Sudáfrica, un país del tercer mundo, se ve desafiada por sus técnicas de tratamiento de agua. Esto supone un reto tecnológico, operativo y económico para las instalaciones de tratamiento de agua.
Sudáfrica está atravesando actualmente un panorama económico difícil. Para 2024, el crecimiento proyectado del PIB es de aproximadamente un 1,2 por ciento, una ligera mejora respecto al crecimiento del año anterior por debajo del 1 por ciento.
A pesar de estos desafíos, Sudáfrica sigue siendo un actor importante en la región del sur de África, que se espera que experimente un modesto aumento en su crecimiento. La población está experimentando una tasa de crecimiento anual rápida para 2024.
El tratamiento de aguas residuales supone un desafío importante para un país que lidia con presiones tanto económicas como sobre el crecimiento de la población.
¿Cómo concentra el tratamiento de aguas residuales sus recursos en este entorno tan difícil?
La técnica convencional para medir microorganismos en el agua, llamada Demanda Bioquímica de Oxígeno (DBO), también se conoce como medición DBO 5. Es una prueba que determina la cantidad de oxígeno consumida por microorganismos al descomponer materia orgánica en una muestra de agua durante un periodo de incubación de 5 días a 20°C. Esta prueba se utiliza ampliamente como indicador de la contaminación orgánica en el agua, ya que mide la cantidad de material orgánico biodegradable presente, reflejando la intensidad de las aguas residuales o el nivel de contaminación en un cuerpo de agua natural. El valor de DBO 5 se expresa típicamente en miligramos de oxígeno por litro (mg/L).
La medición convencional de BOD 5 consiste en recoger muestras representativas de agua y, si es necesario, diluirlas para asegurar suficiente oxígeno disuelto. Si la muestra carece de suficientes microorganismos, se añade un inóculo. Se incluyen amortiguadores y nutrientes para favorecer el crecimiento microbiano. Se mide la concentración inicial de oxígeno disuelto (DO) y la muestra se incuba a 20°C durante cinco días en la oscuridad. La DO final se mide después. El valor de DBO 5 se calcula restando la DO final de la DO inicial, indicando el nivel de consumo de oxígeno debido a materia orgánica.
Este proceso dura unos cinco días, suele ser subcontratado y es caro de operar. Sin embargo, las nuevas tecnologías pueden abordar estos problemas y aliviar algunos de los puntos de dolor en el proceso.
Thomas Ingwani es estudiante de doctorado en la Universidad de Sudáfrica. Recientemente coescribió un artículo, An optimized and validated subrogate analyte technique A-TEEM–PARAFAC–PLS para detectar y cuantificar la demanda biológica de oxígeno en aguas superficiales, que confirmó una técnica óptica más barata, rápida y precisa que está revolucionando el tratamiento de aguas residuales en Estados Unidos.
"Una duración de prueba de 5 días hace que la medición de la DBO 5 sea insatisfactoria y dificulta el desarrollo de una técnica rápida", dijo el investigador Thomas Ingwani.
Decidió evaluar un método relativamente nuevo para abordar algunas de las limitaciones de las pruebas convencionales de medición BOD 5.
El método se basa en una variante patentada de espectroscopía de fluorescencia. La absorción simultánea, transmitancia y adquisición de matriz de excitación-emisión fluorescente (A-TEEM) crean una huella molecular de muestras, corrigiendo el efecto del filtro interno sobre la marcha. Esto lo hace independiente de la concentración.
Se recogen muestras y se cargan en cubetas, y los resultados se entregan en 15 segundos a 5 minutos, en lugar de los días requeridos para la medición convencional de BOD 5. A-TEEM funciona con el HORIBA Aqualog, un pequeño instrumento de mesa que puede colocarse en línea dentro de la cadena de pruebas de tratamiento de agua.
Esto informa a los ingenieros de forma rápida y precisa sobre cómo tratar el efluente a nivel de planta, sin tener que recurrir a servicios externos o a terceros ni esperar días a que lleguen los resultados.
Ingwani concluyó que los picos de fluorescencia similares a los proteicos muestran una fuerte correlación entre las características de la DBO y las intensidades de fluorescencia con A-TEEM.
"Para identificar y medir la DBO en aguas superficiales, se desarrolló un método simultáneo de matrices de excitación-emisión de absorbancia–transmitancia y fluorescencia (A-TEEM) combinado con análisis PARAFAC (factor paralelo) y PLS (mínimos cuadrados parciales) utilizando una mezcla de tirosina y triptófano (tyr–trpt) como analito sustituto para la DBO. Se decidió el uso de un analito sustituto debido a la falta de estándares de DBO fluorescentes", escribieron los autores del artículo.
