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oxigeno disuelto (quimica sanitaria)
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OXIGENO DISUELTOMARIA CRISTINA LEDEZMA MUIÑOZ
UNIVERSIDAD DEL CAUCA
OXIGENO DISUELTO
Definición:
El oxígeno disuelto (O.D) de las aguas, es lacantidad que a través del fenómeno de difusión deloxígeno gaseoso de la atmósfera, logra quedar enfase acuosa formando una solución con contenidosrelativamente pequeños.
En aguas naturales este elemento esimportante para mantener la vida acuática y llevar acabo los procesos de autodepuración de lascorrientes por el metabolismo oxidativo de lasbacterias, respiración de la fauna acuática, etc.
Todos los organismos vivos dependen del O2 para mantener los procesos
metabólicos que producen energía para su crecimiento
y reproducción
Importancia del Oxígeno Disuelto en las aguas residuales:
Los aeróbicos usan O2 para degradación de la materiaorgánica e inorgánica y forman productos finales inofensivos,
Los anaeróbicos llevan a cabo la oxidación mediante lareducción de algunas sales inorgánicas como sulfatos, y losproductos finales generalmente son muy perjudiciales.
Debido a que las dos clases de organismos existen en lanaturaleza, es importante que se mantenga condicionesfavorables para los organismos aeróbicos (condicionesaeróbicas); porque de lo contrario proliferan los organismosanaeróbicos (condiciones anaeróbicas) y se generan condicionesnocivas como por ejemplo los malos olores.
En las aguas residuales, el OD es
el factor que determina que los
cambios biológicos sean producidos por
organismos aeróbicos o
anaeróbicos.
Solubilidad del Oxígeno en el agua y
factores que la afectan:
Todos los gases de la atmósfera son de alguna manera solublesen el agua. El N2 y el O2 se catalogan como escasamentesolubles y debido a que no reaccionan químicamente con elagua, su solubilidad es directamente proporcional a suspresiones parciales.
La solubilidad del O2 atmosférico en agua dulce varía desde 14,6
mg/L a 0 °C hasta 7,0 mg/L a 35 °C a 1 atm de presión.
Su solubilidad varía directamente con la presión atmosférica acualquier temperatura. Esta es una consideración importante agrandes altitudes, debido a que la velocidad de oxidaciónbiológica aumenta con la temperatura y que la demanda deoxígeno aumenta en forma simultánea.
Por eso es importante considerar que las condiciones críticasrelacionadas con deficiencia de oxígeno disuelto ocurren conmayor frecuencia en los meses de verano, cuando latemperatura es alta y la solubilidad del oxígeno es mínima.
Solubilidad del Oxígeno en el agua y
factores que la afectan:
La cantidad de oxígeno que contiene un aguadepende de una serie de factores físicos,químicos y bioquímicos del ambiente acuático yatmosférico, tales como:
La solubilidad del gas
Presión atmosférica del lugar
Temperatura ambiente
Salinidad
Grado de contaminación por descargasorgánicas reductoras tanto de origendoméstico como industrial.
LA BAJA SOLUBILIDAD
DEL O2
Es el factor mas importante que limita lacapacidad de purificación de las aguas naturalespor ello es necesario el tratamiento de losdesechos para remover la materiacontaminante antes de que ocurra el drenaje deestas aguas residuales a los cuerpos receptores.
En los procesos de tratamiento biológicoaeróbico, determina la velocidad de la absorciónde O2 por el medio circundante y por lo tano elcosto de la aireación.
La solubilidad del oxígeno
La solubilidad del oxígeno es menor en aguas que contienensal respecto a las aguas limpias, es por eso que la solubilidad auna temperatura dada, disminuye a medida que se avanza delagua dulce al agua de estuario y luego al mar. En la tabla 1. Sepresentan algunos valores de la concentración de oxígeno enaguas con contenido de cloruro, a diferentes temperaturas y anivel del mar. El contenido de cloruro del agua de mar esaproximadamente 19.000 mg/L
En ambientes acuáticos naturales la sobresaturación puede ser producidapor una alta tasa de actividad fotosintética. Un signo de la supersaturación es la formación de burbujas sobre superficies sumergidas odentro del sistema vascular y los tejidos de organismos acuáticos.
Esta puede afectar adversamente la vida acuática y puede tambiéninterferir con los procesos de tratamiento de aguas usadas.
Se han reportado niveles de sobresaturación letales para organismosacuáticos en manantiales, ríos, pozos, lagos, estuarios y agua de mar(áreas de praderas deThallasia ) [APHA, 1992].
Por otro lado, medidas de oxígeno por debajo del nivel de saturaciónpueden indicar contaminación con materia orgánica o una alta tasa deactividad respiratoria provocada por procesos naturales.
