La aireación del agua es el proceso de aumentar o mantener la saturación de oxígeno del agua tanto en entornos naturales como artificiales. Las técnicas de aireación se utilizan habitualmente en la gestión de estanques, lagos y embalses para abordar los niveles bajos de oxígeno o las floraciones de algas. [1]
La aireación del agua suele ser necesaria en cuerpos de agua que sufren condiciones hipóxicas o anóxicas, a menudo causadas por actividades humanas aguas arriba, como descargas de aguas residuales, escorrentías agrícolas o exceso de cebo en un lago de pesca. La aireación se puede lograr mediante la infusión de aire en el fondo del lago , laguna o estanque o mediante la agitación de la superficie desde una fuente o dispositivo similar a un rociador para permitir el intercambio de oxígeno en la superficie y la liberación de gases como dióxido de carbono , metano o sulfuro de hidrógeno . [2]
La disminución de los niveles de oxígeno disuelto (OD) es un factor importante que contribuye a la mala calidad del agua. No solo los peces y la mayoría de los demás animales acuáticos necesitan oxígeno, sino que las bacterias aeróbicas ayudan a descomponer la materia orgánica. Cuando las concentraciones de oxígeno son bajas, pueden desarrollarse condiciones anóxicas que pueden reducir la capacidad de la masa de agua para sustentar la vida.
Cualquier procedimiento mediante el cual se añade oxígeno al agua puede considerarse un tipo de aireación del agua. Hay muchas formas de airear el agua, pero todas ellas se dividen en dos grandes áreas: aireación superficial y aireación subterránea . Existe una variedad de técnicas y tecnologías disponibles para ambos enfoques.
La aireación natural es un tipo de aireación tanto superficial como subterránea. Puede ocurrir a través de plantas acuáticas subterráneas. A través del proceso natural de la fotosíntesis, las plantas acuáticas liberan oxígeno al agua, proporcionándole el oxígeno necesario para que los peces vivan y las bacterias aeróbicas descompongan el exceso de nutrientes. [3]
El oxígeno puede introducirse en el agua cuando el viento altera la superficie del cuerpo de agua y la aireación natural también puede ocurrir a través de un movimiento de agua causado por una corriente entrante , una cascada o incluso una fuerte inundación .
En grandes masas de agua en climas templados, la renovación otoñal puede introducir agua rica en oxígeno en el hipolimnion pobre en oxígeno .
El aireador de superficie de baja velocidad es un dispositivo para la aireación biológica con alta eficiencia. Estos dispositivos suelen ser de acero protegido por un revestimiento de epoxi y generan un alto par. La mezcla del volumen de agua es excelente. La potencia común va desde 1 hasta 250 kW por unidad con una eficiencia (SOE) de alrededor de 2 kgO2/kw. Los aireadores de baja velocidad se utilizan principalmente para la aireación de plantas biológicas para la purificación del agua. Cuanto mayor sea el diámetro, mayor será la SOE y la mezcla.
Una fuente consiste en un medio para arrojar agua hacia arriba en el aire. Por lo general, esto se puede hacer utilizando un motor que impulsa un impulsor giratorio . El impulsor bombea agua desde los primeros pies del agua y la expulsa al aire. [4] Este proceso utiliza el contacto aire-agua para transferir oxígeno. A medida que el agua es impulsada hacia el aire, se rompe en pequeñas gotas. En conjunto, estas pequeñas gotas tienen una gran superficie a través de la cual se puede transferir oxígeno. Al regresar, estas gotas se mezclan con el resto del agua y, por lo tanto, transfieren su oxígeno nuevamente al ecosistema.
Las fuentes son un método popular para proporcionar aireación superficial debido a la apariencia estética que ofrecen. Sin embargo, la mayoría de las fuentes no pueden producir una gran superficie de agua oxigenada. [4] Además, hacer pasar electricidad a través del agua hasta la fuente puede ser un peligro para la seguridad.
Los aireadores de superficie flotantes funcionan de manera similar a las fuentes, pero no ofrecen la misma apariencia estética. Extraen agua de los 30 o 60 cm superiores de la masa de agua y utilizan el contacto aire-agua para transferir oxígeno. En lugar de impulsar el agua hacia el aire, la alteran en la superficie. Los aireadores de superficie flotantes también funcionan con electricidad de la costa. [4] La eficacia de un aireador de superficie se limita a un área pequeña, ya que no pueden agregar circulación u oxígeno a mucho más de un radio de 3 metros. Esta circulación y oxigenación se limita entonces a la parte superior de la columna de agua, a menudo dejando intactas las partes inferiores. Los aireadores de superficie de baja velocidad también se pueden instalar en flotadores.
