kinetic parameters determination that rule the bod equation of water sewage

Rev. Tc. Ing. Univ. Zulia. Vol. 31, Edicin Especial, 22 - 31, 2008

Kinetic parameters determination that rulethe BOD equation of water sewage

Daisy Isea, Luis Vargas, Jos Durn, Karla Pineda y Jos DelgadoCentro de Investigacin del Agua (CIA), Facultad de Ingeniera, Universidad del Zulia,

Apartado Postal 526. Maracaibo, [email protected]/[email protected]/[email protected].

Abstract

Analyzing the conventional methods to measure the pollutional potency of water sewage, Biochemi-cal Demand of Oxygen (BOD) constitutes, up to now, the best used criteria in the pollutional control ofeffluents where the organic charge must be restricted to maintain levels of dissolved oxygen. This docu-ment presents the kinetic parameters that rule the equation of BOD in water sewage of soft drinks indus-try and dairy products industry of the Zulia Region, through the application of Thomas Pending Method,the Fujimoto Graphic Method and the Thomas Graphic Method, bearing in mind the region climate beinga fundamental parameter having a great influence on such values. Obtaining the constant ofbiodegradation, k, and the ultimate demand, L: its observed that only the Thomas Pending Method andthe Thomas Graphic Method are applicable for such type of water sewage, which means the FujimotoGraphic Method did not throw real results for the executed analysis. It is very important to emphasize onorganic matter concentration that each type of sewage has, since on this document a great difference onvalues of obtained kinetic constants is noted, bearing in mind that for the soft drinks industry the valuesof such constants are lower than for the dairy industry, and this is due to the fact that in the last men-tioned industry the ideal environment for proliferation of micro organisms, which are greatlybio-degradable, is created, which means, organic matter in essence.

Key words: Biochemical demand of oxigen, disolved oxygen, kinetic parameters of DBO.

Determinacin de los parmetros cinticos que rigenla ecuacin de la DBO en efluentes industriales

Resumen

Analizando los mtodos convencionales para medir la potencia polucional de las aguas residuales,la Demanda Bioqumica de Oxgeno (DBO) constituye, hasta el presente, el mejor criterio usado como pa-rmetro para el control polucional en efluentes donde la carga orgnica debe ser restringida para mante-ner niveles de oxgeno disuelto deseados. En este trabajo se determinan los parmetros cinticos que ri-gen la ecuacin de la DBO, en aguas residuales de una industria lctea y una de bebidas gaseosas de la re-gin zuliana, a travs de la aplicacin del mtodo de la Pendiente de Thomas, el mtodo Grfico de Fujimo-to y el mtodo Grfico de Thomas, tomando en cuenta la temperatura de la regin, por ser un parmetrofundamental que influye en la determinacin de los mismos. Al obtener la constante de biodegradacin, k,y la demanda ltima, L, se observa que slo los mtodos de la pendiente y el grfico de Thomas son aplica-bles para este tipo de agua residual, concluyendo, que el mtodo de Fujimoto no proporcion resultadossatisfactorios para el anlisis realizado. Es importante hacer nfasis en la concentracin de materia org-nica que posee cada tipo de agua residual, ya que se nota una gran diferencia en los valores de las cons-tantes cinticas obtenidas, teniendo que para la industria de bebidas gaseosas los valores de las constan-tes son menores que para la industria lctea, y esto es consecuencia de que en esta ltima se procesa el

Rev. Tc. Ing. Univ. Zulia. Vol. 31, Edicin Especial, 2008

medio ideal para la proliferacin de microorganismos, mayormente biodegradables, es decir, materia or-gnica biodegradable en esencia.

Palabras clave: Demanda bioqumica de oxgeno, oxgeno disuelto, parmetros cinticos de laDBO.

