Kinetic parameters determination that rule the BOD equation of water sewage
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Rev. Téc. Ing. Univ. Zulia. Vol. 31, Edición Especial, 22 - 31, 2008
Kinetic parameters determination that rule
the BOD equation of water sewage
Daisy Isea, Luis Vargas, José Durán, Karla Pineda y José Delgado
Centro de Investigación del Agua (CIA), Facultad de Ingeniería, Universidad del Zulia,
Apartado Postal 526. Maracaibo, Venezuela.
daisyisea@yahoo.com/luisrvargasv@cantv.net/jdurang2005@hotmail.com.
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 of
effluents 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 being
a fundamental parameter having a great influence on such values. Obtaining the constant of
biodegradation, k, and the ultimate demand, L: it’s observed that only the Thomas Pending Method and
the Thomas Graphic Method are applicable for such type of water sewage, which means the Fujimoto
Graphic Method did not throw real results for the executed analysis. It is very important to emphasize on
organic matter concentration that each type of sewage has, since on this document a great difference on
values of obtained kinetic constants is noted, bearing in mind that for the soft drinks industry the values
of 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 greatly
bio-degradable, is created, which means, organic matter in essence.
Key words: Biochemical demand of oxigen, disolved oxygen, kinetic parameters of DBO.
Determinación de los parámetros cinéticos que rigen
la ecuación de la DBO en efluentes industriales
Resumen
Analizando los métodos convencionales para medir la potencia polucional de las aguas residuales,
la Demanda Bioquímica de Oxígeno (DBO) constituye, hasta el presente, el mejor criterio usado como pa-
rámetro para el control polucional en efluentes donde la carga orgánica debe ser restringida para mante-
ner niveles de oxígeno disuelto deseados. En este trabajo se determinan los parámetros cinéticos que ri-
gen la ecuación de la DBO, en aguas residuales de una industria láctea y una de bebidas gaseosas de la re-
gión zuliana, a través de la aplicación del método de la Pendiente de Thomas, el método Gráfico de Fujimo-
to y el método Gráfico de Thomas, tomando en cuenta la temperatura de la región, por ser un parámetro
fundamental que influye en la determinación de los mismos. Al obtener la constante de biodegradación, k,
y la demanda última, L, se observa que sólo los métodos de la pendiente y el gráfico de Thomas son aplica-
bles para este tipo de agua residual, concluyendo, que el método de Fujimoto no proporcionó resultados
satisfactorios para el análisis realizado. Es importante hacer énfasis en la concentración de materia orgá-
nica que posee cada tipo de agua residual, ya que se nota una gran diferencia en los valores de las cons-
tantes cinéticas obtenidas, teniendo que para la industria de bebidas gaseosas los valores de las constan-
tes son menores que para la industria láctea, y esto es consecuencia de que en esta última se procesa el
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medio ideal para la proliferación de microorganismos, mayormente biodegradables, es decir, materia or-
gánica biodegradable en esencia.
Palabras clave: Demanda bioquímica de oxígeno, oxígeno disuelto, parámetros cinéticos de la
DBO.
Introducción Los parámetros cinéticos que rigen la ecua-
ción de la DBO han sido estudiados por muchos
Las aguas residuales, son aguas portado- investigadores y se ha determinado que la tempe-
ras de residuos procedentes de residencias, insti- ratura es uno de los parámetros que influye so-
tuciones públicas, así como centros comerciales bre la constante de biodegradación (k) y sobre la
e industriales, a las que eventualmente pueden demanda última (L). Generalmente k y L son es-
agregarse aguas subterráneas, superficiales y tudiadas a una temperatura de 20°C. A esa tem-
pluviales [1]. La mayoría de las impurezas de las peratura y a cinco días (DBO5,20) son considera-
aguas residuales se transforman. Una pequeña dos óptimos porque es en esas condiciones que
parte de estas transformaciones son de naturale- se consume del 60 al 70% de la materia orgánica
za química, estando las demás relacionadas con [4]; sin embargo el estudio puede realizarse en
procesos biológicos, en éstas últimas, la relación otras condiciones de tiempo y temperatura a ma-
entre las sustancias contenidas en el agua resi- nera de adecuar la información a las característi-
dual y el oxígeno es fundamental. Una parte con- cas de una región dada.
