. Tratamiento de Aguas ResidualesEl tratamiento de las aguas residuales es generalmente un proceso que se
realiza en varios pasos, en los que se utilizan tratamientos químicos y
biológicos.
El tratamiento inicial consiste solamente en separaciones físicas. El
material que entra en la planta de tratamiento pasa a través de unas rejillas y
cribas que eliminan los objetos grandes, y luego de efluentes se deja reposar
durante varias horas para permitir que se sedimenten los sólidos.
Debido a la fuerte carga de nutrientes que quedan en el efluente, después del
tratamiento inicial, las plantas de tratamiento emplean un proceso detratamiento secundario para reducir la carga orgánica de las mismas hasta
niveles aceptables, antes de liberarlo a las conducciones naturales del agua.
El tratamiento secundario está íntimamente ligado a procesos
microbiológicos.
El tratamiento terciario, que puede complementar los anteriores, se utiliza
cuando se prevé la reutilización del agua, para fines de recreación
(piletas/natatorios) y hasta para el consumo humano. Para lograrlo, se utilizan
procesos de precipitación, filtración y cloración, lo que permite reducir
drásticamente los niveles de nutrientes inorgánicos, especialmente los
fosfatados y nitratos, como así también la carga de patógenos del efluente
final. Estos métodos de tratamiento no han sido ampliamente difundidos por
el costo que implica su tratamiento.
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Figura 01. Esquema de planta de tratamiento convencional.
Figura 02. Esquema elemental de un proceso biológico de tratamiento.
2.7. Reacciones biológicasLas reacciones biológicas más importantes son aerobias, anaerobias o
fotosintéticas. En la Figura 3 se observa un esquema general de las
actividades de síntesis y respiración que se producen por las actividades
biológicas. Como se muestra en la figura, hay fuentes nutritivasnecesarias como C, O2,H2,N2,P, ya sea como orgánicas o inorgánicas que
deben ser transportadas a la célula en forma soluble. La energía debe
suministrarse como energía contenida en compuestos orgánicos o como
energía radiante de la luz solar. Una fracción de la energía es usada para la
biosíntesis de biomasa y la restante es dispersada como calor. Los
microorganismos producen también productos de desecho que dependen de
las especies consideradas y las condiciones ambientales. Los productos más
deseables son gases como CO2, N2, O2 y CH4, que pueden ser fácilmente
separados de la fase líquida. Otros gases como H2S NH3 y aminas son
indeseables. Un requerimiento importante para la mayor parte de los
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procesos biológicos usados en el tratamiento de efluentes es la
producción de microorganismos floculantes, que pueden ser fácilmente
separados por medios físicos como sedimentación por gravedad,
centrifugación o filtración. Desde el punto de vista de la polución el
microorganismo debe considerarse como un producto no deseable. Lafacilidad de separación y la destrucción por autooxidación son también
aspectos de gran importancia.
Figura 03. Reacciones biológicas fundamentales.
2.8. EstequiometriaLa estequiometria de las reacciones involucradas en los distintos tipos de
tratamiento es altamente influenciada por las especies de
microorganismos presentes, los compuestos existentes y las condiciones
ambientales impuestas sobre el proceso. Las reacciones típicas son
como sigue:
3. ÁMBITO DE ESTUDIO
A. Lagunas FacultativasDistrito : Pucará.
Provincia : Lampa.
Departamento : Puno.
Superficie : 537.6 km2
Población : 6060 hab.
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Figura 04. Fotografía Satelital del distrito de Pucara y sus Lagunas
Facultativas.
La planta de tratamiento del distrito de pucara se encuentra a 900m. del radio
urbano. Con las siguientes coordenadas UTM:
Este : 353742.00 m.
Norte : 8336361.00 m.
Altura : 3864.00 m.s.n.m.
Figura 05. Fotografía Satelital de las lagunas facultativas de Pucará.
Figura 06. Vista general de las lagunas Facultativas de Pucará.
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Cuenta con 4 lagunas facultativas que son: depósitos o estanques
conformados en el suelo en los cuales se vierten el agua residual a los
efectos de producir en ellos su tratamiento depurador en base a una
determinada permanencia. Se clasifican biológicamente en: Aerobias,
Anaerobias, Facultativas y Aireadas, dicha planta cuenta con 2 primarias y 2secundarias (ambas en paralelo) una de cada una de ellas no funciona tal
como se muestra en la figura N° 06, estas se encuentran en abandono y
en pésimas condiciones, pese a ello nos sorprende que no haya olores
nauseabundos al parecer no hay liberación de gases; además se pudo
observar gran cantidad de residuos sólidos y a su vez el color verde del agua
nos indica la presencia de microalgas, quienes contribuyen en la
autodepuración del sistema.