Introduccin

Las aguas residuales, son aguas portado-ras de residuos procedentes de residencias, insti-tuciones pblicas, as como centros comercialese industriales, a las que eventualmente puedenagregarse aguas subterrneas, superficiales ypluviales [1]. La mayora de las impurezas de lasaguas residuales se transforman. Una pequeaparte de estas transformaciones son de naturale-za qumica, estando las dems relacionadas conprocesos biolgicos, en stas ltimas, la relacinentre las sustancias contenidas en el agua resi-dual y el oxgeno es fundamental. Una parte con-siderable de las impurezas son de naturaleza or-gnica; la contaminacin orgnica se producecuando grandes cantidades de compuestos org-nicos son liberados a los cuerpos de agua. Lasmayores fuentes de estos contaminantes son losdesechos domsticos, las descargas agropecua-rias e industrias manufactureras de productosalimenticios, entre otras. Durante el proceso dedescomposicin de la materia orgnica se utilizael oxgeno disuelto del agua receptora llegando aagotarlo y produciendo condiciones anxicas [2].

Se ha prestado mayor inters al tratamien-to de aguas residuales industriales debido al au-mento de la industrializacin. Las propiedades f-sicas, qumicas y biolgicas de las aguas residua-les industriales son tan variadas como la indus-tria misma; sin embargo, todo este conjunto deaguas deben ser asimiladas por la naturalezaambiente sin que ello suponga un perjuiciopara la salud y el bienestar de los seres vivos [1].

De los parmetros convencionales utiliza-dos para medir la potencia polucional de las aguasresiduales, la Demanda Bioqumica de Oxgeno(DBO) constituye, hasta el presente, el mejor pa-rmetro para el control de polucin en corrientesdonde la carga orgnica debe ser restringida paramantener niveles de oxgeno disuelto deseados.Esta constituye la prueba principal aplicada a de-sechos domsticos e industriales para determinarla potencia en trminos de oxgeno disuelto re-queridos para su estabilizacin [3].

Los parmetros cinticos que rigen la ecua-cin de la DBO han sido estudiados por muchosinvestigadores y se ha determinado que la tempe-ratura es uno de los parmetros que influye so-bre la constante de biodegradacin (k) y sobre lademanda ltima (L). Generalmente k y L son es-tudiadas a una temperatura de 20C. A esa tem-peratura y a cinco das (DBO5,20) son considera-dos ptimos porque es en esas condiciones quese consume del 60 al 70% de la materia orgnica[4]; sin embargo el estudio puede realizarse enotras condiciones de tiempo y temperatura a ma-nera de adecuar la informacin a las caractersti-cas de una regin dada.

La influencia de la temperatura en la cons-tante de biodegradacin (k) puede ser estimadapor una expresin desarrollada por Phelps basa-do en la teora de Vant Hoff-Arrhenius (Rivas Mi-jares).

d k

dt

E

RT

ln 2

Cuya integracin dara,

ln( )kT

kT

E T T

RT T2

1

2 1

2 1

o en base 10

log( )

,kT

kT

E T T

RT T2

1

2 1

2 123

;

llamando NE

RT T

23 2 1,

log ( )kT

kTN T T2

12 1 ;

kT

kTN T T2

1

10 2 1 ( )

Considerando a N = Cte

kT

kTT T2

1

2 1

( )

Para el caso de la DBO toma la forma bas-tante utilizada kT k T2 20

201047 ( . ) .


Determinacin de parmetros cinticos de la ecuacin de la DBO en efluentes industriales 23

El efecto de la concentracin de materia or-gnica sobre la biodegradabilidad puede obser-varse al considerar que la cintica de dicha trans-formacin procede como una reaccin de orden 1:

dL

dtkL

dando la expresin integrada lnL

LkT T .

Siendo Y materia orgnica oxidada y LTmateria orgnica por oxidar; haciendo los arre-glos necesarios se tiene Y = L (1ekt) o en base 10Y = L (110kt)

Sawyer y col. Estudiaron las tasas de lasoxidaciones bioqumicas. Por ejemplo el valor dela tasa de reaccin k a 20C, para aguas residua-les fue establecido en Estados Unidos e Inglate-rra como k = 0.10. Sin embargo, pronto se descu-bri que el valor de k variaba con diferentes tiposde desperdicios y con la temperatura. La Tabla 1,muestra varios valores de porcentajes de DBOejercido, en funcin del tiempo y de k [6].

