Manuel Carda Tellols »

Las actividades que desarrolla el ser humano provocan un flujo de agua contaminada. El agua contaminada era vertida directamente a cauces receptores (ríos u otros puntos de vertido). Mientras los caudales de aguas residuales fueron pequeños, la capacidad autodepurativa del agua era suficiente para regenerarla y evitar impactos nocivos para el medio ambiente. El caudal de agua residual fue incrementándose y de forma drástica sobretodo a partir de la revolución industrial y la formación de grandes aglomeraciones urbanas.

Durante muchos años, se sobrepasaron los límites de autodepuración causando daños a los cauces receptores. A finales del siglo XX, la creciente sensibilización ambiental de la sociedad hizo que se fijaran límites de vertido. Para cumplir los requisitos de vertido las administraciones públicas y las empresas privadas (cada una en su ámbito) han proyectado y construido Estaciones Depuradoras de Aguas Residuales (EDAR), instalaciones en las que se da un tratamiento adecuado al agua residual para la reducción de contaminantes.

Los contaminantes presentes en el agua residual varían en función de la actividad en la que se ha utilizado el agua. El agua residual se puede distinguir en función de su origen y composición en agua residual urbana y agua residual industrial. El agua residual urbana tiene origen en los núcleos de población mientras que el agua residual industrial proviene de la industria y contiene contaminantes específicos de las actividades productivas de las industrias que la generan.

Para la caracterización de un agua residual es necesario:

• Conocer el objetivo para el que se realiza la caracterización
• Fijar los parámetros (variables) que se van a controlar
• Determinar la técnica e instrumentación a utilizar para el muestreo y la determinación de los valores de los parámetros a controlar
• Determinar los puntos de muestreo
• Establecer un protocolo para la manipulación de las muestras (almacenamiento, codificación, transporte…).

Objeto de la caracterización del agua residual

Existen varios casos en los que nos podemos encontrar con la necesidad de caracterizar un agua residual:

• Previamente al diseño de una EDAR: el agua debe ser caracterizada para conocer los contaminantes que lleva (cualitativa y cuantitativamente) para así poder definir los procesos óptimos para su depuración.
• Durante el funcionamiento de la EDAR: se caracteriza el agua residual a la entrada y a la salida de la instalación para controlar el correcto funcionamiento de la misma y el cumplimiento de la autorización de vertido.
• Para determinar la posibilidad de reutilizar el agua residual tratada (agua regenerada) en alguna actividad regulada por la legislación vigente (Real Decreto 1620/2007, de 7 de diciembre, por el que se establece el régimen jurídico de la reutilización de las aguas depuradas.).

Parámetros de control

Con el paso del tiempo se ha legislado a todos los niveles (europeo y nacional) sobre la necesidad de depurar las aguas, el tipo de tratamiento y los parámetros a controlar, estableciendo unos determinados límites. Actualmente, en España se encuentra en vigor:

• Real Decreto Legislativo 1/2001, de 20 de julio, por el que se aprueba el texto refundido de la Ley de Aguas
• Real Decreto-ley 11/1995, de 28 de diciembre, por el que se establecen las normas aplicables al tratamiento de las aguas residuales urbanas
• Real Decreto 509/1996, de 15 de marzo, de desarrollo del Real Decreto-ley 11/1995, de 28 de diciembre, por el que se establecen las normas aplicables al tratamiento de las aguas residuales urbanas (modificado por el Real decreto 2116/1998, de 2 de octubre)

Según este marco normativo, son las Confederaciones Hidrográficas quienes establecen en última instancia los límites de vertido en cada punto de vertido. Todos los vertidos deben estar legalizados, para ello se debe comunicar a la Confederación Hidrográfica correspondiente, que en función del caudal y zona de vertido establece los valores límites autorizados.

En el RD 509/1996, se establecen los requisitos para los vertidos procedentes de instalaciones de tratamiento de aguas residuales urbanas en que se resumen a continuación:

• (DBO₅) Demanda bioquímica de oxígeno a 5 días (sin nitrificación): Determina la cantidad de oxígeno disuelto en el agua que consumen los microorganismos en el proceso de oxidación bioquímica de la materia orgánica durante un periodo de 5 días.
• (DQO) Demanda Química de oxígeno. Mide la capacidad oxidante de la muestra. Se corresponde con el potencial consumo de oxígeno debido a la existencia de microorganismos y de compuestos oxidantes.
• (SS) Sólidos en suspensión: Se determina la cantidad de materia sólida que se encuentra en suspensión.

Y en caso de encontrarse el punto de vertido (o poder afectar) a una zona sensible:

• (N) Cantidad de Nitrógeno total
• (P) Cantidad de fósforo total

En el RD 509/1996 se relacionan los métodos de referencia para el seguimiento y evaluación de los resultados (tipo de muestreo, frecuencia mínima de muestreo, etc) así como los métodos de medida de referencia de los parámetros de control.