siderable de las impurezas son de naturaleza or-
La influencia de la temperatura en la cons-
gánica; la contaminación orgánica se produce
tante de biodegradación (k) puede ser estimada
cuando grandes cantidades de compuestos orgá-
por una expresión desarrollada por Phelps basa-
nicos son liberados a los cuerpos de agua. Las
do en la teoría de Van´t Hoff-Arrhenius (Rivas Mi-
mayores fuentes de estos contaminantes son los
jares).
desechos domésticos, las descargas agropecua-
rias e industrias manufactureras de productos d ln k E
alimenticios, entre otras. Durante el proceso de =
dt RT 2
descomposición de la materia orgánica se utiliza
el oxígeno disuelto del agua receptora llegando a Cuya integración daría,
agotarlo y produciendo condiciones anóxicas [2].
kT 2 E (T 2 - T1 )
Se ha prestado mayor interés al tratamien- ln =
kT1 RT 2 ´ T1
to de aguas residuales industriales debido al au-
mento de la industrialización. Las propiedades fí-
o en base 10
sicas, químicas y biológicas de las aguas residua-
les industriales son tan variadas como la indus- kT 2 E (T 2 - T1 )
log = ;
tria misma; sin embargo, todo este conjunto de kT1 2,3RT 2 ´ T1
aguas deben ser asimiladas por la naturaleza
–ambiente– sin que ello suponga un perjuicio E
para la salud y el bienestar de los seres vivos [1]. llamando N =
2,3RT 2 ´ T1
De los parámetros convencionales utiliza-
dos para medir la potencia polucional de las aguas kT 2 kT 2 N (T -T )
residuales, la Demanda Bioquímica de Oxígeno log = N (T 2 - T1 ) ; = 10 2 1
kT1 kT1
(DBO) constituye, hasta el presente, el mejor pa-
rámetro para el control de polución en corrientes Considerando a N = Cte
donde la carga orgánica debe ser restringida para
mantener niveles de oxígeno disuelto deseados. kT 2 (T -T )
=q 2 1
Esta constituye la prueba principal aplicada a de- kT1
sechos domésticos e industriales para determinar
la potencia en términos de oxígeno disuelto re- Para el caso de la DBO toma la forma bas-
queridos para su estabilización [3]. tante utilizada kT 2 = k 20 (1047
. )T - 20 .
Rev. Téc. Ing. Univ. Zulia. Vol. 31, Edición Especial, 200824 Isea y col.
El efecto de la concentración de materia or- jetos los vertidos a cuerpos de aguas. Al disponer
gánica sobre la biodegradabilidad puede obser- de valores propios de la región se podrían mejorar
varse al considerar que la cinética de dicha trans- los diseños de futuras plantas de tratamientos de
formación procede como una reacción de orden 1: aguas residuales.
dL
= -kL Parte Experimental
dt
LT Sitios de muestreos
dando la expresión integrada ln = -kT .
L La toma de muestras se realizó directamen-
Siendo Y materia orgánica oxidada y L T te de las descargas de agua residual de cada in-
materia orgánica por oxidar; haciendo los arre- dustria. Los muestreos se realizaron semanal-
glos necesarios se tiene Y = L (1–e–kt) o en base 10 mente por un período de 4 meses. Tomando en
Y = L (1–10–kt) cuenta la operatividad de la planta, los horarios
Sawyer y col. Estudiaron las tasas de las de muestreo escogidos fueron entre las siete y
oxidaciones bioquímicas. Por ejemplo el valor de nueve de la mañana.
