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 de arriba. Este proceso promueve el desarrollo de condiciones aeróbicas en aguas profundas, lo que lleva a una reducción significativa de la disolución de fosfatos y una mejora en la mineralización de los sedimentos . Los estudios científicos respaldan la eficacia de implementar medidas técnicas de ventilación para mantener condiciones aeróbicas durante todo el año en las aguas profundas, restableciendo así el equilibrio natural de los lagos. [1]
Durante el estancamiento estival en lagos estratificados y eutróficos , se desarrolla un déficit de oxígeno en las aguas profundas. Los aumentos en el aporte de nutrientes elevan el nivel trófico de estos lagos. Los nutrientes promueven el crecimiento de algas en la superficie 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 ambiente anaeróbico de las aguas profundas, lo que genera mayores concentraciones de amonio, hierro, manganeso y sulfuro de hidrógeno tóxico en el agua. El hipolimnio 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, tales deterioros en la calidad del agua plantean desafíos importantes, especialmente en lo que respecta al cumplimiento de las regulaciones establecidas para garantizar agua potable. La implementación de aireación en 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 comprende mecanismos flotantes o sumergibles. Estos mecanismos constan de uno o más tubos colocados aguas arriba, donde se airea el agua a medida que asciende, una cámara de desgasificación, para eliminar los gases del agua aireada, y uno o más tubos aguas abajo, a través de los cuales el agua ventilada y desgasificada se bombea de regreso al interior. el hipolimnio. Dentro de la cámara de desgasificación, es posible incorporar absorbentes de nutrientes y/o dispositivos de precipitación de nutrientes adicionales.
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 aguas arriba. Al llegar al final de la tubería aguas arriba, la mezcla ingresa a la cámara de desgasificación, donde se separan los gases residuales del agua oxigenada. El gas se libera a la atmósfera, mientras que el agua oxigenada continúa su flujo a través de la tubería 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 exhiben un alto grado de variabilidad y se adaptan a una amplia gama de aplicaciones. Ofrecen aportes de oxígeno que van de 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 de aguas profundas puede servir para diversos objetivos, dependiendo de las prioridades específicas. Éstas incluyen:
La aireación de aguas profundas ofrece una reducción sustancial de costes y permite un tratamiento técnico adicional del agua hipolimnética, especialmente en el contexto de la producción de agua potable. [1] Como el agua potable generalmente se obtiene debajo de la termoclina en los embalses, mejorar 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 normas sobre 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 6,5–7,5) se consideran críticos ya que indican el comportamiento corrosivo del agua. El agua ligeramente ácida (pH 4–6,5) tiende a corroer las tuberías de hierro galvanizado, así como las tuberías de cobre y fibrocemento, [6] en un proceso conocido como corrosión ácida. Los tubos de acero sin protección generalmente no son adecuados para su uso con valores de pH más bajos, ya que favorecen la eliminación de la capa de zinc. [7] Las aguas frías naturales suelen exhibir 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 9-14) 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 por ácido u oxígeno. El efecto estabilizador del pH de la aireación hipolimnética puede reducir la necesidad de estas soluciones tampón, reduciendo así los costos operativos. [1]
Los valores umbral 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, concentraciones ligeramente elevadas de estos elementos no son deseables desde un punto de vista técnico e higiénico. [6] En condiciones de poco oxígeno, el hierro y el manganeso se disuelven como iones, y la mayoría existen como compuestos solubles de hierro o manganeso. 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, provocando precipitados de color marrón rojizo y negro, respectivamente. Estos precipitados pueden provocar manchas de agua, turbidez y manchas de ropa. También pueden acumularse en las tuberías, provocando su 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 de 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 redox. [8] Los compuestos de hierro divalente que se originan en capas de sedimentos anaeróbicos se difunden gradualmente y se oxidan en la zona límite entre el agua aeróbica y el sedimento anaeróbico. Estos compuestos se acumulan en la capa superior de sedimentos. El alcance de esta acumulación influye en la eficacia del límite aeróbico sedimento-agua como barrera a la difusión del 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 posterior desnitrificación , contribuyendo 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 las aguas profundas también desempeña un papel crucial a la hora de reducir la redisolución del fósforo de los sedimentos controlada por redox 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 costosos floculantes. [1]
El proceso de diseño de plantas de aireación de aguas profundas consta de múltiples 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 diversos parámetros como concentraciones de nutrientes, estratificación de temperatura, niveles de pH, variaciones temporales de las concentraciones de oxígeno, así como realizar cálculos relacionados con caudales, cantidades de masa transportada y la distribución de sólidos suspendidos en el hipolimnion. Estas mediciones y cálculos son cruciales para el diseño preciso y eficaz de un sistema de aireación de aguas profundas.
