Para comenzar definiremos a la carga orgánica como el contenido de compuestos de carbono en un efluente, cualquiera sea su origen. Dichos compuestos de carbono son estructuras químicas (moléculas) donde el carbono está enlazado a hidrógeno y otros elementos como azufre, oxígeno, nitrógeno, fósforo y cloro, entre otros. No existe una estructura única y la cantidad de átomos de carbono puede variar de uno, como en el caso del metano, hasta millones, como en el ADN. Por tal motivo, la materia orgánica presentará diferentes propiedades fisicoquímicas (compuestos inertes, reactivos, lábiles) y toxicológicas (compuestos inocuos, tóxicos, de efecto indirecto, agudo, acumulativo) y, cada uno de estos compuestos o familias, responderá de modo diferente de acuerdo con los métodos de medición utilizados, produciendo además diversos efectos sobre el medio ambiente.

El exceso de materia orgánica en un cuerpo de agua, ya sea por un volcado industrial o urbano, tiene como efecto el agotamiento del oxígeno disuelto. Este proceso está dado por la metabolización de la materia orgánica externa, por acción de las bacterias, que reduce el nivel de oxígeno con la consecuente pérdida de la vida que se desarrolla naturalmente en ese cuerpo de agua.

“La medición del oxígeno disuelto, puede tomarse como un indicador de la calidad de un cuerpo de agua”

La Demanda Bioquímica de Oxígeno

A partir de 1884 se comenzó a estudiar la relación entre la actividad microbiológica y el oxígeno disuelto (OD) y, en 1936, se estableció la medición de demanda bioquímica de oxígeno (DBO) como método estándar. La DBO permite obtener un índice de la cantidad de oxígeno disuelto consumida por los microorganismos en el proceso de degradación de la materia orgánica y se expresa en miligramos de oxígeno por litro (mg/L) o partes por millón (ppm).

El método de dilución estandarizado SM5210B DBO5 consiste en la incubación de las muestras en la oscuridad, durante 5 días, a 20ºC. El procedimiento consiste en medir el oxígeno disuelto en el momento inicial y la consecuente caída al día 5, por acción de los microorganismos presentes. Para ello requiere la utilización de frascos especiales de 300ml., una incubadora y reactivos nutrientes, inoculantes e inhibidores, según el caso. Este método implica que, para tomar una decisión sobre el volcado y/o la optimización de un determinado proceso de tratamiento, se requieren 5 días, a partir de la generación del efluente.

Hasta no hace mucho tiempo, la medición de oxígeno disuelto era muy tediosa y, para evitar las titulaciones colorimétricas, se usaban sondas específicas galvánicas o polarográficas. Ambos métodos, basados en fenómenos eléctricos en solución, presentaban interferencias y requerían calibraciones periódicas, control de difusión de electrolitos y mantenimiento de electrodos y membranas.

En la actualidad existen tecnologías ópticas basadas en el método luminiscente (fotoluminiscente), sin membranas, ni electrolitos, sin electrodos, ni interferencias, sin deriva ni variaciones en el sistema y sin tiempo de adecuación. Estos equipos plug & play, con sondas calibradas de fábrica, permiten una operación inmediata, con exiguo requerimiento de consumibles y mínimo mantenimiento.  La base de este método es la interacción del oxígeno disuelto con un polímero fotosensible, excitado por un LED específico, sobre el que se efectúa la medición del tiempo de relajación de la excitación, lo cual es proporcional al oxígeno disuelto presente.

Foto: Sonda LBOD101 (Hach)

* * En el metodo SM 5210 D, llamado Respirométrico – Manométrico, se mide el oxígeno disuelto consumido por bacterias en un ambiente enriquecido en O₂, bajo condiciones de temperatura y agitación constantes.

Foto: Instrumento respirométrico de DBO con accesorios, BOD TRAK II (Hach)

La agitación facilita a los microorganismos el acceso a los nutrientes, reduciendo el tiempo de acción y generando resultados en menor tiempo. Los sensores de presión traducen el nivel de O₂ presente en las muestras en forma continua, graficando en tiempo real los valores obtenidos. El análisis de la curva podría ayudarnos a tomar decisiones en menos de 5 días. Dejando evolucionar el sistema 5 días, se obtiene el dato de DBO5 normalizado. Según el efluente generado, se pueden  correlacionar los valores de DBO a diferentes tiempos con el dato final de DBO5, para tomar decisiones en menor tiempo.

La Demanda Química de Oxígeno

El segundo indicador de contaminación ambiental es la Demanda Química de Oxígeno (DQO) que es la cantidad de oxigeno equivalente al contenido de materia orgánica de una muestra susceptible de oxidación por un agente oxidante fuerte. Para la obtención de este índice se utiliza el método normalizado SM 5220D, basado en dicromato de potasio, un medio ácido y la acción del calor para oxidar la materia orgánica presente a gas CO₂ y agua.

La química del DQO es un proceso de 2 pasos: en primer lugar, se realiza una digestión a 150°C, durante dos horas. Así, la oxidación de materia orgánica resulta en la reducción de Cr(6+) a Cr(3+). Luego, se utilizan reactivos y un colorímetro – espectrofotómetro para efectuar una determinación colorimétrica, en la región visible del espectro evitando el uso de costosas y poco practicas lámparas de deuterio o xenón.