la tasa de reacción k a 20°C, para aguas residua-
les fue establecido en Estados Unidos e Inglate- Recolección y análisis de muestras
rra como k = 0.10. Sin embargo, pronto se descu-
Las muestras se recolectaron en recipien-
brió que el valor de k variaba con diferentes tipos
tes plásticos de un litro, con tapas herméticas
de desperdicios y con la temperatura. La Tabla 1,
para evitar en lo posible el intercambio de oxíge-
muestra varios valores de porcentajes de DBO
no con el medio ambiente. Se colocaron dentro de
ejercido, en función del tiempo y de k [6].
una cava refrigerada, aproximadamente a 4°C,
Esta investigación se fundamenta en la ne- inmediatamente se trasladaron al laboratorio y
cesidad de crear una base de datos regional, que se analizaron.
proporcione información en cuanto a las cons-
tantes cinéticas ajustadas al clima local que per-
Procedimiento analítico
mitan dimensionar las instalaciones de trata-
miento de agua residuales; medir la eficacia de Cada uno de los análisis se realizó siguien-
algunos procesos de tratamiento y controlar el do la metodología establecida por el Standard
cumplimiento de las limitaciones a que están su- Methods de la APHA (1999) [6].
Tabla 1
Tabla mostrando los porcentajes de DBO ejercido
Porcentaje de la DBO total ejercido
Tiempo (días) 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 > 99,0
Fuente: Sawyer et al. 1967.
Rev. Téc. Ing. Univ. Zulia. Vol. 31, Edición Especial, 2008Determinación de parámetros cinéticos de la ecuación de la DBO en efluentes industriales 25
La determinación de DQO se realizó me- Tabla 2
diante el método Standard 5220-D, método colo- Valores promedio de DQO para cada
rimétrico Reflujo Cerrado [6]. industria
La determinación de la DBO se desarrolló
de acuerdo al procedimiento estándar 5210-B, Industria DQO (mg/L)
Prueba de DBO a los 5 días, la determinación del Gaseosa 810
oxígeno se realizó a través del método estándar Láctea 23500
4500-O-C modificado de azida. Los ensayos se
realizaron empleando dos temperaturas de incu-
bación 20 y 35°C a fin de establecer su influencia Tabla 3
en los parámetros cinéticos de la DBO. Estas Valores puntuales de DBO (mg/L)
temperaturas fueron seleccionadas consideran- en una industria de bebidas gaseosas
do que la temperatura de la región varia dentro de la Región Zuliana medidos a distintas
de ese rango. Cada ensayo se ejecutó durante un temperaturas
período de incubación de diez días, para un total
de siete ensayos para cada industria. Para el Días 20°C 35°C
cálculo de la DBO a los diferentes tiempos de in- 1 168 264
cubación se aplicó:
2 242 356
( D - D1 ) - f ( B 2 - B1 ) 3 318 426
DBOn = 2 (1)
p 4 388 473
5 447 511
donde:
D2 : OD inicial en la muestra diluida. 6 490 546
D1 : OD final en la muestra diluida. 7 520 572
B2 : OD en el inóculo (inicial). 8 536 595
B1 : OD final en el inóculo. 9 544 608
p : fracción decimal de la muestra en la dilu- 10 553 618
ción.
n : período de incubación Tabla 4
f : razón de inóculo en la muestra a inóculo en Valores puntuales de DBO (mg/L)
el control. en una industria láctea de la región
Como inóculo fue utilizado sobrenadantes Zuliana medidas a distintas
de reactores por carga alimentadas con efluentes y temperaturas
de las industrias estudiadas.
Días 20°C 35°C
Resultados y Discusión 1 2617 6094
2 3874 7466
En la Tabla 2 se muestran los valores pro-
medio de la Demanda Química de Oxígeno 3 6741 8294
(DQO), realizada previamente al cálculo de la 4 7017 9294
DBO; estos valores sólo fueron una herramienta
5 7789 10294
utilizada para estimar en que proporción se haría
la dilución de la muestra a ensayar. 6 8700 10929
Las Tablas 3 y 4 muestran los valores pro- 7 9557 11186
medios de DBO, obtenidos experimentalmente, 8 10414 11271
de una industria de bebidas gaseosas y de una
industria láctea respectivamente. 9 10929 11414
10 11014 11586
Rev. Téc. Ing. Univ. Zulia. Vol. 31, Edición Especial, 200826 Isea y col.
