La aireación de aguas profundas , también conocida como aireación hipolimnética , describe el suministro de oxígeno de la atmósfera para satisfacer la demanda de oxígeno en aguas profundas sin alterar la estratificación natural del agua que se encuentra por encima. Este proceso promueve el desarrollo de condiciones aeróbicas en aguas profundas, lo que conduce a una reducción significativa en la disolución de fosfato y una mejora en la mineralización de sedimentos . Los estudios científicos respaldan la eficacia de la implementación de medidas de ventilación técnica para mantener condiciones aeróbicas durante todo el año en aguas profundas, restaurando así el equilibrio natural de los lagos. [1]
Durante el estancamiento estival en lagos estratificados y eutróficos , se produce un déficit de oxígeno en las aguas profundas. El aumento de los aportes de nutrientes eleva el nivel trófico de estos lagos. Los nutrientes promueven el crecimiento de algas superficiales y, en consecuencia, aumentan el consumo de oxígeno en las zonas profundas para igualar las mayores cantidades de descomposición oxidativa de las mayores cantidades de desechos orgánicos que caen de las zonas superficiales. En consecuencia, el lodo se acumula en el entorno anaeróbico de las aguas profundas, lo que conduce a mayores concentraciones de amonio, hierro, manganeso y sulfuro de hidrógeno tóxico en el agua. El hipolimnion se vuelve inhóspito y las condiciones anaeróbicas contribuyen a una mayor disolución de fosfato de los sedimentos en las aguas profundas; estas cargas adicionales de nutrientes de fosfato crean más complicaciones después de la siguiente circulación completa. En el contexto de los embalses y presas utilizados para la producción de agua potable, estos deterioros en la calidad del agua plantean desafíos importantes, especialmente en lo que respecta al cumplimiento de las regulaciones establecidas para garantizar agua potable limpia. La implementación de la aireación de aguas profundas puede ayudar a prevenir este proceso de eutrofización.
TIBEAN, también conocido como TWBA, es un acrónimo del término alemán " Tiefenwasserbelüftungsanlage ", que se traduce como "sistema de aireación de aguas profundas".
La serie TIBEAN está formada por mecanismos flotantes o sumergibles. Estos mecanismos están formados por una o más tuberías situadas aguas arriba, donde se airea el agua a medida que asciende, una cámara de desgasificación, para eliminar los gases del agua aireada, y una o más tuberías aguas abajo, a través de las cuales el agua venteada y desgasificada se bombea de nuevo al hipolimnio. Dentro de la cámara de desgasificación, es posible incorporar absorbedores de nutrientes adicionales y/o dispositivos de precipitación de nutrientes.
En el extremo inferior de la planta, se introduce aire atmosférico en el agua mediante un eyector . Esto hace que una combinación de agua y oxígeno sea impulsada hacia arriba en la tubería de aguas arriba. Al llegar al final de la tubería de aguas arriba, la mezcla ingresa a la cámara de desgasificación, donde los gases residuales se separan del agua oxigenada. El gas se libera a la atmósfera, mientras que el agua oxigenada continúa su flujo a través de la tubería de aguas abajo. La salida está diseñada para proporcionar un flujo laminar suave y una salida horizontal hacia el hipolimnio. [2] [3] Los cálculos de flujo y transferencia de masa realizados durante la configuración técnica pueden determinar la configuración óptima para un sistema determinado.
El sistema incluye los siguientes componentes:
TIBEAN se puede construir utilizando materiales como polietileno , polipropileno , acero inoxidable o una aleación de aluminio y manganeso .
Los sistemas TIBEAN presentan un alto grado de variabilidad y se adaptan a una amplia gama de aplicaciones. Ofrecen aportes de oxígeno que van desde 1,5 a 60 kg/h, se pueden utilizar a profundidades de 5 a 50 metros y proporcionan caudales de 600 a 7500 m 3 /h.