Los aireadores de rueda de paletas también utilizan el contacto aire-agua para transferir oxígeno del aire de la atmósfera al cuerpo de agua. Se utilizan con mayor frecuencia en el campo de la acuicultura (cría de animales acuáticos o cultivo de plantas acuáticas para alimentación). Construidos con un eje con paletas adjuntas, estos aireadores generalmente son impulsados por una toma de fuerza de tractor ( PTO ), un motor de gas o un motor eléctrico . Suelen estar montados sobre flotadores . La electricidad obliga a las paletas a girar, agitando el agua y permitiendo la transferencia de oxígeno a través del contacto aire-agua. [4] A medida que se agita cada nueva sección de agua, absorbe oxígeno del aire y luego, al regresar al agua, lo restaura al agua. En este sentido, la aireación de rueda de paletas funciona de manera muy similar a los aireadores de superficie flotantes.
La aireación subsuperficial busca liberar las burbujas que se encuentran en el fondo del cuerpo de agua y permitir que suban por la fuerza de la flotabilidad. Los sistemas de aireación difusa utilizan burbujas para airear y mezclar el agua. El desplazamiento del agua debido a la expulsión de burbujas provocará una acción de mezcla y el contacto entre el agua y la burbuja dará como resultado una transferencia de oxígeno. [5]
La aireación subterránea se puede lograr mediante el uso de aireadores de chorro , que aspiran aire, mediante el principio Venturi , e inyectan el aire en el líquido. [ cita requerida ]
La aireación con burbujas gruesas es un tipo de aireación subterránea en la que se bombea aire desde un compresor de aire en tierra [6] a través de una manguera hasta una unidad colocada en el fondo del cuerpo de agua. La unidad expulsa burbujas gruesas (de más de 2 mm de diámetro), [7] que liberan oxígeno cuando entran en contacto con el agua, lo que también contribuye a la mezcla de las capas estratificadas del lago. Con la liberación de burbujas grandes del sistema, se produce un desplazamiento turbulento del agua que da como resultado una mezcla del agua [5] . En comparación con otras técnicas de aireación, la aireación con burbujas gruesas es muy ineficiente en la forma de transferir oxígeno. Esto se debe al gran diámetro y la superficie colectiva relativamente pequeña de sus burbujas [5] .
La aireación con burbujas finas es una forma eficiente de transferir oxígeno a un cuerpo de agua. [8] Un compresor en la costa bombea aire a través de una manguera, que está conectada a una unidad de aireación submarina. Unido a la unidad hay una serie de difusores. Estos difusores vienen en forma de discos, placas, tubos o mangueras construidas a partir de sílice unida con vidrio, plástico cerámico poroso , PVC o membranas perforadas hechas de caucho EPDM (monómero de etileno propileno dieno) . [4] El aire bombeado a través de las membranas difusoras se libera en el agua. Estas burbujas se conocen como burbujas finas . La EPA define una burbuja fina como cualquier cosa más pequeña que 2 mm de diámetro. [7] Este tipo de aireación tiene una eficiencia de transferencia de oxígeno (OTE) muy alta, a veces tan alta como 15 libras de oxígeno / (caballos de fuerza * hora) (9,1 kilogramos de oxígeno / (kilovatios * hora)). [4] En promedio, la aireación por difusión difunde aproximadamente 2 a 4 cfm (pies cúbicos de aire por minuto) (56,6 a 113,3 litros de aire por minuto), pero algunos funcionan a niveles tan bajos como 1 cfm (28,3 L/min) o tan altos como 10 cfm (283 L/min).
La aireación difusa con burbujas finas permite maximizar el área de superficie de las burbujas y, por lo tanto, transferir más oxígeno al agua por volumen de burbuja. Además, las burbujas más pequeñas tardan más tiempo en llegar a la superficie, por lo que no solo se maximiza el área de superficie, sino también el tiempo que cada burbuja pasa en el agua, lo que le permite tener más oportunidades de transferir oxígeno al agua. Como regla general, las burbujas más pequeñas y un punto de liberación más profundo generarán una mayor tasa de transferencia de oxígeno. [9]
Una de las desventajas de la aireación con burbujas finas es que las membranas de los difusores cerámicos a veces pueden obstruirse y deben limpiarse para que sigan funcionando con la máxima eficiencia. Además, no tienen la capacidad de mezclar la columna de agua tan bien como otras técnicas de aireación, como la aireación con burbujas gruesas. [4]
( Ver también Desestratificación de lagos )
Los circuladores se utilizan comúnmente para mezclar un estanque o lago y, de esta manera, reducir la estratificación térmica . Una vez que el agua circulada llega a la superficie, la interfaz aire-agua facilita la transferencia de oxígeno al agua del lago.
