Validação de Métodos e Controlo da

Qualidade em Análises de Águas Residuais

Exemplo : Determinação do CB05

Maria Ascensão Trancoso

2 M. A, Trancoso 03/07/13

CBO5

Método das Diluições:

• Execução muito morosa

• Usa mais reagentes

• Usa muito material de

vidro

• Engloba várias etapas

• Mínimo 5 diluições

• Limitação temporal

(análise: 4ª, 5ª, 6ª feira)

Método Manométrico:

• Execução mais rápida

• Uso reduzido de reagentes

• Uso reduzido de material de

vidro

• Método direto

• Intervalos de medição

muito mais amplos

• Sem limitação temporal

(registo contínuo de valores)

• Amostra sem pré-diluição –

representação mais próxima

das condições naturais da

degradação bioquímica

3 M. A, Trancoso 03/07/13

Equipamento

)(O)(O

22 p

T

T

V

VV

TR

MBOD

0

m

I

It

m5

M(O2) - massa molar de O2 (mg mol-1); R - constante molar dos gases (L·mbar/mol·K); Tm - temperatura de medição do ensaio (K); Vt - volume da garrafa BOD (mL); VI - volume do balão de transvasamento (mL); - coeficiente de Bunsen para o oxigénio; T0 - temperatura de referência (273,15 K); p(O2) - diferença da pressão parcial de oxigénio obtida no ensaio (hPa)

Equação geral do sistema BSB/BOD-Sensomat System AL 342, da AQUALYTIC:

DETERMINAÇÃO DE BOD5 EM ÁGUAS RESIDUAIS PELO MÉTODO MANOMÉTRICO

Neste trabalho apresenta-se:

Neste trabalho apresenta-se:

• Programa de validação com vista à

Acreditação do método manométrico de determinação de CBO5

)()(

2

0

25 Op

T

T

V

VV

TR

OMCBO m

I

It

m

MENSURANDA a

nóculoi nóculoi 5Iequip 5L mg2

V

VBODVBODOC -1

Início

Análise

Não

Temperatura aceitável?

Ajustar temperatura

pH entre 6 a 8?

Corrigir pH

Não

SimCloro em excesso?

Eliminar com NaSO3

Sim

Temperatura da

incubadoraTemperatura 20±1ºC?

Não Corrigir temperatura

Sim

- Descontaminar material- Preparar novas soluções Não

Sim

Controlo dentro limite aceitação?

Sim

- Utilizar outra fonte de inóculoNão

Gama de Aplicação

(Volume Amostra)Gráfico com

cinética 1ª ordem?

Sim

Não

Avaliação da

PrecisãoAmplitude dentro limite

aceitação?

Sim

Sim

- Homogeneização da amostra eficiente?Não

- Corrigir volume a incubar e escalaNão

Escala medição adequada?

Sim

Avaliação da

exactidãoComparação

métodos?

- Calibração sensor satisfatória? - Overflow? - Leitura excedem temporáriamente escala? - Underflow?

Resultado NãoEnsaio Interlaboratorial?

Sim Z-score aceitável?

Não Acções correctivas

Programa de Validação

1

2

3

4

5

6

Água diluição inoculada

satisfatória?

Acondicionamento

da amostra

Padrão de Controlo

Não

Sim

0

50

100

150

200

250

300

350

400

Tempo (dias)

mg

O2L

-1

0 1 2 3 4 5

pH = 7,4

pH = 2,6

pH = 10,5

Acondicionamento da amostra

Efeito do pH da amostra

1

pH є [6,5;8,0] (SMEWW)

Amostra a:

– É importante manter o pH ≈ 7

– Valores fora do intervalo de pH refletem-se em desvios negativos.

0

50

100

150

200

250

300

350

400

Tempo (dias) m

g O

2 L

-1 0 1 2 3 4 5

[HOCl] = 0 mg/L

[HOCl] = 36 mg/L

Amostra Padrão de Controlo (210 ± 20 mg O2 L-

1)

Presença de cloro residual

na amostra

Acondicionamento da amostra – Substâncias Tóxicas 1

0

50

100

150

200

250

300

350

400

Tempo (dias)

mg

O2 L

-1

0 1 2 3 4 5

[HOCl] = 0 mg/L

[HOCl] = 36 mg/L

- O cloro residual presente numa amostra deve ser previamente

eliminado.