La solubilidad del oxígeno
La concentración de oxígeno disuelto se puede expresar tambiénen términos del por ciento de saturación de oxígeno en agua. Amenudo éste parámetro es utilizado para describircualitativamente la calidad de cuerpos de agua, siempre y cuandono estén presentes compuestos tóxicos, tales como metalespesados y pesticidas (Tabla 2).
En el agua contaminada, la saturación también es menor que en el agua limpia.
La relación de las saturaciones de las aguascontaminadas y las aguas limpias se denomina valor β.
La tasa de la disolución del oxígeno en las aguascontaminadas normalmente es menor que en las aguaslimpias, y esa relación se conoce como valor α.
En algunas aguas residuales la relación puede llegar atener valores bajos como 0,8 para β y 0,4 para α. Estosfactores son importantes para el diseño de los equiposde aireación.
Ley de Henry
Desde el punto de vista físico ideal (teórico) para aguas muy puras similares alagua destilada, se puede calcular la cantidad presente de oxígeno encondiciones de saturación, mediante la Ley de Henry para transferencia degases hacia la fase líquida, la cual en este caso puede enunciarse así: “ Lacantidad de oxígeno disuelto de un agua (concentración) es proporcional ala presión parcial del oxígeno gaseoso atmosférico.
[O2 (ac)] = KH * P O2 (g)
En donde: [O2 (ac)] = Concentración molar de oxígeno acuoso,
KH = Constante de Henry para O.D a una temperatura dada KH= (Kmol/L*atm)
P O2 (g) = Presión parcial del oxígeno atmosférico del lugar atm.
(Aproximadamente el 21% de la presión atmosférica del lugar).
La constante de Henry a cualquier temperatura se puede calcular a partir de losdatos presentados en la tabla 1, correspondientes a 0 mg/L de cloruros.
Ejercicio
Con los datos de la tabla 1, calcule los valores de saturación de O2 parauna fuente que está en un lugar que tiene una presión atmosférica de650 mmHg, y en la cual se producen cambios de temperatura en el día.Y haga una curva [O2 (ac)] vs T. Suponiendo que se tiene unaconcentración de cloruros igual a cero.
9: 00 am. T= 20ºC
11: 00 am. T= 21ºC
01: 00 pm. T= 22ºC
03: 00 pm. T= 23ºC
05: 00 pm. T= 21ºC
07: 00 pm. T= 20ºC
[O2 (ac)] = KH * P O2 (g) PO2=21%Patm
En condiciones
naturales
Las aguas poseen niveles mucho más bajos de losde saturación predichos por la ley de transferenciade gases, máximo después de recibir diferentestipos de contaminación tanto natural comoantropogénica
Es así como algunos ríos con altos niveles decontaminación son prácticamente anaeróbicos, conO.D = 0,0 o muy cercanos a este nivel.
En Colombia se tienen ejemplos como el río Caucaen inmediaciones de Cali, rio Bogotá, rio Medellín yMagdalena en varios trayectos.
Aplicación de los datos de
Oxígeno Disuelto
1. En las aguas naturales es un dato importante parajuzgar el grado de contaminación presente en ellas,como también su capacidad de autodepuración;
Por tanto este ensayo es clave en los estudios decontrol de contaminación de las corriente ya que eloxígeno como elemento vital para el desarrollonormal de peces y demás especies acuáticas.
Debe mantenerse en lo posible a niveles lo máscercano posible al de saturación del lugar.
(OD > 80%ODsat).
Aplicación de los datos de
Oxígeno Disuelto
2 Las mediciones de OD son la base para elensayo de la Demanda Bioquímica de Oxígeno(DBO), utilizado para evaluar la intensidad delos vertimientos domésticos e industriales, porcuanto mide el nivel orgánico biodegradable deeste tipo de residuos expresados en términosdel oxígeno requerido para su estabilizaciónaeróbica.
3. Los procesos de tratamiento aeróbico de lasaguas residuales domésticas e industriales conaltas DBO, requieren de este elemento parallevarlos a cabo en forma efectiva.
Principalmente en los procesos de tratamientobiológico, siendo indispensable realizar lasdeterminaciones de OD para el control de larata de aireación para suministrar el oxígenocorrespondiente y así mantener lapredominancia de las condiciones aeróbicas entodo el tratamiento.
Aplicación de los datos de
Oxígeno Disuelto
4. El OD es uno de los factores primordiales enla corrosión del hierro y el acero, como es elcaso de las calderas a vapor, por tanto se hacenecesario removerlo del agua de alimentaciónde éstas, necesitándose obviamentedeterminaciones de este gas para el controlefectivo de la remoción.
Aplicación de los datos de
Oxígeno Disuelto
Determinación del Oxígeno
Disuelto por el Método de
Winkler.
