demanda bioquímica de oxígeno

La mayoría de los ríos prístinos tendrán una DBO carbonácea de 5 días inferior a 1  mg/L. Los ríos moderadamente contaminados pueden tener un valor de DBO en el rango de 2 a 8  mg/L. Los ríos pueden considerarse gravemente contaminados cuando los valores de DBO superan los 8  mg/L. ^{[ 10 ]} Las aguas residuales municipales tratadas eficazmente mediante un proceso de tres etapas tendrían un valor de aproximadamente 20  mg/L o menos. Las aguas residuales sin tratar varían, pero el promedio es de alrededor de 600  mg/L en Europa y tan bajo como 200  mg/L en los EE. UU., o donde hay una infiltración/afluencia severa de aguas subterráneas o superficiales . Los valores generalmente más bajos en los EE. UU. se derivan del uso de agua per cápita mucho mayor que en otras partes del mundo. ^{[ 1 ]}

Este método estándar está reconocido por la EPA, y está etiquetado como Método 5210B en los Métodos Estándar para el Examen de Agua y Aguas Residuales. ^{[ 12 ]} Para obtener DBO ₅ , las concentraciones de oxígeno disuelto (OD) en una muestra deben medirse antes y después del período de incubación, y ajustarse adecuadamente mediante el factor de dilución correspondiente a la muestra. Este análisis se realiza utilizando  frascos de incubación de 300 mL en los que se dosifica agua de dilución tamponada  con microorganismos de siembra y se almacena durante 5 días en una habitación oscura a 20 °C para evitar la producción de OD mediante fotosíntesis. Los frascos tradicionalmente han sido de vidrio, lo que requería limpieza y enjuague entre muestras. Existe un frasco de DBO de plástico desechable aprobado por SM 5210B que elimina este paso. Además de las diversas diluciones de muestras de DBO, este procedimiento requiere blancos de agua de dilución, controles de glucosa-ácido glutámico (GGA) y controles de siembra. El blanco de agua de dilución se utiliza para confirmar la calidad del agua de dilución que se usa para diluir las demás muestras. Esto es necesario porque las impurezas en el agua de dilución pueden causar alteraciones significativas en los resultados. El control GGA es una solución estandarizada para determinar la calidad de la semilla, donde su concentración recomendada de DBO5 es de 198 _mg  /L ± 30,5  mg/L. Para la medición de la DBO carbonácea (DBOc), se agrega un inhibidor de la nitrificación después de agregar el agua de dilución a la muestra. El inhibidor dificulta la oxidación del nitrógeno amoniacal, que suministra la DBO nitrogenada (DBOn). Al realizar la prueba de DBO5 _, es práctica convencional medir solo la DBOc porque la demanda de nitrógeno no refleja la demanda de oxígeno de la materia orgánica. Esto se debe a que la DBOn se genera por la descomposición de proteínas, mientras que la DBOc se produce por la descomposición de moléculas orgánicas.

La DBO5 _se calcula mediante:

• Sin semillas  :${\displaystyle \mathrm {BOD} _{5}={\frac {(D_{0}-D_{5})}{P}}}$
• Sembrado:${\displaystyle \mathrm {BOD} _{5}={\frac {(D_{0}-D_{5})-(B_{0}-B_{5})f}{P}}}$

dónde:

${\displaystyle D_{0}}$es el oxígeno disuelto (OD) de la solución diluida después de su preparación (mg/L)

${\displaystyle D_{5}}$es el OD de la solución diluida después de 5 días de incubación (mg/L)

${\displaystyle P}$es el factor de dilución decimal

${\displaystyle B_{0}}$es el OD de la muestra de semilla diluida después de la preparación (mg/L)

${\displaystyle B_{5}}$es el OD de la muestra de semilla diluida después de 5 días de incubación (mg/L)

${\displaystyle f}$es la relación entre el volumen de semilla en la solución de dilución y el volumen de semilla en la prueba de DBO en semilla

Este método se limita a la medición del consumo de oxígeno debido únicamente a la oxidación de compuestos carbonáceos. La oxidación del amoníaco se inhibe.

La muestra se guarda en un recipiente sellado con un sensor de presión . Se añade al recipiente una sustancia que absorbe dióxido de carbono (normalmente hidróxido de litio ) por encima del nivel de la muestra. La muestra se almacena en condiciones idénticas a las del método de dilución. Se consume oxígeno y, al inhibirse la oxidación del amoníaco, se libera dióxido de carbono. La cantidad total de gas, y por lo tanto la presión, disminuye debido a la absorción de dióxido de carbono. A partir de esta disminución de presión, la electrónica del sensor calcula y muestra la cantidad de oxígeno consumido.