Se puede notar que la DBO va aumentando bles para la proliferación de bacterias [7]. A todo
a medida que pasan los días, esto se debe a que esto debe sumarse el uso de sustancias secretas
hay un consumo continuo de oxígeno disuelto; de como parte de la fórmula, que bien pueden conte-
igual forma se observa que los valores obtenidos ner sustancias inhibidoras de la actividad micro-
a una temperatura de incubación de 35°C son biana. Todo lo anteriormente expuesto trae como
mayores que a 20°C; la marcada diferencia entre consecuencia una disminución notoria en los re-
los valores de DBO, se debe al hecho de que a ma- sultados de la DBO para la industria de bebidas
yor temperatura se acelera el consumo de oxige- gaseosas.
no disuelto, debido a una mayor actividad bacte- En las Tablas 5 y 6, se presentan los valores
riana y en consecuencia un mayor requerimiento obtenidos para k y L por el método de la pendien-
de energía necesaria para el crecimiento y la re- te de Thomas para la industria de bebidas gaseo-
producción de las bacterias. sa y la industria láctea respectivamente. Como
Al comparar los valores para la industria era de esperarse tanto los valores de k como los
láctea (Tabla 4) con los de la industria de bebidas de L aumentan con el incremento de la tempera-
gaseosa (Tabla 3) se observa que los primeros son tura, es decir, que la velocidad con que los mi-
mayores; esto se debe a que la industria láctea croorganismos encargados de la estabilización de
procesa medio apropiado para la proliferación de la materia orgánica consumen el oxigeno disuelto
microorganismos (medio ideal), siendo un ali- es directamente proporcional a su temperatura;
mento completo caracterizado por la presencia lo antes expuesto también se fundamenta en la
de nutrientes mayormente biodegradables, es ecuación de Arrthenius que establece: k =
decir, materia orgánica en esencia; no existiendo, Ae–Ea/RT, es decir, que a mayor temperatura ma-
a excepción del momento en que se realiza lim- yor velocidad de reacción [8]. Puede observarse
pieza, productos inhibidores que puedan impedir que los valores para la industria láctea, son ma-
la acción de los microorganismos. yores que para la industria gaseosa; esto se debe
A diferencia de las industrias lácteas, la ela- a que el agua residual de la industria Láctea po-
boración de bebidas carbonatadas implica la uti- see una mayor carga orgánica, en consecuencia
lización de ácidos como el ácido fosfórico y condi- los valores de la velocidad de biodegradación (k) y
ciones de variación de temperaturas que pueden los de la demanda última (L) son mayores a los
aletargar el desarrollo bacteriano. Aun cuando el obtenidos para la industria de bebidas gaseosas.
producto sea rico en nutrientes, procesos alter- Las Tablas 7 y 8, muestran los valores de k
nos de enfriamiento y calentamiento durante su y L obtenidos por el método gráfico de Thomas.
elaboración, el alto contenido de azúcar en los Los resultados sigue el mismo comportamiento
mismos y pH bajos, son condiciones desfavora- observado por el método de la pendiente de Tho-
Tabla 5
Valores de K y L por el método de la pendiente de Thomas, en una industria de bebidas
gaseosas de la Región Zuliana
Muestreos 20°C 35°C
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
Rev. Téc. Ing. Univ. Zulia. Vol. 31, Edición Especial, 2008Determinación de parámetros cinéticos de la ecuación de la DBO en efluentes industriales 27
Tabla 6
Valores de K y L por el método de la pendiente de Thomas, en una industria láctea
de la Región Zuliana
Muestreos 20°C 35°C
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 7
Valores de K y L por el método gráfico de Thomas, en una industria de bebidas gaseosas
de la Región Zuliana
Muestreos 20°C 35°C
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 8
Valores de K y L por el método gráfico de Thomas, en una industria láctea
de la Región Zuliana
Muestreos 20°C 35°C
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
Rev. Téc. Ing. Univ. Zulia. Vol. 31, Edición Especial, 200828 Isea y col.