Los administradores de recursos naturales y ambientales han enfrentado durante mucho tiempo los problemas causados por la estratificación térmica de los lagos. [2] [10] Las muertes masivas de peces se han asociado directamente con gradientes térmicos, estancamiento y cubierta de hielo. [11] El crecimiento excesivo de plancton puede limitar el uso recreativo de los lagos y el uso comercial del agua del lago. [12] Con una estratificación térmica severa en un lago, la calidad del agua potable también puede verse afectada negativamente. [13] [14] Para los administradores de pesquerías, la distribución espacial de los peces dentro de un lago a menudo se ve afectada negativamente por la estratificación térmica y en algunos casos puede causar indirectamente grandes muertes masivas de peces importantes para la recreación. [11]
Una herramienta que se utiliza habitualmente para reducir la gravedad de estos problemas de gestión de lagos es eliminar o disminuir la estratificación térmica mediante la aireación. [2] Se han utilizado muchos tipos de equipos de aireación para reducir o eliminar la estratificación térmica. La aireación ha tenido cierto éxito, aunque rara vez ha demostrado ser una panacea. [10]
Durante las fuertes lluvias, las tuberías de aguas residuales de Londres se desbordan hacia el río Támesis , lo que hace que los niveles de oxígeno disuelto se desplomen y amenacen a las especies que lo sustentan. [15] Dos barcos dedicados de McTay Marine , las barcazas de oxigenación Thames Bubbler y Thames Vitality, se utilizan para reponer los niveles de oxígeno, como parte de una batalla en curso para limpiar el río, que ahora alberga 115 especies de peces y cientos más de invertebrados, plantas y aves. [15]
La concentración de oxígeno disuelto en la bahía de Cardiff se mantiene en 5 mg/l o más. El aire comprimido se bombea desde cinco puntos de la bahía a través de una serie de tuberías de caucho reforzadas con acero, tendidas sobre los lechos de la bahía y de los ríos Taff y Ely. Estas tuberías están conectadas a aproximadamente 800 difusores. A veces esto no es suficiente y la Autoridad Portuaria utiliza una barcaza de oxigenación móvil construida por McTay Marine con oxígeno líquido almacenado en un tanque. El oxígeno líquido pasa a través de un vaporizador calentado eléctricamente y el gas se inyecta en una corriente de agua que se bombea desde la bahía y se devuelve a ella. La barcaza es capaz de disolver hasta 5 toneladas de oxígeno en 24 horas. [16]
Se han propuesto opciones similares para ayudar a rehabilitar la bahía de Chesapeake , donde el problema principal es la falta de organismos filtradores, como las ostras, responsables de mantener limpia el agua. Históricamente, la población de ostras de la bahía era de decenas de miles de millones y circulaban por todo el volumen de la bahía en cuestión de días. [ cita requerida ] Debido a la contaminación, las enfermedades y la sobreexplotación, su población es una fracción de los niveles históricos. El agua que alguna vez fue clara durante metros ahora está tan turbia y llena de sedimentos que un limícola puede perder de vista sus pies antes de que sus rodillas estén mojadas. [ cita requerida ] El oxígeno es normalmente suministrado por la vegetación acuática sumergida a través de la fotosíntesis, pero la contaminación y los sedimentos han reducido las poblaciones de plantas, lo que resulta en una reducción de los niveles de oxígeno disuelto, haciendo que las áreas de la bahía no sean adecuadas para la vida acuática aeróbica. En una relación simbiótica, las plantas proporcionan el oxígeno necesario para que los organismos submarinos proliferen y, a cambio, los filtradores mantienen el agua limpia y, por lo tanto, lo suficientemente clara para que las plantas tengan suficiente acceso a la luz solar. Los investigadores han propuesto la oxigenación por medios artificiales como una solución para ayudar a mejorar la calidad del agua. La aireación de cuerpos de agua hipóxicos parece una solución atractiva y se ha probado con éxito muchas veces en estanques de agua dulce y pequeños lagos. Sin embargo, nadie ha llevado a cabo un proyecto de aireación tan grande como un estuario . [17]
Desde 2016, una parte de 353 hectáreas de la bahía conectada al arroyo Rock Creek se airea mediante tuberías. El sistema comenzó como un sistema de burbujas grandes destinado principalmente a la desestratificación, creando una zona óxica de 74 ha. En 2019, se actualizó con inyectores de burbujas finas para proporcionar más oxígeno directamente. [18]
Muchos procesos de tratamiento de agua utilizan diversas formas de aireación para apoyar los procesos oxidativos biológicos. Un ejemplo típico es el lodo activado , que puede utilizar aireación con burbujas finas o gruesas o conos de aireación mecánica que extraen el licor mezclado de la base de un tanque de tratamiento y lo expulsan a través del aire, donde el oxígeno queda atrapado en el licor.