Foto: Espectrofotómetro DR 3900 (Hach)

El método DQO (según SM 5220D) es más rápido que el DBO5, ya que se pueden obtener los resultados a dos horas de la generación del efluente. Además

Si bien se dan conocer algunos “métodos de DQO rápido”, no son más que aplicar menores tiempos a la digestión de la muestra con el resultado de una oxidación incompleta o aplicar mayores temperaturas para la oxidación muy lejos de lo expuesto en los SM. Dado que la determinación de DQO (según SM 5220D) implica una digestión a 150 ºC y la medición colorimétrica a temperatura ambiente, no es un método factible de ejecutarse en tiempo real o en línea de proceso.

La eficiencia de oxidación en DBO dependerá del “estado de los microorganismos”. De esta forma, ajustando el valor de DQO, se podría evitar la medición de DBO en la gestión del tratamiento del efluente.

Desde el punto de vista ambiental, la demanda bioquímica de oxígeno representa mejor  el impacto real de la descarga en el cuerpo receptor ya que los microorganismos son especies de ocurrencia natural en los cuerpos de agua. Pero la determinación de demanda química de oxígeno es más rápida y su metodología más estable. Ambas se pueden correlacionar para cada efluente en particular y bajo condiciones de contorno similares. Para ello, se debe diseñar un plan de correlación tomando datos experimentales de ambos métodos y graficarlos para conocer la posible correlación y su nivel de efectividad (validación). Sin embargo, con este método no se estaría midiendo DBO5, sino que puede obtenerse un dato correlacionado de DBO5, a través de la medición directa de DQO. Esto último es muy importante ya que no existe ningún “método o equipo de medición de DBO5 rápido” o que se pueda aplicar en línea.

El Carbono Orgánico Total

Finalmente, el indicador Carbono Orgánico Total (TOC, por sus siglas en inglés) que, a diferencia del DBO y DQO, permite medir directamente la carga orgánica en el efluente.

Los resultados de TOC son idénticos para ambos analitos. Sin embargo, el resultado con determinación de demanda de oxigeno es 6 veces mayor si existiese etanol en el efluente. El efecto que provoca el volcado de etanol sobre un cuerpo de agua es mucho más agresivo que el correspondiente al ácido oxálico. Para una molécula con el mismo número de átomos de carbono, el valor de TOC es independiente del estado de oxidación de la materia orgánica y, por lo tanto, su valor es más universal.

En la sección SM 5310 se describen diferentes métodos para la determinación de TOC. Entre ellos se destaca el de Combustión Catalítica a 680ºC, ya que asegura la oxidación del 100% de la materia orgánica presente y evita la interferencia de sales. Si bien existen otros método de oxidación como la combustión a altas temperaturas o métodos por vía humedad, estos requieren reactivos, radiación UV y calor y presentan, en general, menor poder de oxidación y mayor complejidad en la operación y mantenimiento.

Una vez realizada la oxidación y generado el CO₂ desde la carga orgánica del efluente, se procede a su medición que puede realizarse mediante varios métodos: conductividad, colorimetría y NDIR (Detector Infrarrojo No Dispersivo selectivo a CO₂).

Foto: Analizadores TOC online y de laboratorio con automuestreador (Shimadzu)

La combinación de la combustión catalítica a 680ºC y el detector NDIR permiten medir carbono orgánico total en solo minutos. Además estos equipos ofrecen una gran flexibilidad que permite automatizar más de 90 muestras y hasta aplicaciones en línea, como en el caso de la serie 4200 de Shimadzu que admite trabajar con sólidos suspendidos y programar eventos de entrada y salida.

Muestra	Coeficiente Correlación	Ecuación de regresión lineal	Número de muestra
Planta Textil	0.943	Y = 2.01X + 0.87	6
Fábrica de cerveza	0.989	Y = 3.68X - 4.6	7
Aguas residuales municipales	0.834	Y = 4.11X - 55.1	8
Tintorería	0.86	Y = 1.76X + 118.9	5
Planta Química	0.973	Y = 3.71X - 6.5	9
Planta Química	0.982	Y = 2.14X - 20.5	17
Fábrica de cerveza	0.825	Y = 3.58X - 3.1	20

La correlación del TOC con DBO y DQO no es universal y única, pero es aplicable con efectividad a todas las muestras de efluentes

Análogamente, como pensamos para DQO y DBO, en este caso se diseña un plan de correlación y validación haciendo ensayos en simultaneo de TOC y DQO (SM 5520D), para cada corriente específica del efluente. La curva de correlación se carga en el instrumento para obtener directamente el dato original de TOC y el valor correlacionado del parámetro validado.

Con los analizadores TOC se pueden obtener correlaciones de DQO rápidamente, de forma simple y efectiva, a la vez que permiten operar en línea, para control del proceso, o en laboratorios, de manera automatizada.

Conclusiones

Existen en el mercado diferentes maneras de medir la carga orgánica de un efluente y por eso la legislación aplicable en cada región indica en forma mandatoria el método estandarizado que debe ejecutarse. Es posible obtener valores dispares de DBO y DQO, pero sólo un resultado de DBO5 (SM5210B) y DQO (SM5220D)

Los sistemas existentes para mediciones en línea o “rápidos“ son artilugios matemáticos o variaciones de los metodos normalizados. El éxito de su aplicación dependerá de que tan bien se haya establecido la correlación, de cómo se haya validado el sistema y de la estabilidad de la composición del efluente.

Los modernos analizadores TOC garantizan la estabilidad, la rapidez y la practicidad de uso, para obtener resultados correlacionados y validados. Dichos valores de TOC, permiten la toma de decisiones en un contexto de mínima incertidumbre.