mas. Este comportamiento fue observado por la industria láctea. Es importante aclarar que se
Sawyer y colaboradores en su estudio del efecto ilustra uno de los siete muestreos realizados para
de la constante de reacción k sobre la DBO [5]. cada industria. De dichas figuas puede extraerse
Las Tablas 9 y 10, muestran los parámetros lo siguiente:
estadísticos aplicados en la determinación de la En los primeros días de incubación se lleva
precisión existente entre el método de la pendien- a cabo una fase denominada “Fase de retardo”; es
te de Thomas y el método gráfico de Thomas, en por esto que al principio se observa una falta de
ambas industrias. linealidad, particularmente en la industria de be-
Del análisis de estas Tablas y considerando bidas gaseosas. De igual forma en los últimos
el coeficiente de variación se desprende que el días de incubación se da la fase denominada
método de la pendiente de Thomas aporta una in- “Fase Estacionaria” [9, 10].
formación más uniforme para ambas industrias;
puede considerarse como no optimo los resulta- Conclusiones
dos con la aplicación del método gráfico de Tho-
mas particularmente para la industria de bebi- La velocidad de consumo de oxígeno disuel-
das gaseosas. to se ve acelerada a medida que aumenta la tem-
peratura, hasta los límites aceptados por el tipo
En la Tabla 11 puede verse la biodegradabi- de bacteria utilizada; de tal manera que el valor
lidad de las aguas residuales estudiadas lo cual de la constante de biodegradación (k) aumenta al
muestra la uniformidad con la información su- aumentar la temperatura de incubación, dentro
ministrada en la Tabla 1. de dicho rango.
En las Figuras 1-4 se observan las curvas Al tener mayor carga orgánica en el agua re-
obtenidas por el método gráfico de Thomas, tanto sidual, la DBO se incrementará notoriamente, y
para la industria de bebidas gaseosas como para en consecuencia los parámetros cinéticos tam-
Tabla 9
Parámetros estadísticos a los métodos seleccionados, en una industria de bebidas gaseosas
de la Región Zuliana
Parámetro Método pendiente de Thomas Método gráfico de Thomas
s
20°C 35°C 20°C 35°C
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 10
Parámetros estadísticos a los métodos seleccionados, en una industria láctea
de la Región Zuliana
Parámetros Método pendiente de Thomas Método gráfico de Thomas
20°C 35°C 20°C 35°C
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
Rev. Téc. Ing. Univ. Zulia. Vol. 31, Edición Especial, 2008Determinación de parámetros cinéticos de la ecuación de la DBO en efluentes industriales 29
Tabla 11
Parámetros estadísticos a los métodos seleccionados, en una industria láctea
de la Región Zuliana
t Industria de Bebidas Gaseosas Industria Láctea
20°C, k = 0,07 35°C, k = 0,18 20°C, k = 0,08 35°C, 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
Figura 1. Método gráfico de Thomas en la Industria de Bebidas Gaseosas a 20°C.
Figura 2. Método gráfico de Thomas en la Industria de Bebidas Gaseosas a 35°C.
Rev. Téc. Ing. Univ. Zulia. Vol. 31, Edición Especial, 200830 Isea y col.
Figura 3. Método gráfico de Thomas en la Industria Láctea a 20°C.
Figura 4. Método gráfico de Thomas en la Industria Láctea a 35°C.
bién lo harán, dependiendo de la materia orgáni- Agradecimiento
ca presente en dicha agua.
El valor de la demanda última (L), es mayor Los autores agradecen al Centro de Investi-
al aumentar la temperatura de incubación; por lo gación del Agua por el financiamiento aportado y
tanto es importante determinar estos valores a la a las industrias que permitieron el acceso a sus
temperatura de la zona de estudio, la cual en este instalaciones para la realización de este estudio.
caso es de clima tropical.
Al observar los resultados obtenidos por los
Referencias Bibliográficas
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