Esta investigacin se fundamenta en la ne-cesidad de crear una base de datos regional, queproporcione informacin en cuanto a las cons-tantes cinticas ajustadas al clima local que per-mitan dimensionar las instalaciones de trata-miento de agua residuales; medir la eficacia dealgunos procesos de tratamiento y controlar elcumplimiento de las limitaciones a que estn su-

jetos los vertidos a cuerpos de aguas. Al disponerde valores propios de la regin se podran mejorarlos diseos de futuras plantas de tratamientos deaguas residuales.

Parte Experimental

Sitios de muestreos

La toma de muestras se realiz directamen-te de las descargas de agua residual de cada in-dustria. Los muestreos se realizaron semanal-mente por un perodo de 4 meses. Tomando encuenta la operatividad de la planta, los horariosde muestreo escogidos fueron entre las siete ynueve de la maana.

Recoleccin y anlisis de muestras

Las muestras se recolectaron en recipien-tes plsticos de un litro, con tapas hermticaspara evitar en lo posible el intercambio de oxge-no con el medio ambiente. Se colocaron dentro deuna cava refrigerada, aproximadamente a 4C,inmediatamente se trasladaron al laboratorio yse analizaron.

Procedimiento analtico

Cada uno de los anlisis se realiz siguien-do la metodologa establecida por el StandardMethods de la APHA (1999) [6].


24 Isea y col.

Tabla 1Tabla mostrando los porcentajes de DBO ejercido

Porcentaje de la DBO total ejercido

Tiempo (das) k = 0,05 k = 0,10 k = 0,15 k = 0,22 k = 0,25

1 10,9 20,6 29,2 36,9 43,8

2 20,6 37,0 50,0 60,0 68,0

3 29,6 50,0 64,0 75,0 82,0

4 37,0 60,0 75,0 84,0 90,0

5 44,0 68,0 82,0 90,0 94,0

6 50,0 75,0 87,0 94,0 97,0

7 55,0 80,0 91,0 96,0 98,0

10 68,0 90,0 97,0 99,0 99,0

20 90,2 99,0 > 99,0 > 99,0 > 99,0Fuente: Sawyer et al. 1967.

La determinacin de DQO se realiz me-diante el mtodo Standard 5220-D, mtodo colo-rimtrico Reflujo Cerrado [6].

La determinacin de la DBO se desarrollde acuerdo al procedimiento estndar 5210-B,Prueba de DBO a los 5 das, la determinacin deloxgeno se realiz a travs del mtodo estndar4500-O-C modificado de azida. Los ensayos serealizaron empleando dos temperaturas de incu-bacin 20 y 35C a fin de establecer su influenciaen los parmetros cinticos de la DBO. Estastemperaturas fueron seleccionadas consideran-do que la temperatura de la regin varia dentrode ese rango. Cada ensayo se ejecut durante unperodo de incubacin de diez das, para un totalde siete ensayos para cada industria. Para elclculo de la DBO a los diferentes tiempos de in-cubacin se aplic:

DBOD D f B B

pn

( ) ( )2 1 2 1 (1)

donde:

D2 : OD inicial en la muestra diluida.

D1 : OD final en la muestra diluida.

B2 : OD en el inculo (inicial).

B1 : OD final en el inculo.

p : fraccin decimal de la muestra en la dilu-cin.

n : perodo de incubacin

f : razn de inculo en la muestra a inculo enel control.

Como inculo fue utilizado sobrenadantesde reactores por carga alimentadas con efluentesde las industrias estudiadas.

Resultados y Discusin

En la Tabla 2 se muestran los valores pro-medio de la Demanda Qumica de Oxgeno(DQO), realizada previamente al clculo de laDBO; estos valores slo fueron una herramientautilizada para estimar en que proporcin se harala dilucin de la muestra a ensayar.

