¿Cuál es el principio del aparato BOD por método manométrico?

Una de las cosas más importantes es monitorear la calidad del agua para proteger el medio ambiente y la salud pública, lo cual implica la realización de pruebas de Demanda Bioquímica de Oxígeno (DBO). La prueba de DBO es importante porque indica el grado de contaminación orgánica en el agua en función de la cantidad de oxígeno consumido por los microorganismos presentes en el agua al descomponer la materia orgánica. El método manométrico es uno de los métodos más populares para la prueba de DBO debido a su fiabilidad y facilidad de uso. Actualmente, el equipo para la medición de DBO por método manométrico se encuentra en muchos laboratorios, instalaciones de monitoreo ambiental e instalaciones industriales en todo el mundo. Este artículo explicará los principios fundamentales de este equipo, su método de operación, características y funciones, para que pueda comprenderlo al máximo.

Los Fundamentos de la DBO

Antes de analizar los principios de los métodos manométricos del aparato para DBO, necesitamos explicar los principios fundamentales detrás del significado de DBO. DBO significa consumo biológico de oxígeno en un cuerpo de agua. Cuando existen materiales orgánicos, como proteínas, carbohidratos y grasas, presentes en el agua, ciertas bacterias y hongos aprovechan esos compuestos orgánicos y los descomponen para obtener energía y nutrientes. Esta descomposición consume oxígeno, y la cantidad de oxígeno utilizada en un período determinado (normalmente 5 días a 20 °C, conocido como DBO5) es lo que denominamos DBO.

Otros indicadores también sugieren lo que significan los valores de DBO. Altos valores de DBO indican la presencia de grandes cantidades de contaminantes orgánicos en el agua. Si estos contaminantes orgánicos no se regulan, el oxígeno disuelto en el agua se agota. Esto se conoce como hipoxia/anoxia. Esto es peligroso para los organismos acuáticos como peces y camarones, y para el ecosistema acuático en su conjunto. Bajos valores de DBO indican un nivel reducido de contaminantes orgánicos en el agua y que el agua misma es relativamente limpia. Como resultado, la precisión de la prueba de DBO es un paso esencial para determinar la calidad del agua, elaborar estrategias para controlar la contaminación y diseñar el ecosistema para cumplir con las condiciones ambientales deseadas.

Método manométrico

El aparato para el método manométrico de DBO funciona debido a la relación entre el consumo de oxígeno y la disminución de presión en un sistema cerrado. Cuando la materia orgánica se descompone por microorganismos en un sistema cerrado, se consume oxígeno y se produce dióxido de carbono (CO₂). Si el sistema cerrado cuenta con un sumidero de CO₂ (es decir, un sistema que elimina el CO₂ del recipiente, permitiéndonos así despreciar esa parte de la reacción), el único cambio en el sistema cerrado será una disminución de presión debida al consumo de oxígeno. La pérdida de presión puede traducirse al volumen de oxígeno consumido, equiparando el volumen de oxígeno en el sistema a la DBO de la muestra.

El método manométrico, a diferencia de varias otras metodologías que potencialmente requerirían una titulación o el uso de un sensor electroquímico para medir el consumo de oxígeno, traduce más bien el consumo de oxígeno en una disminución de la presión a través de un sistema cerrado. Esto no solo simplifica una gran parte de la secuencia operativa, sino que también garantiza que el método será preciso y estable, en comparación con otros métodos, durante el período de medición de DBO que puede variar desde 1 hasta 30 días.

Cómo funciona paso a paso el aparato manométrico para DBO

El aparato manométrico para DBO sigue una secuencia lógica de pasos, desde la preparación de la muestra hasta el cálculo de los datos. El procedimiento avanza en una secuencia lógica:

Los primeros pasos en la recolección y preparación de muestras son fundamentales. Se toman muestras de agua y se colocan en botellas estériles de incubación. Los microorganismos son importantes en el proceso de degradación de la materia orgánica. Por ello, algunas muestras necesitan microorganismos indígenas adicionales (especialmente en aguas residuales industriales altamente tratadas). En este caso, se añade un inóculo adecuado (que contiene microorganismos activos) para garantizar que el proceso de descomposición pueda llevarse a cabo. Luego, la muestra se diluye a una concentración adecuada para que haya suficiente oxígeno disponible para la actividad microbiana y no se agote durante todo el período de incubación.

