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OXIGENO DISUELTO MARIA CRISTINA LEDEZMA MUIÑOZ UNIVERSIDAD DEL CAUCA

OXIGENO DISUELTO Todos los organismos vivos dependen del O2 para mantener los procesos metabólicos que producen energía para su crecimiento y reproducción

 Definición:

 El oxígeno disuelto (O.D) de las aguas, es la cantidad que a través del fenómeno de difusión del oxígeno gaseoso de la atmósfera, logra quedar en fase acuosa formando una solución con contenidos relativamente pequeños.

 En aguas naturales

este elemento es importante para mantener la vida acuática y llevar a cabo los procesos de autodepuración de las corrientes por el metabolismo oxidativo de las bacterias, respiración de la fauna acuática, etc.

Importancia del Oxígeno Disuelto en las aguas residuales: En las aguas residuales, el OD es el factor que determina que los cambios biológicos sean producidos por organismos aeróbicos o anaeróbicos.

 Los aeróbicos usan O2 para degradación de la materia orgánica e inorgánica y forman productos finales inofensivos,

Los anaeróbicos

llevan a cabo la oxidación mediante la reducción de algunas sales inorgánicas como sulfatos, y los productos finales generalmente son muy perjudiciales.

 Debido a que las dos clases de organismos existen en la naturaleza, es importante que se mantenga condiciones favorables para los organismos aeróbicos (condiciones aeróbicas); porque de lo contrario proliferan los organismos anaeróbicos (condiciones anaeróbicas) y se generan condiciones nocivas como por ejemplo los malos olores.

Solubilidad del Oxígeno en el agua y factores que la afectan:

 Todos los gases de la atmósfera son de alguna manera solubles en el agua. El N2 y el O2 se catalogan como escasamente solubles y debido a que no reaccionan químicamente con el agua, su solubilidad es directamente proporcional a sus presiones 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 a cualquier temperatura. Esta es una consideración importante a grandes altitudes, debido a que la velocidad de oxidación biológica aumenta con la temperatura y que la demanda de oxígeno aumenta en forma simultánea.  Por eso es importante considerar que las condiciones críticas relacionadas con deficiencia de oxígeno disuelto ocurren con mayor frecuencia en los meses de verano, cuando la temperatura es alta y la solubilidad del oxígeno es mínima.

 La cantidad de oxígeno que contiene un agua depende de una serie de factores físicos, químicos y bioquímicos del ambiente acuático y Solubilidad atmosférico, tales como: del Oxígeno La solubilidad del gas en el agua y Presión atmosférica del lugar factores que la Temperatura ambiente afectan: Salinidad Grado de contaminación por descargas orgánicas reductoras tanto de origen doméstico como industrial.

LA BAJA SOLUBILIDAD DEL O2

 Es el factor mas importante que limita la capacidad de purificación de las aguas naturales por ello es necesario el tratamiento de los desechos para remover la materia contaminante antes de que ocurra el drenaje de estas aguas residuales a los cuerpos receptores.

En los procesos de tratamiento biológico aeróbico, determina la velocidad de la absorción de O2 por el medio circundante y por lo tano el costo de la aireación.

La solubilidad del oxígeno

 La solubilidad del oxígeno es menor en aguas que contienen sal respecto a las aguas limpias, es por eso que la solubilidad a una temperatura dada, disminuye a medida que se avanza del agua dulce al agua de estuario y luego al mar. En la tabla 1. Se presentan algunos valores de la concentración de oxígeno en aguas con contenido de cloruro, a diferentes temperaturas y a nivel del mar. El contenido de cloruro del agua de mar es aproximadamente 19.000 mg/L

 En ambientes acuáticos naturales la sobresaturación puede ser producida por una alta tasa de actividad fotosintética. Un signo de la super saturación es la formación de burbujas sobre superficies sumergidas o dentro del sistema vascular y los tejidos de organismos acuáticos.  Esta puede afectar adversamente la vida acuática y puede también interferir con los procesos de tratamiento de aguas usadas.  Se han reportado niveles de sobresaturación letales para organismos acuáticos 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 saturación pueden indicar contaminación con materia orgánica o una alta tasa de actividad respiratoria provocada por procesos naturales.

 La concentración de oxígeno disuelto se puede expresar también en términos del por ciento de saturación de oxígeno en agua. A menudo éste parámetro es utilizado para describir cualitativamente la calidad de cuerpos de agua, siempre y cuando no estén presentes compuestos tóxicos, tales como metales pesados y pesticidas (Tabla 2).

La solubilidad del oxígeno

En el agua contaminada, la saturación también es menor que en el agua limpia.

 La relación de las saturaciones de las aguas contaminadas y las aguas limpias se denomina valor β.

 La tasa de la disolución del oxígeno en las aguas contaminadas normalmente es menor que en las aguas limpias, y esa relación se conoce como valor α.  En algunas aguas residuales la relación puede llegar a tener valores bajos como 0,8 para β y 0,4 para α. Estos factores son importantes para el diseño de los equipos de aireación.