El resumen aborda un nuevo enfoque para medir la Demanda Biológica de Oxígeno (BOD) en muestras de agua, en lugar de una prueba de 5 días que puede resultar engorrosa. Los investigadores descubrieron que ciertos picos fluorescentes relacionados con proteínas se correlacionan bien con los niveles de DBO. Debido a la ausencia de estándares de BOD fluorescentes, se utilizó una mezcla de tirosina y triptófano como sustituto del estándar BOD. Este método A-TEEM junto con las técnicas PARAFAC y PLS mostró muy buenos resultados, lo que indica que pueden detectar y cuantificar eficazmente las mezclas tyr-tripto como sustitutos de los niveles de DBO en aguas superficiales.
Con excelente precisión y fiabilidad, esta técnica tiene el potencial de sustituir a los métodos tradicionales de ensayo de DBO, ofreciendo una solución más rápida para las instalaciones de tratamiento de agua. Se planifican estudios futuros para probar este método en muestras reales de aguas residuales de diferentes plantas de tratamiento.
La conclusión de este artículo destaca un nuevo método para detectar y medir la DBO en aguas superficiales utilizando un analito sustituto, específicamente una mezcla de tirosina y triptófano. Este método ha mostrado resultados prometedores, respondiendo el instrumento de forma sensible a las mezclas tyr-trippt como sustituto para las mediciones de DBO. Ha sido validado según las directrices establecidas y ha demostrado ser preciso y fiable.
Una gran ventaja de este método estándar de suma es su capacidad para corregir cualquier efecto causado por la matriz de la muestra. Aunque este método no sustituirá completamente los análisis químicos más detallados, podría ayudar a detectar muestras que requieren más pruebas. En general, se necesitan más estudios para explorar la aplicación de este método en diversas muestras de aguas residuales de distintas plantas de tratamiento.
Este estudio probablemente transformará las prácticas de los científicos interesados en medir la DBO en el agua. El método es eficiente, requiere una preparación mínima de muestras y es sencillo de realizar. Además, es más económica que la medición BOD 5, que es otro beneficio importante de la técnica.
Ingwani et al. proponen un estándar de mezcla Tyr-trippt como sustituto adecuado del estándar BOD en el análisis de agua.
Los desafíos de la regresión PLS se resolvieron mediante la aplicación del algoritmo SIMPLS, considerado el método de regresión PLS más eficiente y rápido disponible.
DBO denota el nivel de contaminación orgánica que se encuentra en los ecosistemas acuáticos. Evalúa la cantidad de materia orgánica que puede ser descompuesta por bacterias aeróbicas en diversos ambientes, incluyendo aguas residuales, suelos, sedimentos, residuos y lodos. Un alto nivel de DBO refleja un grado considerable de contaminación orgánica en el agua, lo que permite a los operadores de plantas crear estrategias para la eliminación y tratamiento de la materia orgánica significativa presente. Por el contrario, un nivel bajo de DBO indica una menor cantidad de materia orgánica, lo que lleva a los operadores a ajustar sus métodos para abordar esta menor cantidad. La dosis de los productos químicos del tratamiento puede ajustarse en consecuencia, Ingwani et al.
Ingwani et al. indicaron que este método tiene el potencial de ampliarse para operaciones de tratamiento de aguas residuales a gran escala.
Según Adam Gilmore de HORIBA, quien también es coinventor del espectrómetro A-TEEM, el análisis de una muestra usando el método BOD 5 implica un coste aproximado de 50 dólares. En cambio, el coste asociado al análisis de una muestra mediante espectroscopía A-TEEM ronda los 5 dólares, beneficiándose de un proceso de preparación de la muestra más sencillo.
Un beneficio notable de obtener simultáneamente espectros de absorbancia y EMMs 3D es la corrección única de los efectos del filtro interno, lo que resulta en una interpretación más precisa de los datos espectrales.
Gilmore ha sido nombrado en la Universidad de Sudáfrica como equivalente a profesor visitante.
Thabo Nkambule, asesor académico y mentor de Ingwani, es miembro del Comité de Calidad del Agua de ASTM Orgánicos.
Y a menudo se habla de esta técnica BOD 5, y hay planes para eliminarla, principalmente porque depende de un inóculo de bacterias en las primeras fases." dijo Nkambule. "Sabes, a partir de ahí controlan el consumo de oxígeno, pero ese inóculo puede variar mucho en cuanto a actividad y según la fuente, cuánto tiempo se almacena y otras cosas así. Así que es una medida bastante básica. Así que lo que aportamos es una visualización óptica mucho más precisa de los componentes que están causando esto. Así que es más bien un WYSISYG porque en BOD 5 no ves nada salvo la lectura de concentración de oxígeno. Y aquí (con A-TEEM espectroscopía de fluorescencia), vemos los componentes responsables de digerir la materia orgánica y el oxígeno."
La colaboración con HORIBA y la Universidad de Sudáfrica sigue creciendo.
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