Luego, la botella de incubación se cierra herméticamente para formar un sistema cerrado. La mayoría de los aparatos manométricos para DBO incluyen un absorbente de CO₂. En este caso, se trata de una sustancia química (hidróxido de sodio (NaOH) o hidróxido de potasio (KOH)) colocada en un pequeño compartimento del sistema sellado. Este absorbente es eficaz para capturar el CO₂ producido durante la descomposición microbiana y evita que se acumule el CO₂, subproducto de la actividad microbiana, lo cual aumentaría la presión dentro de la botella.

La determinación de la DBO depende del funcionamiento adecuado de organismos microbianos, por lo que la botella de incubación sellada se coloca en un incubador con temperatura constante ajustado a 20 °C, que es la más adecuada para la actividad microbiana. El período de incubación más común es de 5 días (es decir, DBO5), aunque en algunos casos puede requerirse un período más largo, hasta 30 días, para obtener resultados exhaustivos.

Durante la incubación, los microorganismos descomponen la materia orgánica (que en este caso es el cebo) mientras consumen oxígeno interno y producen CO2. El CO2 es absorbido por el absorbente y la presión interna de la botella sellada disminuye. El aparato manométrico de DBO está equipado con manómetros y transductores que registran los cambios de presión. Estos registros muestran los cambios a lo largo del tiempo.

Para obtener el valor de DBO, calculamos la pérdida de presión. La caída de presión es directamente proporcional a la cantidad de oxígeno utilizado. El dispositivo o el software acompañante utiliza la ecuación del gas ideal para calcular la pérdida de oxígeno, la cual luego se convierte en DBO. La DBO generalmente se expresa en unidades parciales o en mg/L. El cálculo se basa en el volumen de la muestra, la temperatura de incubación y la presión atmosférica para obtener resultados de alta calidad.

Características de los dispositivos manométricos de DBO de buena calidad.

No todos los dispositivos manométricos de DBO son iguales. Los dispositivos de alta calidad tienen características particulares que los distinguen en cuanto a rendimiento y experiencia de usuario. Estas características se han perfeccionado durante años de experiencia en el campo y de iteraciones del producto para lograr un rendimiento óptimo en usos diversos.

Una de las características más importantes es la capacidad multiposición del dispositivo. Muchos manómetros de DBO desarrollados recientemente tienen varias posiciones de incubación (por ejemplo, 12), de modo que se pueden analizar varios conjuntos de muestras simultáneamente. Esto ahorra mucho tiempo en los ensayos, ya que muchos laboratorios y otras instalaciones deben trabajar con grandes cantidades de conjuntos de muestras.

Otra característica crucial es la estabilidad a largo plazo. Dado que las pruebas de DBO duran aproximadamente 30 días, el aparato debe funcionar de manera constante durante todo el período de incubación. Los instrumentos de calidad utilizan materiales resistentes en los sistemas herméticos para protegerse contra la pérdida de aire, lo que permite que los sistemas autónomos midan la presión con precisión durante largos períodos de tiempo. Los transductores de presión también están ajustados de forma que mantienen la misma sensibilidad y exactitud en sus mediciones durante mucho tiempo.

Otras características avanzadas muy valoradas incluyen la automatización y el registro de datos. Los aparatos modernos de DBO manométrico suelen estar equipados con funciones de registro de datos, que registran automáticamente los cambios de presión en intervalos de tiempo especificados por el usuario. Este paso evita al operador la entrada manual de datos, reduce errores de transcripción y simplifica la presentación y el análisis de datos. Algunos dispositivos cuentan con características adicionales para facilitar el procesamiento de datos hacia computadoras o sistemas de gestión de datos de laboratorio (LIMS).

Otra ventaja es la capacidad de procesar una variedad de tipos de muestras. Los aparatos manométricos de DBO de calidad pueden procesar diferentes tipos de muestras de agua, desde aguas residuales industriales y aguas negras municipales hasta aguas superficiales y subterráneas. Pueden optimizarse para distintos casos de prueba mediante la variación del volumen de muestra y las relaciones de dilución. Una característica clave en la preparación de muestras es el uso de reactivos y consumibles prefabricados (como absorbentes especializados de CO₂ y frascos de incubación estériles), lo que también garantiza la uniformidad de los ensayos.