La utilización de sistemas de aireación en aguas profundas puede servir para diversos objetivos, según las prioridades específicas. Entre ellos se incluyen:
La aireación en aguas profundas ofrece una reducción sustancial de los costos y permite un tratamiento técnico adicional del agua hipolimnética, en particular en el contexto de la producción de agua potable. [1] Como el agua potable generalmente se obtiene de debajo de la termoclina en los embalses, la mejora de la calidad del agua hipolimnética afecta directamente la producción de agua potable. La aireación en aguas profundas puede producir los siguientes efectos en relación con el cumplimiento de las regulaciones del agua potable y los valores límite aplicables:
El pH del agua potable tiene un valor umbral de 6,5 a 9,5. Los valores de pH fuera del rango neutro (pH 6,5 a 7,5) se consideran críticos, ya que indican el comportamiento corrosivo del agua. El agua ligeramente ácida (pH 4 a 6,5) tiende a corroer las tuberías de hierro galvanizado, así como las tuberías de cobre y fibrocemento, [6] en un proceso conocido como corrosión ácida. Las tuberías de acero sin protección generalmente no son adecuadas para su uso a valores de pH más bajos, ya que promueven la eliminación de la capa de zinc. [7] Las aguas frías naturales suelen presentar una reacción ligeramente alcalina debido a las concentraciones de equilibrio de dióxido de carbono disuelto en forma de iones de bicarbonato e iones de carbonato, junto con sales y gases disueltos. Los valores de pH alcalinos más altos (pH 9 a 14) en presencia de oxígeno pueden provocar corrosión por oxígeno. Se añaden soluciones tampón al agua cruda en la producción de agua potable para evitar la corrosión ácida o por oxígeno. El efecto estabilizador del pH de la aireación hipolimnética puede reducir la necesidad de estas soluciones tampón, disminuyendo así los costos operativos. [1]
Los valores límite para las concentraciones de hierro y manganeso en el agua potable son 200 μg/L y 50 μg/L, respectivamente. Si bien el hierro y el manganeso son oligoelementos esenciales en el agua potable, las concentraciones ligeramente elevadas de estos elementos son indeseables desde un punto de vista técnico e higiénico. [6] En condiciones de bajo oxígeno, el hierro y el manganeso se disuelven como iones, y la mayoría existe como compuestos ferrosos o de manganeso solubles. En concentraciones muy altas, el agua puede presentar un color amarillo. Cuando se airea, el proceso de oxidación da como resultado la formación de hierro férrico y manganeso, lo que causa precipitados de color marrón rojizo y negro, respectivamente. Estos precipitados pueden provocar manchas en el agua, turbidez y manchas de ropa. También pueden acumularse en las tuberías, lo que provoca estrechamiento y deposición en los accesorios. Los niveles de hierro superiores a 0,3 mg/L y los niveles de manganeso superiores a 0,5 mg/L pueden impartir un sabor metálico desagradable. [6] Al crear un ambiente aeróbico en el hipolimnio, la aireación en aguas profundas facilita la oxidación y precipitación de compuestos de hierro y manganeso disueltos antes de que el agua se someta a un tratamiento adicional en una instalación adecuada para la producción de agua potable. Este enfoque ayuda a reducir los costos operativos asociados con la eliminación de compuestos de hierro y manganeso disueltos.
La cantidad y movilidad de las especies de hierro también afectan el ciclo del fósforo controlado por oxidorreducción. [8] Los compuestos de hierro divalentes que se originan en las capas de sedimentos anaeróbicos se difunden gradualmente y sufren oxidación en la zona límite entre el agua aeróbica y el sedimento anaeróbico. Estos compuestos se acumulan en la capa superior del sedimento. La magnitud de esta acumulación influye en la eficacia del límite aeróbico sedimento-agua como barrera de difusión para el fosfato. [1]
Como se mencionó anteriormente, la aireación en aguas profundas tiene la capacidad de reducir significativamente las concentraciones de nutrientes. La presencia de condiciones aeróbicas promueve los procesos de nitrificación y desnitrificación posterior , lo que contribuye a la eliminación de nitrógeno de un sistema. [1] La oxidación de sustancias reducidas como el sulfuro de hidrógeno y el metano, tanto química como microbianamente, así como la degradación mejorada de la materia orgánica, pueden ayudar a mitigar la formación de lodos. Mantener las condiciones aeróbicas en aguas profundas también juega un papel crucial en la reducción de la redox-disolución controlada del fósforo de los sedimentos y facilitar la reprecipitación del fósforo liberado. En consecuencia, la aireación en aguas profundas ofrece la ventaja adicional de reducir los costos asociados con la producción de agua potable al eliminar la necesidad de etapas de desnitrificación o reducir la dependencia de floculantes costosos. [1]
El proceso de diseño de plantas de aireación de aguas profundas consta de varias fases. Para comenzar, se realiza una medición morfométrica del cuerpo de agua para evaluar el perfil de profundidad y determinar los requisitos técnicos de diseño. Esta medición es esencial para identificar la ubicación óptima del mecanismo. El diseño técnico preciso implica evaluar varios parámetros como las concentraciones de nutrientes, la estratificación de la temperatura, los niveles de pH, las variaciones temporales de las concentraciones de oxígeno, así como realizar cálculos relacionados con los caudales, las cantidades de transporte de masa y la distribución de sólidos suspendidos en el hipolimnio. Estas mediciones y cálculos son cruciales para el diseño preciso y eficaz de un sistema de aireación de aguas profundas.