Las Tablas 3 y 4 muestran los valores pro-medios de DBO, obtenidos experimentalmente,de una industria de bebidas gaseosas y de unaindustria lctea respectivamente.



Tabla 2Valores promedio de DQO para cada

industria

Industria DQO (mg/L)

Gaseosa 810

Lctea 23500

Tabla 3Valores puntuales de DBO (mg/L)

en una industria de bebidas gaseosasde la Regin Zuliana medidos a distintas

temperaturas

Das 20C 35C

1 168 264

2 242 356

3 318 426

4 388 473

5 447 511

6 490 546

7 520 572

8 536 595

9 544 608

10 553 618

Tabla 4Valores puntuales de DBO (mg/L)

en una industria lctea de la reginZuliana medidas a distintas

y temperaturas

Das 20C 35C

1 2617 6094

2 3874 7466

3 6741 8294

4 7017 9294

5 7789 10294

6 8700 10929

7 9557 11186

8 10414 11271

9 10929 11414

10 11014 11586

Se puede notar que la DBO va aumentandoa medida que pasan los das, esto se debe a quehay un consumo continuo de oxgeno disuelto; deigual forma se observa que los valores obtenidosa una temperatura de incubacin de 35C sonmayores que a 20C; la marcada diferencia entrelos valores de DBO, se debe al hecho de que a ma-yor temperatura se acelera el consumo de oxige-no disuelto, debido a una mayor actividad bacte-riana y en consecuencia un mayor requerimientode energa necesaria para el crecimiento y la re-produccin de las bacterias.

Al comparar los valores para la industrialctea (Tabla 4) con los de la industria de bebidasgaseosa (Tabla 3) se observa que los primeros sonmayores; esto se debe a que la industria lcteaprocesa medio apropiado para la proliferacin demicroorganismos (medio ideal), siendo un ali-mento completo caracterizado por la presenciade nutrientes mayormente biodegradables, esdecir, materia orgnica en esencia; no existiendo,a excepcin del momento en que se realiza lim-pieza, productos inhibidores que puedan impedirla accin de los microorganismos.

A diferencia de las industrias lcteas, la ela-boracin de bebidas carbonatadas implica la uti-lizacin de cidos como el cido fosfrico y condi-ciones de variacin de temperaturas que puedenaletargar el desarrollo bacteriano. Aun cuando elproducto sea rico en nutrientes, procesos alter-nos de enfriamiento y calentamiento durante suelaboracin, el alto contenido de azcar en losmismos y pH bajos, son condiciones desfavora-

bles para la proliferacin de bacterias [7]. A todoesto debe sumarse el uso de sustancias secretascomo parte de la frmula, que bien pueden conte-ner sustancias inhibidoras de la actividad micro-biana. Todo lo anteriormente expuesto trae comoconsecuencia una disminucin notoria en los re-sultados de la DBO para la industria de bebidasgaseosas.

En las Tablas 5 y 6, se presentan los valoresobtenidos para k y L por el mtodo de la pendien-te de Thomas para la industria de bebidas gaseo-sa y la industria lctea respectivamente. Comoera de esperarse tanto los valores de k como losde L aumentan con el incremento de la tempera-tura, es decir, que la velocidad con que los mi-croorganismos encargados de la estabilizacin dela materia orgnica consumen el oxigeno disueltoes directamente proporcional a su temperatura;lo antes expuesto tambin se fundamenta en laecuacin de Arrthenius que establece: k =AeEa/RT, es decir, que a mayor temperatura ma-yor velocidad de reaccin [8]. Puede observarseque los valores para la industria lctea, son ma-yores que para la industria gaseosa; esto se debea que el agua residual de la industria Lctea po-see una mayor carga orgnica, en consecuencialos valores de la velocidad de biodegradacin (k) ylos de la demanda ltima (L) son mayores a losobtenidos para la industria de bebidas gaseosas.