Usos prácticos de los aparatos manométricos de DBO

La fiabilidad y precisión de los aparatos manométricos de DBO permiten una amplia gama de aplicaciones en diversos campos. Algunas de las aplicaciones más comunes incluyen:

En Protección Ambiental, las organizaciones gubernamentales y no gubernamentales utilizan el aparato manométrico de DBO para evaluar la calidad del agua superficial (ríos, lagos y embalses) y subterránea. La prueba de DBO de manera consistente ayuda a evaluar y monitorear cambios en los niveles de contaminación, detectar y documentar el cumplimiento de las medidas de control de la contaminación, y evaluar la calidad general del agua. Esto es esencial para proteger los ecosistemas y garantizar la seguridad de las fuentes de agua potable.

En el sector industrial, el aparato manométrico de DBO también es un consumidor importante. Las industrias de alimentos y bebidas, farmacéutica, textil y fabricación química generan aguas residuales orgánicas y requieren la monitorización del DBO manométrico. El DBO manométrico se utiliza para evaluar los niveles de DBO en las aguas residuales de entrada (producción) y de salida (descarga). Con el fin de asegurar que las aguas residuales afecten mínimamente al medio ambiente y prevenir sanciones operativas industriales y ambientales. Las mismas tecnologías ofrecen el tratamiento de aguas residuales y cumplen con las responsabilidades ambientales para numerosos clientes industriales.

Además de las aplicaciones industriales, muchas plantas municipales (o públicas) de tratamiento de aguas residuales también dependen de dispositivos manométricos de medición de DBO. Estas plantas analizan los valores de DBO para evaluar la eficiencia general de los procesos de tratamiento realizados en la criba primaria, el tratamiento primario, el tratamiento secundario (biológico) y la desinfección final. Mediante la medición de la DBO del agua residual tratada y de la que se descarga posteriormente, el operador de la planta puede modificar los parámetros de control del tratamiento (por ejemplo, la tasa de aireación, el tiempo de retención de lodos) para optimizar el proceso y cumplir con los estándares exigidos para el efluente final descargado por la planta.

Algunas instituciones de investigación y educativas también emplean dispositivos manométricos para medir la DBO. Aplicaciones específicas pueden incluir el estudio de la descomposición de ciertos materiales orgánicos novedosos en el agua, la evaluación del rendimiento de nuevas tecnologías de tratamiento de aguas residuales o el grado de perturbación climática activa sobre la microbiología del agua. Estos dispositivos son la opción perfecta para la investigación porque requieren mediciones precisas y reproducibles.

Ventajas del uso del método manométrico para pruebas de DBO

Muchos usuarios de pruebas de DBO prefieren el método manométrico debido a las múltiples ventajas que ofrece frente a los métodos de dilución, titulación o electroquímicos.

La precisión y la fiabilidad son muy importantes. El método manométrico mide directamente el consumo de oxígeno mediante la medición de los cambios de presión. Esto elimina los errores en la titulación debidos a la determinación del punto final, así como los errores provenientes de sensores electroquímicos donde pueden surgir problemas por ensuciamiento o deriva en la calibración. Dado que el diseño del sistema es cerrado y con una absorción eficiente de CO₂, los cambios de presión se deben únicamente al consumo de oxígeno, obteniéndose así resultados consistentes y precisos.

Una ventaja es la simplicidad y facilidad de operación. El método manométrico simplifica el procedimiento, ya que el método de dilución implica pasos complejos de titulación y un manejo cuidadoso de productos químicos. El equipo asume el monitoreo y el registro de datos, de modo que una vez que la muestra está preparada y sellada, el aparato funciona con muy poco esfuerzo manual requerido. Esto lo hace adecuado tanto para técnicos experimentados como, con una formación muy básica, para operarios menos cualificados.

El método manométrico también es adecuado para el monitoreo a largo plazo. El equipo está diseñado para un rendimiento estable de datos durante largos períodos, hasta 30 días, lo que lo hace ideal para pruebas de DBO con tiempos prolongados de incubación. Esto resulta útil para evaluar la biodegradabilidad de contaminantes orgánicos persistentes o para monitorear los efectos a largo plazo de la contaminación en cuerpos de agua, lo cual es muy beneficioso.