Figura 07. Diagrama de las lagunas facultativas.
Visto en la figura 07, se puede observar que la laguna de estabilización 2 no
funciona, esto debido al abandono y falta de mantenimiento por parte de la
Municipalidad distrital de Pucará, y solo se tendría funcional.
Figura 08. Toma de muestra.
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B. Filtros PercoladoresDistrito : José Domingo Choquehuanca
Provincia : Azángaro.
Departamento : Puno.
Superficie : 69.73 km2
Población : 5189 hab.
Fig. 09. Fotografía Satelital del distrito de José Domingo Choquehuanca y su
Planta de Tratamiento.
La planta de tratamiento de José Domingo Choquehuanca se encuentra a
unos 1400m. Del radio urbano como se muestra en la figura 03 con las
siguientes coordenadas UTM.
Estes : 354754.00 m.
Nortes : 8337165.00 m.
Altura : 3877.00 m.s.n.m.
Figura 10. Fotografía satelital de Planta de Tratamiento con filtros
Percoladores de José Domingo Choquehuanca.
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Fig. 11. Fotografía IN-SITU de la Planta de Tratamiento con filtros
Percoladores de José Domingo Choquehuanca.
Esta planta de tratamiento se caracteriza por tener filtros percoladores
q u e e s esencialmente una caja que cierra un material de contacto,
generalmente piedras graníticas (piedra pómez), que al recibir el agua
residual se va lubricando con una capa biológica responsables de las
transformaciones bioquímicas que reduce la materia orgánica; cabe destacar
que al llegar a la planta nos impactó el olor nauseabundo que
emanaba, también existía presencia de mosquitos alrededor de ellaesto hace notar indudablemente el mal funcionamiento de la planta.
Fig. 12. Fotografía de los filtros percoladores.
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Fig. 13. Fotografía Piedra Pómez.
Fig. 14. Diagrama de la planta de tratamiento con los Filtros percoladores.
En la planta de José D. C. lo encontramos con falta de mantenimiento y con
muy desagradables por lo que se asume que hay liberación de CH4, CO2,SH2.
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C. Lodos ActivadosDistrito : Yunguyo.
Provincia : Yunguyo.
Departamento : Puno.
Superficie : 170.59 km2
Población : 28367 hab.
Fig. 15. Fotografía Satelital del distrito del Distrito y su Planta de Tratamiento
de aguas residuales.
La planta de tratamiento de aguas residuales de Yunguyo se encuentra a 2.8
Km. del radio Urbano. Con las siguientes coordenadas UTM:
Estes : 488200.00 m.
Nortes : 8202258.00 m.
Altura : 3827.00 m.s.n.m.
Cabe resaltar que esta planta tiene un sistema de Aireación intermitente que
es uno de los primeros en la región de Puno.
Fig. 16. Lodos Activados Yunguyo.
Esta es una planta de tratamiento de aguas residuales diseñada con dos
líneas de tratamiento: Línea de agua, que consta de un tratamiento primario,
que tiene por finalidad retener todos los componentes inorgánicos, solidos,
aceites y grasas luego pasa a un tratamiento secundario, (lodos activados)
que consiste en la depuración de aguas residuales mediante el reaccionar de
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las bacterias aerobias a través del suministro uniforme de aire (platos
difusores), quienes realizan todos los procesos metabólicos mediante la cual
separan la carga orgánica en lodo y agua, esto se realiza gracias a la
aireación, sedimentación y decantación; y una siguiente etapa de
desinfección, a través de los rayos UV para eliminación de coliformes. Elagua ya desinfectada es vertida al cuerpo receptor (rio) y a la línea de lodos,los cuales son bombeados hacia un espesador, pasando por el tanque
digestor y por último a la sala de deshidratación los cuales vierten lodos ya
deshidratados. Es importante mencionar que a simple vista se le brinda un
buen mantenimiento, pero según nos informó esta planta ya no funciona
digitalmente sino manualmente.
Fig. 17. Diagrama de la Planta de aguas Residuales Yunguyo – Línea de Aguas.