- O mesmo se passa para outras substâncias tóxicas (ex: CN-, fenóis,

metais pesados, etc)

)(

)(2

0

25 Op

T

T

V

VV

TR

OMCBO m

I

It

m

Influência da Temperatura da Incubadora

- O valor de CBO5 depende do valor da temperatura da incubadora

Sensores I.V.:

Temperatura de medição = 293,15K (20 ºC)

Constante da velocidade de reacção:

2

Temperatura mg O2 L

-1

Padrão de Controlo

20 ± 1 ºC

22 - 23ºC (*)

210 ± 20

260 ± 16

)20(

20

TkkT

(*) média de 3 ensaios

)( sx

- A temperatura da incubadora deve ser mantida a 20 ± 1 ºC, com garantia

da homogeneidade da temperatura no seu interior.

- Necessita de calibração anual; verificação diária / emanal

Padrão de Controlo 3

Água de Diluição Inoculada

x = 3,0 ± 2,0 mg O2 L-1 (x ± 2s)

Carta de Controlo de Valores

Individuais

•O ensaio da água de diluição inoculada é realizado em paralelo com o ensaio

do padrão de controlo.

•Serve exclusivamente para o PC

0,0

1,0

2,0

3,0

4,0

5,0

6,0

7,0

0 10 20 30 40 50 N.º ensaios

LA(-) = 0,0

Zo

na

de A

vis

o

LA(+) = 4,8

LC(+) = 6,3

1,7x

1 L /mg dilágua5BOD

Nº ensaios

1,9x

LC(+) = 6,3

LA(+) = 4,8

LA(-) = 0,0

1 L /mg dilágua5BOD

Padrão de Controlo

Aceitação do Padrão de

Controlo

3

µ = 210 ± 20 mg O2 L-1

dilágua

QCdilágua

dilágua

QCQCBOD

VV

VBOD 5

52O

• (150 mg ácido glutâmico + 150 mg glucose) /L

• Valor teórico CBO5: 210 ± 20 mg O2 L

-1 [EN – 1899-1]

QC2O

ref2O

/mg L-1

refs

/mg L-1

obs2O

/mg L-1

obss

/mg L-1

n mR

Solução padrão GGA

(vide A-III.6) 10,5 - 11,10 0,86 11 1,1

Solução padrão de controlo de

GGA (vide A-III.3) 210 20 214 10 50 1,0

QC2O – concentração em massa de O2 dissolvido consumido durante a oxidação da matéria

orgânica e/ou inorgânica da solução padrão, durante um período de incubação de 5 dias, na ausência de

luz, a 20 ºC

(Eq. 4.2); ref2O e

refs – valor de referência e desvio padrão de referência de QC2O ,

respectivamente; obs2O – valor médio da concentração obtida experimentalmente, (Eq. 3.3);

obss – desvio padrão observado (Eq. 3.2) de QC2O ;

mR – valor médio da recuperação de n ensaios

(Eq. 3.19).

0

100

200

300

400

500

600

700

800

Tempo (dias)

mg

O2 L

-1

0 1 2 3 4 5

escala medição

[0;800]

escala medição

[0;400]

Gama de aplicação

4

• O oxigénio contido na garrafa é um factor limitante de resultados exactos.

a)

b)

a) Volume bem seleccionado [CBO5] dentro gama medição (escala 0-800)

b) Volume mal seleccionado [CBO5] excede gama medição (escala 0-400)

estimativa a partir da oxidabilidade

Limite Superior ≈ 2000 mg O2 L-1

(directo)

Limite Inferior LQ

Volume de Amostra

(escala de medição)

Δ ≈ 15% (ensaio

interlaboratorial)

- A ocorrência de overflow conduz a distorções dos valores medidos,

conduzindo a desvios negativos.

Volume de Amostra 4

Calibração do sensor

• Pastilha AQUALYTIC Cat Nº 418328 (CAL test): µ = 314 ± 30 mg O2 L-1.