Además, el método manométrico ofrece ahorros a largo plazo. Aunque los equipos manométricos de calidad para DBO son costosos, su operación es más económica que otros métodos y requieren poco mantenimiento. El uso de reactivos preelaborados y otros consumibles evita desperdicios y mejora la fiabilidad, mientras que el diseño multiposición agiliza las pruebas, reduciendo el tiempo y los recursos necesarios para procesar las muestras en el flujo de trabajo.

Factores recomendados de medición utilizando el equipo manométrico para DBO

Para utilizar el equipo manométrico y obtener mediciones satisfactorias de DBO, hay varios aspectos importantes que deben considerarse:

Para comenzar, obtenga una muestra representativa. En los procedimientos estándar de muestreo, es crucial evitar la contaminación y asegurarse de que la muestra represente todo el cuerpo de agua. Evite tomar muestras únicamente de la superficie o del fondo. En su lugar, tome muestras de diferentes profundidades y posiciones, y mézclelas todas antes de realizar las pruebas.

La dilución correcta de la muestra es muy importante. Si la DBO de la muestra es demasiado alta, el sistema cerrado perderá oxígeno demasiado rápido, lo que dará lugar a información incorrecta. Si, por el contrario, la DBO es demasiado baja, el cambio de presión será demasiado pequeño para que el sistema pueda medirlo con precisión. Utilice las proporciones de dilución como guía general según el rango de DBO de la muestra en consideración, y considere realizar pruebas previas para perfeccionar la dilución.

Mantenga la temperatura de incubación en un rango muy estricto. Los microorganismos dentro de la muestra son muy sensibles a la temperatura. Si la temperatura varía de los exactos 20 °C, afectará el resultado de DBO. Mantenga el incubador a una temperatura constante dentro de ±1 °C de la temperatura establecida y no coloque el incubador en lugares donde fluctúe la temperatura (ventanas, calefactores y refrigeradores).

Calibre el equipo periódicamente. Incluso los manómetros para DBO de buena calidad y fabricación profesional pierden precisión con el tiempo y requieren calibración. Siga las instrucciones del fabricante para calibrar el manómetro y el transductor utilizando gases estándar y muestras de referencia con DBO conocido. Haga esto al menos cada pocos meses, o con más frecuencia, dependiendo del uso del equipo.

Cuidado del absorbente de CO₂. El absorbente de CO₂ debe estar fresco para absorber adecuadamente el CO₂. Si el absorbente está degradado (señales como decoloración o formación de grumos), debe reemplazarse. El absorbente debe colocarse dentro del compartimento previsto, ya que los absorbentes nunca deben tocar la muestra, de lo contrario la muestra se contaminará y los resultados serán inutilizables.

Evitar fugas de aire en el sistema cerrado. Si el cierre del frasco de incubación tiene fugas o si el sello está dañado de alguna manera, el aire puede entrar al sistema y las lecturas de presión serán inexactas. Antes de la incubación, inspeccione el cierre para verificar que no tenga daños ni desgaste, así como también las válvulas. Asegúrese de que el cierre del frasco de incubación esté firmemente asegurado. Si se utilizan frascos reutilizables, es importante limpiarlos para eliminar cualquier material que pueda interferir con el sello después de cada uso.

Conclusión

El aparato BOD por el Método Manométrico es un excelente sistema de monitoreo de la calidad del agua basado en un principio estimable: el cambio en la presión debido al cambio medible de oxígeno disuelto durante la descomposición microbiana de la materia orgánica. La precisión de este método es inigualable, y es por eso que es el método preferido en el campo del monitoreo ambiental, el tratamiento industrial de aguas residuales, el tratamiento de aguas negras municipales e incluso en el ámbito académico. Para obtener el máximo rendimiento del aparato, es necesario comprender su principio de funcionamiento, sus características y cómo puede aplicarse prácticamente para obtener datos de DBO precisos y confiables, los cuales pueden ser fundamentales para la toma de decisiones.

Con la creciente preocupación por la contaminación del agua en todo el mundo, la necesidad de pruebas BOD precisas y eficientes sin duda aumentará. El aparato BOD por método manométrico es uno de los sistemas de monitoreo de calidad del agua con mejor tecnología y facilidad de uso, y será uno de los sistemas que ayudarán a salvar nuestros recursos hídricos. Dominar el aparato BOD manométrico es sumamente importante para ingenieros y/o investigadores que valoran el control de la contaminación y la gestión eficaz de la calidad del agua.