Las Tablas 7 y 8, muestran los valores de ky L obtenidos por el mtodo grfico de Thomas.Los resultados sigue el mismo comportamientoobservado por el mtodo de la pendiente de Tho-


26 Isea y col.

Tabla 5Valores de K y L por el mtodo de la pendiente de Thomas, en una industria de bebidas

gaseosas de la Regin Zuliana

Muestreos 20C 35C

ke k10 L ke k10 L

1 0,15 0,07 701 0,39 0,17 762

2 0,15 0,07 732 0,44 0,19 780

3 0,16 0,07 727 0,41 0,18 775

4 0,15 0,07 736 0,39 0,17 769

5 0,16 0,07 742 0,41 0,18 790

6 0,14 0,06 713 0,44 0,19 772

7 0,16 0,07 738 0,41 0,18 771



Tabla 6Valores de K y L por el mtodo de la pendiente de Thomas, en una industria lctea

de la Regin Zuliana

Muestreos 20C 35C

ke k10 L ke k10 L

1 0,18 0,08 11587 0,46 0,20 12898

2 0,19 0,08 12304 0,48 0,21 12973

3 0,19 0,08 12235 0,51 0,22 12953

4 0,18 0,08 11673 0,46 0,20 12863

5 0,19 0,08 12298 0,46 0,20 12994

6 0,18 0,08 11643 0,48 0,21 12803

7 0,19 0,08 12343 0,48 0,21 12908

Tabla 7Valores de K y L por el mtodo grfico de Thomas, en una industria de bebidas gaseosas

de la Regin Zuliana

Muestreos 20C 35C

ke k10 L ke k10 L

1 0,14 0,06 632 0,44 0,19 778

2 0,16 0,07 690 0,44 0,19 698

3 0,14 0,06 730 0,41 0,18 781

4 0,15 0,07 763 0,39 0,17 774

5 0,16 0,07 763 0,44 0,19 787

6 0,16 0,07 763 0,41 0,18 789

7 0,14 0,06 732 0,41 0,18 789

Tabla 8Valores de K y L por el mtodo grfico de Thomas, en una industria lctea

de la Regin Zuliana

Muestreos 20C 35C

ke k10 L ke k10 L

1 0,19 0,08 12582 0,46 0,20 12964

2 0,18 0,08 11974 0,46 0,20 12945

3 0,18 0,08 12026 0,48 0,21 13244

4 0,19 0,08 12473 0,46 0,20 12887

5 0,19 0,08 12242 0,51 0,22 13321

6 0,19 0,08 12391 0,51 0,21 13308

7 0,18 0,08 11961 0,51 0,21 13226

mas. Este comportamiento fue observado porSawyer y colaboradores en su estudio del efectode la constante de reaccin k sobre la DBO [5].

Las Tablas 9 y 10, muestran los parmetrosestadsticos aplicados en la determinacin de laprecisin existente entre el mtodo de la pendien-te de Thomas y el mtodo grfico de Thomas, enambas industrias.

Del anlisis de estas Tablas y considerandoel coeficiente de variacin se desprende que elmtodo de la pendiente de Thomas aporta una in-formacin ms uniforme para ambas industrias;puede considerarse como no optimo los resulta-dos con la aplicacin del mtodo grfico de Tho-mas particularmente para la industria de bebi-das gaseosas.

En la Tabla 11 puede verse la biodegradabi-lidad de las aguas residuales estudiadas lo cualmuestra la uniformidad con la informacin su-ministrada en la Tabla 1.

En las Figuras 1-4 se observan las curvasobtenidas por el mtodo grfico de Thomas, tantopara la industria de bebidas gaseosas como para

la industria lctea. Es importante aclarar que seilustra uno de los siete muestreos realizados paracada industria. De dichas figuas puede extraerselo siguiente:

En los primeros das de incubacin se llevaa cabo una fase denominada Fase de retardo; espor esto que al principio se observa una falta delinealidad, particularmente en la industria de be-bidas gaseosas. De igual forma en los ltimosdas de incubacin se da la fase denominadaFase Estacionaria [9, 10].