• Avalia estanquicidade do sistema

funcionamento do sistema

- Evolução correcta da Calibração

Ensaio 1 = 318 mg O2 L-1

Ensaio 2 = 324 mg O2 L-1

CAL test

µ = 314 ± 30 mg O2 L-1

CAL test

µ = 314 ± 30 mg O2 L-1

0

50

100

150

200

250

300

350

400

Tempo (dias)

mg

O2 L

-1

0 1 2 3 4 5

µ

0

50

100

150

200

250

300

350

400

Tempo (dias)

mg

O2 L

-1 0 1 2 3 4 5

µ

- Calibração insatisfatória

Sensor não pode ser utilizado

• Periodicidade da Calibração: mínimo 1 vez por ano

0

2

4

6

8

10

duplicados (amostra)

mg

O2 L

-1

LC

_

R

- Os resultados de amostras que não se enquadram dentro do intervalo

estabelecido pelas cartas de controlo são rejeitados e as amostras

repetidas.

5 Avaliação da Precisão

• A partir das cartas de controlo de amplitudes.

RLC 27,3N

RR

i

s = 0,98 mg O2 L-1

RSD = 6,2%

s = 4,5 mg O2 L-1

RSD = 1,5 %

128,1

Rs

Gama: [0;100] mg O2 L-1 Gama: [100;800] mg O2 L

-1

%100x

sRSD

0

5

10

15

20

25

30

duplicados (amostra)

mg

O2 L

-1

LC

_

R

Gama

2O

/mg L-1

Valores de referência

n

Valores observados

Modo 1 Modo 2

ref2O

/mg L-1

refs

/mg L-1

ref

u 2O /mg L

-1

obs2O

/mg L-1

obss

/mg L-1

mRs

mrel Ru

10-100 - - - - - - - - -

10,5 - - 11 11,1 - 0,082 - 0,028

100-800 210 20 2,64 50 214 10 - 0,014 -

210 - - 50 214 - 0,049 - 0,0070

Avaliação da Veracidade

Sandra calisto, Dissertação apresentada na obtenção do Grau de Mestre em Engenharia Química – Química Aplicada, IST 2008

Ensaios Interlaboratoriais

IzscoreI ≤ 2 Resultado satisfatório

2 < IzscoreI < 3 Resultado questionável

IzscoreI ≥ 3 Resultado insatisfatório

- Desempenho satisfatório

interlab.

scores

xZ

)(

/mg L-

1

/mg L-

1

/mg L-

1

z-score

/mg L-1

Avaliação do

desempenho

141 29,9 159 0,61 Satisfatório

144 34 140 -0,13 Satisfatório

178 41 166 -0,29 Satisfatório

356 82 399 0,52 Satisfatório

451 105 517 0,63 Satisfatório

265 59,1 303 0,65 Satisfatório

162 43 173 0,26 Satisfatório

ref2O

refs obs2O

-

-

-

-

-

y = 1,14x + 17,88

R2 = 0,97

0

100

200

300

400

500

600

700

800

0 100 200 300 400 500 600 700 800

mét. diluições (mg O2 L-1

)

mé

t. m

an

om

ét.

(m

gO

2 L

-1)

Avaliação da Exactidão 6

Comparação de métodos

Barra de erro: interlab.sx

Doméstico I

Urbano

Doméstico II

Doméstico III

Industrial (ensaio interl.)

DETERMINAÇÃO DE BOD5 EM EFLUENTES PELO MÉTODO MANOMÉTRICO

Características de desempenho do método

Sandra calisto, Dissertação apresentada na obtenção do Grau de Mestre em Engenharia Química – Química Aplicada, IST 2008

BOD5 em Águas Residuais Método Manométrico: ME 200_27

19/25

FLUXOGRAMA Acondicionamento da

amostra

- Temperatura entre 15 a 20- pH entre 6,5 a 8,0- Eliminação de cloro residual em excesso

- Oxidabilidade- COD

Selecção do volume de

amostra a incubar

- Magnete na garrafa- Absorvente no contentor de borracha

(4 gotas, [KOH]=400 g L-1) - Garrafa selada com sensor-I.V.