En la segunda parte del artículo se profundizará en la metodología a seguir para la toma y manipulación de las muestras, con el fin de lograr resultados óptimos.

Para finalizar el presente artículo nos centraremos en las técnicas utilizadas para determinar los parámetros a controlar basadas en los métodos de medida de referencia (establecidos en el RD 509/1996).

Técnicas instrumentales

DBO₅: “Muestra homogeneizada, sin filtrar ni decantar. Determinación antes y después de cinco días de incubación a 20 ºC ± 1 ºC, en completa oscuridad. Aplicación de un inhibidor de la nitrificación.” Para la medición del oxígeno disuelto presente en la muestra se utiliza un oxímetro.

• Existen varios tipos de oxímetros en función del tipo de sonda utilizada: · Tradicionalmente se han utilizado sensores potenciométricos. Este instrumento de medida se basa en el principio de potenciometría. La sonda de oxígeno está formada por dos electrodos y se mide el potencial electroquímico de la muestra con respecto a una muestra de referencia.
• Actualmente se han desarrollado los sensores ópticos basados en la espectroscopia de luminiscencia. La medición tiene lugar mediante un polímero sensible al oxígeno que es excitado por un diodo electroluminiscente (LED) azul. Tras la excitación, el polímero emite una luz roja. El tiempo transcurrido entre la excitación y la emisión de luz roja corresponde a la concentración de oxígeno disuelto. Otro diodo LED, rojo, se emplea para compensar las variaciones de poca importancia dentro de la celda (Sensor LDO (Luminescent Dissolved Oxygen) – Hach-Lange).

DQO: “Muestra homogeneizada, sin filtrar ni decantar. Dicromato potásico.” Para la determinación del potencial oxidante de la muestra se utiliza el reactivo dicromato potásico, compuesto oxidante que acelera artificialmente el proceso de oxidación. Para conocer la cantidad de dicromato potásico que se ha consumido (reducido a ión cromo (III)) se realiza una valoración química usando una disolución de hierro (II). El resultado de esta valoración nos proporcionará por estequiometría la cantidad de dicromato presente en la muestra y por diferencia con el añadido nos dará el dicromato potásico consumido. Aplicando de nuevo la estequimetría de las reacciones de oxidación de la materia por el oxígeno y el dicromato potásico se puede determinar la concentración de oxígeno demandada por la muestra.

SS: En el Real Decreto se citan dos métodos distintos basados compuestos ambos por un tratamiento físico previo y otro tratamiento físico (de cambio de estado del agua) posterior:

• “Filtración de una muestra representativa a través de una membrana de filtración de 0,45 micras. Secado a 105 ºC y pesaje.
• Centrifugación de una muestra representativa (durante cinco minutos como mínimo, con una aceleración media de 2.800 a 3.200 g), secado a 105 ºC y pesaje.”

N y P: “Espectrofotometría de absorción molecular”. Para ello se excitará la muestra y se registrará el espectro de absorción. A partir de estos espectros (midiendo la profundidad del pico del nitrógeno y del fósforo respectivamente) se determinará su concentración en la muestra.

En el caso de querer reutilizar el agua residual tratada, los posibles usos de la misma se regulan (por el RD 1620/2007) principalmente en función de los valores de los siguientes parámetros:

• Nemátodos Intestinales
• Escherichia Coli
• Sólidos en suspensión
• Turbidez

Al igual que ocurre en el RD 509/1996, el RD 1720/2007 establece los métodos de medida de referencia de los parámetros de control. A continuación se citan los métodos de referencia de los principales parámetros a determinar:

• Microorganismos (nemátodos intestinales y Escherichi coli): Los métodos de referencia se basan en análisis microbiológicos.
• Sólidos en suspensión: “Gravimetría con filtro de fibra de vidrio”. Se trata de filtrar lamuestra en un filtro de fibra de vidrio y realizar posteriormente una pesada.
• Turbidez: “Nefelometría”. Técnica basada en la medición de la radiación dispersa, en este caso por las partículas en suspensión que dan un aspecto turbio al agua. Se escoge esta técnica en lugar de la turbidimetría (cuyo principio se basa en la medición de la intensidad de un haz tras atravesar la muestra y debilitarse su intensidad por la presencia de partículas en suspensión) debido a que la primera presenta mayor precisión en el caso de concentraciones pequeñas de sólidos como debe ser el caso en agua regenerada.

---

Toma y manipulación de las muestras

El muestreo es el proceso de tomar una muestra que intenta ser representativa del conjunto (agua residual) y cuyo fin será el análisis de una o varias de sus características.

Para definir correctamente la metodología a emplear en la toma de muestras, se debe definir previamente el objeto del mismo y los parámetros a determinar, a partir de estos datos se fijarán los puntos y tipo de muestreo.