Recolección de las muestras: Debe realizarse con mucho cuidado, ya que en la mayoría de
los casos prácticos, el nivel de OD es inferior al de saturación, yla exposición al aire puede llevar a resultados erróneos.
Por tal motivo se utiliza un recipiente especial para tomar lasmuestras, tal como se describe en los “métodos estándar”.
Debido a que es imposible evitar el contacto con el airemientras el recipiente se está llenando, este tipo dedispositivos se han diseñados de tal manera que el contenidode agua se rebose dos o tres veces el volumen del recipiente, yde esta manera se asegura la recolección de muestrarepresentativa.
Fijación del Oxígeno:
La mayoría de las muestras para determinar OD se toman en elcampo, y se llevan al laboratorio para realizar la determinacióncompleta, los niveles de oxígeno pueden sufrir cambiosradicales con el tiempo, debido a la actividad biológica; por talmotivo se acostumbra “fijar” la muestra inmediatamentedespués de la recolección.
Se hace mediante la adición de los reactivos químicosconvencionales (sulfato de manganeso y yoduro alcalino) quese utilizan en la determinación del OD por métodosvolumétricos y posteriormente la titulación final se realiza enlaboratorio, la cual puede aplazarse hasta seis horas.
De esta manera se detiene toda actividad biológica y seobtienen mejores resultados si las muestras una vez fijadas seguardan en la oscuridad y en hielo hasta realizar la titulaciónvolumétrica, como se explica a continuación:
El método de Winkler
Conocido también como método yodométrico, se basa en queel oxígeno oxida el Mn+2 a un estado superior como dióxido demanganeso (MnO2) bajo condiciones fuertemente alcalinas yéste a su vez oxida al ion yoduro I- a yodo libre I2 encondiciones fuertemente ácidas.
El yodo libre así formado es equivalente a la cantidad deoxígeno disuelto originalmente presente en la muestra.
El yodo liberado se mide a través de una titulación volumétrica,usando como titulante solución estándar de tiosulfato de sodioy solución de almidón como indicador del punto final de dichatitulación, la cual se identifica por el viraje del color azul oscuroque se forma al añadir el almidón hasta incoloro que ocurrecuando todo el yodo libre se ha agotado por la acción reductoradel tiosulfato de sodio sobre el yodo oxidante.
Las reacciones químicas son las siguientes:
Fijación del Oxígeno Mn+2 + OH- + O2(ac)→MnO2 ↓ + H2O
Formación de yodo libre MnO2 + I- + H+→Mn+2 + I2 + H2O
Reacción del punto final I2 + 2S2O3-2→ 2I- + S4 O6-2
de la titulación.
Para el cálculo se utiliza la siguiente expresión:
Oxígeno Disuelto mg/L O2 = A*e*1000/ Vm.
Si el titulante Na2S2O3 tiene normalidad = N/40, con factor de equivalencia e = 0,2 y A = volumen de titulante gastado, Vm = volumen de muestra original, en este caso 200 ml.
El Oxígeno Disuelto mg/L O2 = A = mililitros de titulante gastado.
METODOS CON CORRECCIONES
El método de Winkler explicado anteriormente es aplicablegeneralmente al caso de aguas de buena calidad, principalmenteexentas de reductores (Fe+2, H2S, sulfitos y sulfuros) y oxidantescomo nitritos y Fe+3, los cuales reducen u oxidan según el caso alyodo o al yoduro, dando resultados erráticos.
Para corregir estas interferencias se practican modificaciones almétodo original tales como la de AZIDA SÓDICA (Na3N), la deRideal Stewart con KMnO4 y la del Hipoclorito alcalino.
Esto métodos se pueden consultar en el “Standard Methods forthe examination of water and wastewater” en la parte pertinente.
PAG 565. QUIMICA PARA INGENIERIA AMBIENTAL. SAWYER ET AL.
EJERCICIOS
1. EXPLIQUE PORQUE ES IMPORTANTE MANTENER GRAN CONCENTRACION DE OD EN LAS AGUAS DE LOS RIOS Y CORRIENTES.
2. HAGA UNA TABLA CON 5 SUSTANCIAS QUE INTERFIERAN CON EL METODO DE WINKLER Y QUE MODIFICAIONES HARIA.
3. CUAL ES LA FUNCION DEL NaOH, USADO EN OCASIONES PARA LA PREPARACIÒN DEL TIODULFATO
4. DE DOS RAZONES POR LAS QUE SE DEBE HACER LA FIJACION DEL OD, EN EL CAMPO SI ESPOSIBLE.
5. SE TOMAN DOS MUESTRAS DEL MISMO RIO, UNA SE FIJA EL o2 Y A LA OTRA NO, EXPLIQUE PORQUE AL REALIZAR LAS DETERMINACIONES, EN LA SEGUNDA MUESTRA SE OBTIENE UNA MENOR CONCENTRACION DE OD.