Las principales ventajas de este método en comparación con el método de dilución son:

• Sencillez: no se requiere dilución de la muestra, ni siembra, ni muestra de control.
• Lectura directa del valor de DBO.
• Visualización continua del valor de DBO en el tiempo de incubación actual.

Una alternativa para medir la DBO es el desarrollo de biosensores, dispositivos para la detección de un analito que combinan un componente biológico con un detector fisicoquímico. Las enzimas son los elementos de detección biológica más utilizados en la fabricación de biosensores. Su aplicación en la construcción de biosensores se ve limitada por los métodos de purificación enzimática, que son tediosos, requieren mucho tiempo y son costosos. Los microorganismos ofrecen una alternativa ideal para superar estos obstáculos. ^{[ 13 ]}

Muchos microorganismos útiles para la evaluación de la DBO son relativamente fáciles de mantener en cultivos puros, y su cultivo y cosecha son de bajo costo. Además, el uso de microbios en el campo de los biosensores ha abierto nuevas posibilidades y ventajas, como la facilidad de manipulación, preparación y el bajo costo del dispositivo. Numerosos cultivos puros, como Trichosporon cutaneum, Bacillus cereus, Klebsiella oxytoca, Pseudomonas sp., etc., han sido utilizados individualmente por muchos investigadores para la construcción de biosensores de DBO. Por otro lado, muchos investigadores han inmovilizado lodos activados, o una mezcla de dos o tres especies bacterianas, en diversas membranas para la construcción de biosensores de DBO. Las membranas más utilizadas fueron las de alcohol polivinílico, membranas hidrofílicas porosas, etc. ^{[ 14 ]}

Se puede formar un consorcio microbiano definido mediante un estudio sistemático, es decir, una prueba previa de microorganismos seleccionados para su uso como material de siembra en el análisis de DBO de una amplia variedad de efluentes industriales. Dicho consorcio formulado puede inmovilizarse en una membrana adecuada, por ejemplo, una membrana de nailon cargada. La membrana de nailon cargada es idónea para la inmovilización microbiana debido a la unión específica entre la célula bacteriana con carga negativa y la membrana de nailon con carga positiva. Por lo tanto, las ventajas de la membrana de nailon sobre otras membranas son  : la doble unión, es decir, adsorción y atrapamiento, lo que resulta en una membrana inmovilizada más estable. Estos dispositivos analíticos de DBO basados ​​en consorcios microbianos específicos pueden tener una gran aplicación en el monitoreo del grado de contaminación en una amplia variedad de aguas residuales industriales en un tiempo muy corto. ^{[ 14 ]}

Los biosensores pueden utilizarse para medir indirectamente la DBO mediante un sustituto de DBO de determinación rápida (generalmente <30 min) y un método de curva de calibración correspondiente (desarrollado por Karube et al., 1977). En consecuencia, los biosensores están ahora disponibles comercialmente, pero presentan varias limitaciones, como sus elevados costes de mantenimiento, la limitada duración de las mediciones debido a la necesidad de reactivación y la incapacidad de responder a las características de calidad cambiantes que normalmente se producen en los flujos de tratamiento de aguas residuales; por ejemplo, los procesos de difusión de la materia orgánica biodegradable en la membrana y las diferentes respuestas de las distintas especies microbianas, lo que genera problemas con la reproducibilidad de los resultados (Praet et al., 1995). Otra limitación importante es la incertidumbre asociada a la función de calibración para convertir el sustituto de DBO en la DBO real (Rustum et al. , 2008).

Se ha desarrollado un sustituto de la DBO5 _{utilizando un derivado} de resazurina que revela el grado de captación de oxígeno por los microorganismos para la mineralización de la materia orgánica. ^{[ 15 ]} Una validación cruzada realizada en 109 muestras en Europa y Estados Unidos mostró una estricta equivalencia estadística entre los resultados de ambos métodos. ^{[ 16 ]}

Se ha desarrollado un electrodo basado en la emisión de luminiscencia de un compuesto químico fotoactivo y la extinción de dicha emisión por el oxígeno. Este mecanismo fotofísico de extinción se describe mediante la ecuación de Stern-Volmer para el oxígeno disuelto en una solución: ^{[ 17 ]}

${\displaystyle I_{0}/I~=~1~+~K_{SV}~[{\ce {O2}}]}$

• ${\displaystyle I}$Luminiscencia en presencia de oxígeno
• ${\displaystyle I_{0}}$Luminiscencia en ausencia de oxígeno
• ${\displaystyle K_{SV}}$: Constante de Stern-Volmer para la extinción del oxígeno
• ${\displaystyle {\ce {[O2]}}}$: Concentración de oxígeno disuelto