Início de medição com

BSB/BOD Sensomat

Incubação a 20±1ºC,

durante 5 dias

- Modo de operação: Routine BOD

Standard BOD- Garrafa na plataforma de agitação inductiva

Registo de valores

Preparação do sistema

Sensomat

Perfazer volume com

amostra

Perfazer volume com

inóculo

Perfazer volume de

428 mL com água

diluição inoculada

Adição inibidor de

nitrificação [ATU]=1 g L-1

em balão de 157 mLAdição de inibidor

[ATU]=1 g L-1

Adição de inóculo

Amostra

Valor indicativo de BOD5

Resultado

Ensaio com amostra Ensaio do inóculo

Ensaio da água de diluição inoculada

Preparação do PC a 300

mg L-1 com água de

diluição inoculada

Perfazer volume de 157

mL com solução de PC

Ensaio de Controlo

Intervalo medição Volume

- 40 mg O2 L-1 428 mL

- 80 mg O2 L-1 360 mL

- 200 mg O2 L-1 244 mL

- 400 mg O2 L-1 157 mL

- 800 mg O2 L-1 94 mL

- 2000 mg O2 L-1 56,0 mL

Selectividade

Gama de trabalho

Limite de Detecção

Limite de Quantificação

Precisão (reprodutibilidade intralaboratorial)

Veracidade (soluções padrão de controlo de ác. glutâmico e glucose)

Exactidão (estimativa da

Incerteza) Ensaios de aptidão

D

Validação e QC interno

B

Componentes individuais (GUM)

A Modelos de Cálculo

Modo 1:

Modo 2:

(Valor consensual)

N

1ii

22

ic xu

x

fyu

2rel2relrelc veracidadeuprecisãouyu

2

ref

ref

2obs

2obsrel u

n

sveracidadeu

nR

sveracidadeu

m

mRrel

2refrel2

biasrel uRMSveracidadeu

Parâmetros

Características de desempenho do método

DETERMINAÇÃO DE BOD5 EM EFLUENTES PELO MÉTODO MANOMÉTRICO

Incerteza da medição

COMPARAÇÃO DE ESTIMATIVA DE

INCERTEZAS OBTIDAS POR

DIFERENTES ABORDAGENS –

CASOS PRÁTICOS DE MÉTODOS

DE ENSAIO

21/25

MENSURANDA

DIAGRAMA DE CAUSA-EFEITO:

BOD5 em Águas Residuais ME 200_27

C(O2)

BOD5 equip

R

Va precisão

V inóculo

Vt

V’I

VI

M(O2)

TmfT

p(O2)

V’

Vt

VI

VI

Tm

T0

fcal incubadora

fequipamento

BOD5 inóculo

R

M(O2)

fT

p(O2)

V’’

Vt

V’I

V’I

Tm

T0

VI

Vtemp

VI

VcalVtemp Vinóculo

VcalVtemp

Vcal

Tm

Vinóculo

Vtemp

Vcal

a

nóculoi nóculoi 5Iequip 5L mg2

V

VBODVBODOC -1

22

2

2

inóculo 520

2

0

inóculo 5

22

inóculo 52I

2

I

inóculo 52t

2

t

inóculo 5

2m

2

m

inóculo 522

inóculo 522

2

2

inóculo 5

inóculo 5

OpuOp

BODTu

T

BOD

uBOD

'Vu'V

BODVu

V

BOD

TuT

BODRu

R

BODOMu

OM

BOD

BODu

22

2

2

equip 520

2

0

equip 5

22

equip 52I

2

I

equip 52t

2

t

equip 5

2m

2

m

equip 522

equip 522

2

2

equip 5

equip 5

OpuOp

BODTu

T

BOD

uBOD

VuV

BODVu

V

BOD

TuT

BODRu

R

BODOMu

OM

BOD

BODu

inóculoI VVVa 1r

inóculoI V;V

COMPARAÇÃO DE ESTIMATIVA DE INCERTEZAS OBTIDAS POR DIFERENTES ABORDAGENS – CASOS

PRÁTICOS DE MÉTODOS DE ENSAIO

22/2

5

QUANTIFICAÇÃO DAS COMPONENTES DE INCERTEZA

Lei da

Propaga

ção de

Erros

)V ,V( entre Correlação inóculoI

inóculoI V;VinóculoIinóculo

2

I

2

2inóculo

2

inóculo

22inóculo 5

2

inóculo 5

2

2a

2

a

22I

2

I

22equip 5

2

equip 5

2

2

rVuVuV

OC

V

OC

VuV

OCBODu

BOD

OC

VuV

OCVu

V

OCBODu

BOD

OC

OCu

23/25

QUANTIFICAÇÃO DAS COMPONENTES DE INCERTEZA

BOD5; ME 200_27

Lei da

Propagação

Componente precisão a partir da

repetibilidade do ensaio:

rep

22

21-2

c precisãouOCuL mg OCu

INCERTEZA COMBINADA

Componente precisão a partir do CQ

(reprodutibilidade intra-laboratorial:

pRe2

221-

2c precisãouOCuL mg OCu

OCu2 L mg OCU 2

c-12 INCERTEZA EXPANDIDA

24/2

5

CONTRIBUIÇÃO RELATIVA DAS COMPONENTES DE INCERTEZA vs. CONCENTRAÇÃO

Repetibilidade do ensaio: Reprodutibilidade intra-laboratorial:

1 – Passo a Passo Método Manométrico: ME 200_27

-5 15 35 55 75 95

10,1±1,1

16,2±1,6

69,6±5,8

103,1±5,3

173,4±9,5

182,7±8,7

248±13

266±12

303±13

381±16

402±18

517±22

(%)

BOD5 equip VI Va BOD5 inóculo

Vinóculo precisão (Rec) cor(VI, Vinóculo)

1- 2

OO

LO mg

CUC22

4,4 %

4,2 %

10,5 %

9,7 %

8,3 %

5,1 %

5,5 %

4,8 %

5,3 %

4,5 %

4,3 %

4,3 %

% CU2O

-5 15 35 55 75 95

10,1±1,1

16,1±1,6

69,6±6,5

103,1±7,

173±12

183±13

248±18

266±19

303±22

381±27

402±29

517±37

(%)

BOD5 equip VI Va BOD5 inóculo

Vinóculo precisão (Rep) cor(VI, Vinóculo)

1- 2

OO

LO mg

CUC22

7,1 %

7,1 %

10,6 %

10,1 %

9,3 %

7,2 %

7,1 %

7,1 %

7,1 %

7,1 %

7,1 %

7,1 %

% CU2O

Abordagem intralaboratorial – modelo A (componentes individuais) – modelo B, modo 1 (validação e controlo de qualidade interno) – modelo B, modo 2 (validação e controlo de qualidade interno) Abordagem interlaboratorial – modelo D (ensaios de aptidão)

0,00

0,05

0,10

0,15

0,20

0,25

0 100 200 300 400 500

2OγU

rel

(O2)/mg L-1

0,00

0,05

0,10

0,15

0,20

0,25

0 100 200 300 400 500

2OγU

rel 2OγU

rel 2OγU

rel

(O2)/mg L-1

Comparação das metodologias

DETERMINAÇÃO DE BOD5 EM EFLUENTES PELO MÉTODO MANOMÉTRICO

Modelo A - Urel[(O2)] com (O2); constante para (O2) > 100 mg L-1

Modelo B - Urel[(O2)] constante em cada gama (modo 2: com (O2)

Modelo D - Urel[(O2)] cerca de 2 superior ao modelo A

Cliente satisfeito?

Incerteza da medição

Estimado a partir do Decreto-Lei nº 236/98, de 1 de Agosto: Precisão: 25 % (valor paramétrico)

Exactidão/Veracidade: 10 % (valor paramétrico)

Parâmetro VLE

(valor parâmétrico)

Urel [(O2)]

Abordagem intralaboratorial Abordagem interlaboratorial

Modelo A Modelo B

Modelo C Modelo D modo 1 modo 2

BOD5 40 mg L-1 28 % 10 % > 6 %* 13 % - > 24 %*

2OrelexpU

Adequabilidade ao fim a que se destina - Comparação com INCERTEZA ALVO

2OrelexpU

ILC com valor consensual * Valor estimado na gama [100 – 800[ mg L-1

22

relexp

3

10,0

2

25,02U

2OVLE – Valor Limite de Emissão; Cliente não

satisfeito!

Uso de fornecedores de ILC’s com valor de referência

Incerteza da medição

Obrigada pela vossa atenção

Maria Ascensão Trancoso; 3-7-2013