Objeto del muestreo y parámetros a controlar

En una Estación Depuradora de Aguas residuales se toman muestras a la entrada del agua residual (influente) y a la salida del agua ya tratada (efluente). De esta forma se comprueba:

• El cumplimiento de los límites de vertido (establecidos en la autorización de vertido): a partir de los valores que se obtienen de los diferentes análisis realizados al efluente.
• El correcto funcionamiento (rendimiento) de la instalación: contrastando los valores obtenidos a partir de las muestras del influente y del efluente.

Los parámetros a controlar (definidos en la primera parte de este artículo) se recuerdan a continuación:

• (DBO₅) Demanda bioquímica de oxígeno a 5 días (sin nitrificación)
• (DQO) Demanda Química de oxígeno
• (SS) Sólidos en suspensión

En caso de encontrarse el punto de vertido (o poder afectar) a una zona sensible:

• (N) Cantidad de Nitrógeno total
• (P) Cantidad de fósforo total.

En el caso de querer reutilizar el agua residual tratada:

• Nemátodos Intestinales
• Escherichia Coli
• (SS) Sólidos en suspensión (por gravimetría)
• Turbidez

 Tipos  de muestreo

Por lo que respecta al tipo de muestreo, se pueden distinguir principalmente dos tipos:

• Muestra simple: Muestra discreta tomada en un momento y lugar determinado. Estas muestras representan la composición del agua residual en ese momento.
• Muestra compuesta: Dos o más muestras o submuestras mezcladas en proporciones conocidas (de manera continua o discreta) recogidas en el mismo punto en momentos distintos.

Para evaluar las características del influente a una EDAR se deberá tomar la muestra en el punto de entrada del agua residual. En el caso estimarse que el influente sea de una concentración homogénea (debido a la realización de muestreos anteriores, o por otras causas) puede realizarse un muestreo simple (o una serie de éstos y realizar posteriormente un estudio estadístico de los datos extraídos para validarlo). Sin embargo, lo más habitual es que durante la jornada diaria se realicen vertidos de distintas características, motivo por el que se establece la realización de un muestreo compuesto, a partir del cual se puede establecer la evolución de la contaminación durante la jornada laboral (a partir de cada una de las submuestras) y la concentración de contaminantes media (componiendo la muestra compuesta).

Control de la incertidumbre en la toma de muestras

Como se destaca en varios estudios, es difícil asegurar la representatividad de las muestras tomadas por los tomamuestras. Según estos estudios se observan importantes diferencias entre las características de una muestra recogida por un tomamuestras y las del efluente real.

A continuación se enumeran varios factores a tener en cuenta en la determinación de los equipos a utilizar y la sistemática para realizar la recogida, conservación y transporte de muestras de aguas residuales tanto para análisis físico-químicos como microbiológicos hasta su llegada al laboratorio de análisis. Con el análisis de los mismos se pretende fijar las condiciones óptimas para poder controlar la incertidumbre asociada a la actividad de muestreo y manipulación de muestras.

1.- Variabilidad de las concentraciones en la sección de control

La heterogeneidad del agua residual en la zona en la que se toma la muestra (canal, pozo,etc) dificulta la toma de una muestra representativa ya que la muestra es puntual en la sección de toma.

Para optimizar la representatividad de la muestra la mayoría de estudios realizados coinciden en señalar que el emplazamiento óptimo de la toma de agua se sitúe a una altura de entre el 40 y el 60% de la columna de agua y a una distancia suficiente de las paredes para evitar la contaminación de las muestras por las deposiciones o biofilms que se desarrollan en ellas.

2.- Variabilidad de las concentraciones en el tiempo

La toma de muestras es puntual en el tiempo mientras que la calidad del efluente sufre importantes variaciones a lo largo del tiempo. Como se ha comentado antes, esta es la razón por la que se realizan muestras compuestas.

3.- Segregación de partículas en la toma de agua

La segregación de partículas en el punto de toma de agua está ligada esencialmente a la orientación de la sonda del tomamuestras y a la velocidad de toma de muestra. La toma de muestra ideal es aquella que respeta las condiciones de toma isocinéticas (orientación de la sonda a contra corriente y velocidad de toma igual a la velocidad del flujo) ya que no se modifica las características del flujo. En la práctica, estas condiciones no se pueden conseguir ya que en la posición a contra corriente la sonda se embozaría fácilmente.

Por este motivo, se propone colocar la sonda en el mismo sentido que el flujo, en este caso, las partículas deben realizar una rotación de 180º antes de entrar en la sonda lo que puede implicar una subestimación de la concentración de sólidos en suspensión. Para limitar esta segregación en la
toma, se debe asegurar una velocidad de toma superior a la velocidad del flujo en el punto de muestreo.