4. MARCO METODOLÓGICO
Determinación de DBO: Se utilizó el método iodométrico o de frasco de
Winkler
Determinación de coliformes: El método utilizado para su determinación es
del Número Más Probable (NMP) mediante la técnica de la fermentación en
tubos múltiples. La determinación del NMP y la densidad del grupo
coliformes es calculada por la tabla del NMP (05 tubos por dilución) a partir
de los tubos positivos (campanas de Durham invertidos).
4.1. Determinación de la DBO
Procedimiento experimental de DBO
a. Conseguimos Frascos de vidrio para luego esterilizarlos en el autoclave
durante 20 min.
b. Toma de muestras en la planta de tratamiento de aguas residuales en
frascos esterilizados, en el instante de tomar las muestras lo hicimos con
cuidado en la entrada y salida de la planta, pero esta muestra tomada nodebe de tener ninguna sola burbuja para luego obtener un buen resultado.
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5. RESULTADOSTabla 01. DBO en relación a los límites máximos permisibles.
Tabla 02. Coliformes Termotolerantes en relación a los límites máximos
permisibles.
DISCUSIÓN DE RESULTADOS DBO
Tabla 03. Cuadro comparativo de DBO con los LMP (mg/L).
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- El efluente real de las Lagunas Facultativas de Pucara es de 114 mg/L deDBO, lo cual sobrepasa los Límites Máximos Permisibles (LMP) establecidospor las normas para vertidos a cuerpos de agua que es de 100mg/L,asiéndola ineficiente y por ende no cumpliendo las normas.- En lo que concierne al Sistema de Tratamiento de José DomingoChoquehuanca, igualmente no cumple con las normas de LMP para vertidosa ríos, puesto que el efluente real es de 132 mg/L de DBO, a pesar de quecuenta con un sistema de Filtros Percoladores.- Y el proceso de lodos activados con el que cuenta la PTAR de Yunguyo, encomparación con los LMP establecidos, si cumplen las normas de efluentespara vertidos a ríos, mas no en lo que concierne para riego y bebida paraanimales que es de 15 mg/L de DBO.
Gráfico 01. Disminución de DBO en los diferentes sistemas.
COLIFORMESTabla 04. Cuadro comparativo de resultados de coliformes con los LMP.
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- Comparando los datos del cuadro, el efluente de las Lagunas deEstabilización de Pucara, en lo que concierne a coliformes termotolerantesson muy elevados y por ende sobrepasan los LMP establecidos paraefluentes de vertidos a cuerpos de agua.- Lo que concierne al efluente del Sistema de Tratamiento de José DomingoChoquehuanca es muy elevado en carga patogénica, sobrepasando así losLMP normados, esto porque no está realizando un correcto funcionamiento
los filtros percoladores y lo único que existiría sería un conjunto deoperaciones los que estarían tratando el agua, más no procesos.- Así también los datos obtenidos de coliformes del efluente de la PTAR deYunguyo comparándolo con los LMP establecidos, están al límite, pero aunasí sobrepasan, esto porque el tiempo de retención hidráulico es muy cortotanto en los sistemas de proceso (lodos activados) y operación (radiaciónUV).
Gráfico 02. Disminución de Coliformes termotolerantes en los diferentes sistemas.
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6. BIBLIOGRAFÍA- Fernando G. et al (2009), “Seminario de Procesos Fundamentales
Físico-Químicos y Microbiológicos Especialización y Maestría en Medio
Ambiente Laboratorio de Química”. Editorial de la Universidad Tecnológica
Nacional, Argentina.- Madigam, MT y Martinko, Brock (2012) “biología de los
microorganismos” 12ava edición. Editorial Pearson Addson Wesley
- Ramalho R.S (2014) “Tratamiento de aguas residuales” 1ra edición.
Editorial Reverte S.A. – Barcelona.
- Gonzales L. R. (2012) “Microbiología del agua” 1ra edición. Edi torial
Colombiana de Ingeniería- Colombia
- Sierra R. (2011) “Calidad del agua” 1ra edición. Editorial Sello –
Colombia.
- G. Varela, G. Grotiuz (2008) “Fisiología y Metabolismo Bacteriano” 1ra.
Edición.- D. S. N° 003-2010-minam “aprueban los límites máximos permisibles
para efluentes de plantas de tratamientos de aguas residuales domesticas o
municipales” – Perú.
- D. S. N°002-2008-minam “aprueban los estándares de calidad
ambiental para el agua” – Perú.
- Ministerio de Vivienda, Construcción y Saneamiento (2006),“Reglamento Nacional de Edificaciones” – Perú.