Quan es requereix tractar un important cabal d’aigües residuals, la primera alternativa que generalment convé considerar és la utilització d’un procés biològic, ja que és un dels tractaments complets més econòmics i la quantitat de residus que es generen és relativament baixa. No obstant això, serà decisiu conèixer la naturalesa de la contaminació present a l’aigua per avaluar la idoneïtat d’un tractament o un altre, ja que aquests són molt selectius pel que fa al tipus de contaminació que eliminen.
Per conèixer el tipus de contaminació és necessari dur a terme una caracterització de l’aigua residual, la qual proporciona una àmplia varietat d’informació sobre el tipus i la concentració dels contaminants. Els paràmetres que hauran de ser analitzats, a part dels generals com pH i conductivitat, seran els que donin idea del contingut de matèria orgànica, nutrients (nitrogen i fòsfor), sòlids en suspensió, algun relacionat amb la toxicitat de les aigües residuals en relació amb els microorganismes, a més dels més específics i relacionats amb el tipus d’activitat que genera l’efluent (metalls, tensioactius, sulfats, cianurs, etc.).
Per conèixer la quantitat de matèria orgànica que els microorganismes són capaços d’assimilar, la demanda bioquímica d’oxigen (DBO5) ha estat un paràmetre molt utilitzat a l’hora de caracteritzar les aigües residuals, encara que és poc precís (l’aclimatació dels microorganismes a l’aigua residual influeix en la mesura), de determinació lenta (es requereixen almenys 5 dies per realitzar la mesura) i no és pràctic per a la seva utilització en la gestió de les plantes de tractament. En contrapartida, la demanda química d’oxigen (DQO) és un paràmetre precís, de ràpida obtenció, que mesura tota la matèria orgànica de l’aigua (la biodegradable i la no biodegradable), per la qual cosa és el majoritàriament emprat. Però, precisament perquè mesura tota la matèria orgànica, a l’hora de conèixer millor l’efluent que es desitja tractar, és una informació necessària però no suficient. Per realitzar una caracterització completa i profunda de l’efluent, juntament amb els paràmetres citats, s’haurà de dur a terme un fraccionament de la DQO, que aportarà informació de l’efluent en termes de les diferents velocitats de degradació de les diferents fraccions de DQO.
Les fraccions de la DQO amb les quals s’acostuma a treballar són les mateixes que utilitzen els models de fangs activats de la International Association of Water Quality (IAWQ) i són les següents:
- DQO fàcilment biodegradable (DQOfb). Aquesta fracció, que s’assimila a la DQO soluble en l’aigua, és la que la biomassa consumeix més ràpidament (en pocs minuts), generant una ràpida i elevada demanda d’oxigen. Els compostos que conformen aquesta fracció són substàncies solubles, de baix pes molecular, com és el cas dels sucres, alcohols i àcids grassos.
- DQO lentament biodegradable (DQOlb). Aquesta fracció es relaciona amb la DQO biodegradable no soluble, o particulada, i habitualment és la fracció biodegradable majoritària. Està formada per molècules solubles d’elevat pes molecular, substàncies col·loidals i partícules sòlides. Totes elles tenen en comú que no són de fàcil degradació per la biomassa. Abans, han de ser hidrolitzades per les enzims segregades pels microorganismes i convertides en molècules solubles, de baix pes molecular i, per tant, de fàcil assimilació per a les cèl·lules. L’etapa d’hidròlisi és lenta, és l’etapa que controla el procés i porta associades taxes de consum d’oxigen molt més baixes que les de consum de la DQO fàcilment biodegradable.
- DQO soluble no biodegradable (DQOsnb). Aquesta fracció no es veu alterada pel contacte amb la biomassa, no pateix cap tipus de variació durant el tractament i surt amb l’efluent. Si aquesta fracció és majoritària a l’efluent, els processos biològics queden directament descartats.
- DQO particulada no biodegradable (DQOpnb). Aquesta fracció, encara que no és consumida per la biomassa, gran part decanta juntament amb els fangs, reduint-se la concentració a la sortida en relació amb l’entrada.
El fet que la DQO soluble no es correspongui perfectament amb la DQO fàcilment biodegradable, de la mateixa manera que la DQO particulada no es correspon totalment amb la DQO lentament biodegradable, fa que la forma idònia de determinació de les diferents fraccions sigui mitjançant respirometria. Aquesta tècnica mesura el consum d’oxigen per part de la biomassa en degradar els substrats en relació al temps, la qual cosa proporciona una informació molt precisa tant de l’activitat dels organismes com de la velocitat a la qual els diferents substrats són consumits. La taxa de respiració és la velocitat de consum d’oxigen, per unitat de volum i temps. Representant les dades obtingudes de la taxa de respiració respecte al temps s’obté un respirograma, com l’exemple de la figura, en el qual es diferencien les següents àrees:
- A1: àrea proporcional a la concentració de DQO fàcilment biodegradable. És la primera DQO que es consumeix i amb la taxa de respiració més elevada.
- A2: àrea proporcional a la concentració de DQO lentament biodegradable. La velocitat de consum d’oxigen és menor i es prolonga més en el temps.
- A3: àrea proporcional a la quantitat d’oxigen consumit en el procés de nitrificació.
- A1+A2+A3: indica la quantitat d’oxigen necessària per a una oxidació completa dels contaminants.
- Un cop finalitzada la respirometria, si es realitza una DQO del licor mescla filtrat (0,45 m) s’obté la DQO soluble no biodegradable. I finalment, si a la DQO inicial (total) se li resta la DQO biodegradable (suma de la fàcilment biodegradable i de la lentament biodegradable) i la DQO soluble no biodegradable, per diferència s’obté la fracció de DQO particulada no biodegradable.
Un cop determinades les diferents fraccions en funció de la seva respectiva biodegradabilitat, es disposa d’una caracterització completa de la matèria orgànica de l’aigua residual, la qual complementa la resta de paràmetres analitzats. Aquesta informació serà fonamental per prendre decisions en l’etapa de disseny del sistema de tractament dels efluents; servirà per seleccionar els processos que poden ser eficients i quins poden ser descartats directament. Per exemple, una aigua amb una fracció lentament biodegradable que sigui majoritària, no pot ser tractada mitjançant un sistema biològic en què l’aigua estigui molt poc temps en contacte amb la biomassa.
Així mateix, la determinació de les diferents fraccions en base a la seva diferent biodegradabilitat també permet calibrar els models cinètics que posteriorment descriuran el comportament del sistema (qualitat de l’efluent, demanda d’oxigen, producció de fangs, etc.) en resposta a fluctuacions en temps real de la càrrega i del cabal de l’afluent.
Així doncs, la caracterització completa de l’aigua residual és fonamental per poder afrontar amb garanties d’èxit l’etapa de selecció del tipus de tractament i el seu posterior disseny.