La determinación de la concentración de oxígeno mediante extinción de luminiscencia tiene una respuesta lineal en un amplio rango de concentraciones de oxígeno y presenta una excelente precisión y reproducibilidad. ^{[ 18 ]}

El desarrollo de un instrumento analítico que utiliza la química de reducción-oxidación (redox) del oxígeno en presencia de electrodos de metales diferentes se introdujo durante la década de 1950. ^{[ 19 ]} Este electrodo redox utilizaba una membrana permeable al oxígeno para permitir la difusión del gas en una celda electroquímica y su concentración se determinaba mediante electrodos polarográficos o galvánicos. Este método analítico es sensible y preciso hasta niveles de ± 0,1  mg/L de oxígeno disuelto. La calibración del electrodo redox de este electrodo de membrana aún requiere el uso de la tabla de la ley de Henry o la prueba de Winkler para el oxígeno disuelto .

Se han propuesto sistemas de automatización para predecir rápidamente la DBO y así utilizarla en el control y monitoreo de procesos en línea. Por ejemplo, se podría emplear un método de aprendizaje automático computarizado para realizar inferencias rápidas sobre la DBO utilizando parámetros de calidad del agua fáciles de medir. Parámetros como el caudal, la demanda química de oxígeno, el amoníaco, el nitrógeno, el pH y los sólidos en suspensión se pueden obtener de forma directa y fiable mediante sensores de hardware en línea. En una prueba de esta idea, se utilizaron mediciones de estos valores, junto con la DBO, realizadas durante tres años para entrenar y probar un modelo predictivo. La técnica permitía la presencia de algunos datos faltantes. Esto indicaba que este enfoque era posible, pero requería la disponibilidad de suficientes datos históricos. ^{[ 20 ]}

Hasta hace poco, el monitoreo en tiempo real de la DBO era inalcanzable debido a su naturaleza compleja. Investigaciones recientes de una universidad líder del Reino Unido han descubierto el vínculo entre múltiples parámetros de calidad del agua, incluyendo la conductividad eléctrica, la turbidez, la TLF y la CDOM. ^{[ 21 ] [ 22 ]} Todos estos parámetros pueden monitorearse en tiempo real mediante una combinación de métodos tradicionales (conductividad eléctrica a través de electrodos) y métodos más nuevos como la fluorescencia. El monitoreo de la fluorescencia similar al triptófano (TLF) se ha utilizado con éxito como un indicador de la actividad biológica y la enumeración, particularmente con un enfoque en Escherichia coli (E. coli). ^{[ 23 ] [ 22 ] [ 24 ] [ 25 ]} El monitoreo basado en TLF es aplicable en una amplia gama de entornos, incluyendo, pero no limitado a, plantas de tratamiento de aguas residuales y aguas dulces. Por lo tanto, ha habido un movimiento significativo hacia sistemas de sensores combinados que pueden monitorear parámetros y utilizarlos, en tiempo real, para proporcionar una lectura de DBO con calidad de laboratorio.

Algunos residuos contienen sustancias químicas capaces de suprimir el crecimiento o la actividad microbiológica. Entre las posibles fuentes se incluyen los residuos industriales, los antibióticos presentes en los residuos farmacéuticos o médicos , los desinfectantes utilizados en el procesamiento de alimentos o en instalaciones de limpieza comerciales, la desinfección por cloración empleada tras el tratamiento convencional de aguas residuales y las formulaciones para el control de olores utilizadas en los depósitos de residuos sanitarios de vehículos de pasajeros o inodoros portátiles. La supresión de la comunidad microbiana que oxida los residuos disminuirá el resultado de la prueba. ^{[ 29 ] : 85}

La prueba se basa en un ecosistema microbiano con enzimas capaces de oxidar la materia orgánica disponible. Algunas aguas residuales, como las provenientes del tratamiento biológico secundario de aguas residuales , ya contienen una gran población de microorganismos aclimatados al agua que se está analizando. Una porción considerable de los residuos puede utilizarse durante el período de almacenamiento previo al inicio del procedimiento de prueba. Por otro lado, los residuos orgánicos de origen industrial pueden requerir enzimas especializadas. Las poblaciones microbianas de fuentes de siembra estándar pueden tardar algún tiempo en producir dichas enzimas. Un cultivo de siembra especializado puede ser apropiado para reflejar las condiciones de un ecosistema evolucionado en las aguas receptoras. ^{[ 29 ] : 85–87}