4.- Modificación de la muestra durante el transporte entre el punto de toma y la botella

Este fenómeno ha sido ampliamente estudiado. En la tesis de [Gromaire; 2004] se proponen una serie de criterios relacionados con el diámetro y la longitud de la sonda del tomamuestras para eliminar el fenómeno de flotación y asegurar un transporte vertical y horizontal sin sedimentación
en la sonda y asegurar así la representatividad de la muestra.

5.- Contaminación de la muestra durante la operación de la toma de muestras.

Las muestras se pueden contaminar por:

• Contacto con los materiales del tomamuestras (se trata esta problemática en puntos posteriores)
• Contacto con la muestra precedente si el sistema de toma no se ha vaciado completamente.
• Erosión de biofilms y depósitos formados en la sonda de toma.

Los riesgos de contaminación por contacto con la muestra anterior y por la formación de biofilms y depósitos en la sonda se pueden reducir eligiendo tomamuestras que tengan la capacidad de realizar una purga tras la toma de cada muestra asegurando el vaciado de la sonda y un ciclo de lavado
previamente a la toma de una nueva muestra para eliminar los restos que se hayan podido depositar.

Conservación de las muestras

El agua es susceptible de sufrir cambios como consecuencia de reacciones físicas, químicas y biológicas que tienen lugar desde el momento del muestreo hasta el análisis. Como consecuencia de ello es necesario tomar precauciones para conservar las muestras desde el momento de su toma y
durante su transporte y tiempo de espera en el laboratorio para ser analizada.

1.- Temperatura

Para conservar la muestra los tomamuestras automáticos elegidos deben ser refrigerados, y se deben utilizar neveras portátiles para el transporte de las muestras.

2.- Homogeneización de la muestra

Por otro lado, en el caso de muestras para determinaciones físico-químicas o microbiológicas, las botellas no se deben llenar completamente para facilitar la homogeneización del contenido.

3.- Adición de conservantes

La adición de conservantes y otros trabajos de conservación es mejor realizarlos en un ambiente controlado (laboratorio) que en campo, siempre que sea técnicamente adecuado. Por este motivo, en el caso en que la adición de conservantes se deba realizar en el momento de la toma de muestras (principalmente en el caso de análisis microbiológicos de aguas cloradas); la adición del conservante se hace en el laboratorio antes de la toma de muestra sobre los envases que se vayan a utilizar.

Elección de los equipos para la toma de muestras

Para la elección de los equipos se deberán tener en cuenta las consideraciones realizadas anteriormente.

1.- Tomamuestras

Se utilizará un tomamuestras automático para la realización de tomas compuestas. Las características de la sonda deberán cumplir los requisitos necesarios para no modificar la muestra durante el transporte punto de toma-botella.

2.- Envases para la toma de muestras

El recipiente o botella tiene que preservar la composición de la muestra, de manera que no existan pérdidas por adsorción o volatilización ni contaminaciones provenientes de sustancias extrañas:

• Para el muestreo de los parámetros físico-químicos citados es adecuada la utilización de recipientes de material plástico (PET) o vidrio (en el caso particular de querer analizar la presencia de algún metal se debería evitar el vidrio).
• Para el muestreo en aguas residuales para análisis microbiológicos se deben usar envases de vidrio que habrán sido esterilizados previamente en autoclave.

3.- Termómetros

El uso de un termómetro registrador de la temperatura en el equipo tomamuestras y en la nevera portátil puede proporcionar la evidencia de la temperatura real de la muestra durante su toma y manipulación hasta el laboratorio.

Identificación de las muestras – Etiquetado

Por último, y no por ello menos importante, tras la toma de una muestra, ésta debe quedar claramente identificada. Cada recipiente debe identificarse con una etiqueta legible y resistente con al menos los siguientes datos:

• Punto de muestreo
• Tipo de muestra
• Tipo de muestreo (simple / compuesto, etc.).
• Fecha y hora de muestreo.
• Adición de conservantes (en su caso).

---

Bibliografía

• “Ingeniería de Aguas residuales. Tratamiento vertido y reutilización”. Metcalf & Eddy. Mac Graw Hill. (1995)
• “La pollution des eaux pluviales urbaines en réseau d’assainissement unitaire”. M.C. Gromaire-Mertz (Tesis doctoral, 1998).
• “Características de los vertidos de aguas residuales y su incidencia en los sistemas de saneamiento.” R.Mantecón XXVIII Curso sobre tratamiento de aguas residuales y explotación de estaciones depuradoras. CEDEX (2010)
• “Evaluación de los rendimientos de depósitos de detención-aliviadero en redes de saneamiento unitarias en cuencas de la España húmeda”. Mª C. Beneyto González-Baylín (Tesis doctoral, 2004)
• Confederación Hidrográfica del Júcar
• www.hannainst.es