Ley de Henry

 Desde el punto de vista físico ideal (teórico) para aguas muy puras similares al agua destilada, se puede calcular la cantidad presente de oxígeno en condiciones de saturación, mediante la Ley de Henry para transferencia de gases hacia la fase líquida, la cual en este caso puede enunciarse así: “ La cantidad de oxígeno disuelto de un agua (concentración) es proporcional a la 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 los datos presentados en la tabla 1, correspondientes a 0 mg/L de cloruros.

 Con los datos de la tabla 1, calcule los valores de saturación de O2 para una fuente que está en un lugar que tiene una presión atmosférica de 650 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 una concentración de cloruros igual a cero.

 9: 00 am. T= 20ºC  11: 00 am. T= 21ºC

Ejercicio

 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 los de saturación predichos por la ley de transferencia de gases, máximo después de recibir diferentes tipos de contaminación tanto natural como antropogénica  Es así como algunos ríos con altos niveles de contaminación son prácticamente anaeróbicos, con O.D = 0,0 o muy cercanos a este nivel.  En Colombia se tienen ejemplos como el río Cauca en inmediaciones de Cali, rio Bogotá, rio Medellín y Magdalena en varios trayectos.

 1. En las aguas naturales es un dato importante para juzgar el grado de contaminación presente en ellas, como también su capacidad de autodepuración;

Aplicación de los datos de Oxígeno Disuelto

 Por tanto este ensayo es clave en los estudios de control de contaminación de las corriente ya que el oxígeno como elemento vital para el desarrollo normal de peces y demás especies acuáticas.  Debe mantenerse en lo posible a niveles lo más cercano 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 el ensayo de la Demanda Bioquímica de Oxígeno (DBO), utilizado para evaluar la intensidad de los vertimientos domésticos e industriales, por cuanto mide el nivel orgánico biodegradable de este tipo de residuos expresados en términos del oxígeno requerido para su estabilización aeróbica.

Aplicación de los datos de Oxígeno Disuelto

 3. Los procesos de tratamiento aeróbico de las aguas residuales domésticas e industriales con altas DBO, requieren de este elemento para llevarlos a cabo en forma efectiva.  Principalmente en los procesos de tratamiento biológico, siendo indispensable realizar las determinaciones de OD para el control de la rata de aireación para suministrar el oxígeno correspondiente y así mantener la predominancia de las condiciones aeróbicas en todo el tratamiento.

Aplicación de los datos de Oxígeno Disuelto

 4. El OD es uno de los factores primordiales en la corrosión del hierro y el acero, como es el caso de las calderas a vapor, por tanto se hace necesario removerlo del agua de alimentación de éstas, necesitándose obviamente determinaciones de este gas para el control efectivo de la remoción.

Recolección de las muestras:

Determinación del Oxígeno Disuelto por el Método de Winkler.

 Debe realizarse con mucho cuidado, ya que en la mayoría de los casos prácticos, el nivel de OD es inferior al de saturación, y la exposición al aire puede llevar a resultados erróneos.  Por tal motivo se utiliza un recipiente especial para tomar las muestras, tal como se describe en los “métodos estándar”.  Debido a que es imposible evitar el contacto con el aire mientras el recipiente se está llenando, este tipo de dispositivos se han diseñados de tal manera que el contenido de agua se rebose dos o tres veces el volumen del recipiente, y de esta manera se asegura la recolección de muestra representativa.

Fijación del Oxígeno:

 La mayoría de las muestras para determinar OD se toman en el campo, y se llevan al laboratorio para realizar la determinación completa, los niveles de oxígeno pueden sufrir cambios radicales con el tiempo, debido a la actividad biológica; por tal motivo se acostumbra “fijar” la muestra inmediatamente después de la recolección.  Se hace mediante la adición de los reactivos químicos convencionales (sulfato de manganeso y yoduro alcalino) que se utilizan en la determinación del OD por métodos volumétricos y posteriormente la titulación final se realiza en laboratorio, la cual puede aplazarse hasta seis horas.  De esta manera se detiene toda actividad biológica y se obtienen mejores resultados si las muestras una vez fijadas se guardan en la oscuridad y en hielo hasta realizar la titulación volumétrica, como se explica a continuación:

 Conocido también como método yodométrico, se basa en que el oxígeno oxida el Mn+2 a un estado superior como dióxido de manganeso (MnO2) bajo condiciones fuertemente alcalinas y éste a su vez oxida al ion yoduro I- a yodo libre I2 en condiciones fuertemente ácidas.

El método de Winkler

 El yodo libre así formado es equivalente a la cantidad de oxígeno 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 sodio y solución de almidón como indicador del punto final de dicha titulación, la cual se identifica por el viraje del color azul oscuro que se forma al añadir el almidón hasta incoloro que ocurre cuando todo el yodo libre se ha agotado por la acción reductora del 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.

 El método de Winkler explicado anteriormente es aplicable generalmente al caso de aguas de buena calidad, principalmente exentas de reductores (Fe+2, H2S, sulfitos y sulfuros) y oxidantes como nitritos y Fe+3, los cuales reducen u oxidan según el caso al yodo o al yoduro, dando resultados erráticos.

METODOS CON  Para corregir estas interferencias se practican modificaciones al CORRECCIONES método original tales como la de AZIDA SÓDICA (Na3N), la de Rideal Stewart con KMnO4 y la del Hipoclorito alcalino.

 Esto métodos se pueden consultar en el “Standard Methods for the 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.