Conclusiones

La velocidad de consumo de oxgeno disuel-to se ve acelerada a medida que aumenta la tem-peratura, hasta los lmites aceptados por el tipode bacteria utilizada; de tal manera que el valorde la constante de biodegradacin (k) aumenta alaumentar la temperatura de incubacin, dentrode dicho rango.

Al tener mayor carga orgnica en el agua re-sidual, la DBO se incrementar notoriamente, yen consecuencia los parmetros cinticos tam-


28 Isea y col.

Tabla 9Parmetros estadsticos a los mtodos seleccionados, en una industria de bebidas gaseosas

de la Regin Zuliana

Parmetros

Mtodo pendiente de Thomas Mtodo grfico de Thomas

20C 35C 20C 35C

k10 L k10 L k10 L k10 L

x 0,07 727 0,18 774 0,07 724 0,18 771

s 0,004 14,8 0,008 9 0,005 49 0,007 33

CV (%) 5,7 2,0 4,4 1,2 7,6 6,7 4,4 4,2

Tabla 10Parmetros estadsticos a los mtodos seleccionados, en una industria lctea

de la Regin Zuliana

Parmetros Mtodo pendiente de Thomas Mtodo grfico de Thomas

20C 35C 20C 35C

k10 L k10 L k10 L k10 L

x 0,08 12012 0,21 12913 0,08 12235 0,21 13127

s 0 355 0,008 66 0 254 0,008 188

CV (%) 0 3,0 3,8 0,5 0 2,1 3,6 1,4



Figura 1. Mtodo grfico de Thomas en la Industria de Bebidas Gaseosas a 20C.

Figura 2. Mtodo grfico de Thomas en la Industria de Bebidas Gaseosas a 35C.

Tabla 11Parmetros estadsticos a los mtodos seleccionados, en una industria lctea

de la Regin Zuliana

t Industria de Bebidas Gaseosas Industria Lctea

20C, k = 0,07 35C, k = 0,18 20C, k = 0,08 35C, k = 0,21

1 14,9 33,9 18,8 38,3

2 27,5 56,3 30,8 62,0

3 38,3 71,2 42,4 76,6

4 47,5 80,9 52,1 85,5

5 55,3 87,4 60,2 91,1

6 62,0 90,8 66,9 94,5

7 67,6 94,5 72,5 96,6

10 80,0 98,4 84,2 99,2

20 96,0 > 99,9 97,7 > 99,9

bin lo harn, dependiendo de la materia orgni-ca presente en dicha agua.

El valor de la demanda ltima (L), es mayoral aumentar la temperatura de incubacin; por lotanto es importante determinar estos valores a latemperatura de la zona de estudio, la cual en estecaso es de clima tropical.

Al observar los resultados obtenidos por losmtodos seleccionados para determinar k y L enaguas residuales industriales, se concluye quelos mtodos de la pendiente de Thomas y el grfi-co de Thomas se ajustan perfectamente al anli-sis realizado; caso contrario sucede con el mto-do de Fujimoto, ya que no es aplicable para el es-tudio de este tipo de agua residual.

Los valores de las constantes k y L depen-den y se ven afectados por la temperatura, con-centracin y naturaleza de la materia orgnicapresente en el agua residual.

Agradecimiento

Los autores agradecen al Centro de Investi-gacin del Agua por el financiamiento aportado ya las industrias que permitieron el acceso a susinstalaciones para la realizacin de este estudio.

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30 Isea y col.

Figura 3. Mtodo grfico de Thomas en la Industria Lctea a 20C.

Figura 4. Mtodo grfico de Thomas en la Industria Lctea a 35C.

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Recibido el 30 de Junio de 2007

En forma revisada el 31 de Julio de 2008



kinetic parameters determination that rule the bod equation of water sewage

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