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 comúnmente en el manejo de estanques, lagos y embalses para abordar los niveles bajos de oxígeno o la proliferación de algas. [1]
La aireación del agua a menudo es necesaria en cuerpos de agua que sufren condiciones hipóxicas o anóxicas, a menudo causadas por actividades humanas río arriba, como descargas de aguas residuales, escorrentías agrícolas o cebo excesivo 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. Los peces y la mayoría de los demás animales acuáticos no sólo necesitan oxígeno, sino que las bacterias aeróbicas ayudan a descomponer la materia orgánica. Cuando las concentraciones de oxígeno disminuyen, pueden desarrollarse condiciones anóxicas que pueden disminuir la capacidad del cuerpo 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 se dividen en dos grandes áreas: aireación superficial y aireación subterránea . Se dispone de una variedad de técnicas y tecnologías para ambos enfoques.
La aireación natural es un tipo de aireación tanto subterránea como superficial. 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 ingresar al agua cuando el viento perturba 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 rotación otoñal puede introducir agua rica en oxígeno en el hipolimnio pobre en oxígeno .
El aireador de superficie de baja velocidad es un dispositivo para aireación biológica con alta eficiencia. Estos dispositivos suelen ser de acero protegidos por un revestimiento de epoxi y generan un par elevado. La mezcla del volumen de agua es excelente. La potencia común va desde 1 hasta 250kw por unidad con una eficiencia (SOE) alrededor de 2 kgO2/kw. Los aireadores de baja velocidad se utilizan principalmente para la aireación de plantas biológicas para la purificación de agua. Cuanto mayor sea el diámetro, mayor será el SOE y la mezcla.
Una fuente consiste en un medio para lanzar chorros de agua hacia arriba en el aire. Normalmente, esto se puede hacer usando un motor que acciona 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 así transfieren su oxígeno de regreso al ecosistema.
Las fuentes son un método popular para proporcionar aireación de superficies 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 flotante funcionan de manera similar a las fuentes, pero no ofrecen la misma apariencia estética. Extraen agua de 1 a 2 pies superiores del cuerpo de agua y utilizan el contacto aire-agua para transferir oxígeno. En lugar de impulsar el agua al aire, la perturban en la superficie del agua. Los aireadores de superficie flotantes también funcionan con electricidad terrestre. [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, dejando a menudo las partes inferiores sin verse afectadas. También se pueden instalar aireadores de superficie de baja velocidad sobre flotadores.
Los aireadores de ruedas 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 como alimento). Construidos a partir de un cubo con paletas adjuntas, estos aireadores generalmente funcionan con una toma de fuerza ( PTO ) del tractor, un motor de gasolina 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 devuelve al agua. En este sentido, la aireación por rueda de paletas funciona de manera muy similar a los aireadores de superficie flotante.
La aireación subsuperficial busca liberar burbujas en el fondo del cuerpo de agua y permitir que se eleven por la fuerza de la flotabilidad. Los sistemas de aireación difusa utilizan burbujas para airear y mezclar el agua. El desplazamiento del agua por 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 del subsuelo 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 necesaria ]
La aireación de burbujas gruesas es un tipo de aireación subterránea en la que el aire se bombea 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 (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 grandes burbujas 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 eficaz de transferir oxígeno a un cuerpo de agua. [8] Un compresor en tierra bombea aire a través de una manguera, que está conectada a una unidad de aireación submarina. Adjuntos a la unidad hay varios difusores. Estos difusores vienen en forma de discos, placas, tubos o mangueras construidos con sílice aglomerada 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 al agua. Estas burbujas se conocen como burbujas finas . La EPA define una burbuja fina como cualquier cosa de menos de 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 difusa 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 hasta 10 cfm (283 L/min).
La aireación difusa de burbujas finas puede maximizar la superficie de las burbujas y así transferir más oxígeno al agua por burbuja. Además, las burbujas más pequeñas tardan más en llegar a la superficie, por lo que no solo se maximiza el área de la 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]
Uno de los inconvenientes 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 su máxima eficiencia. Además, no poseen la capacidad de mezclar la columna de agua tan bien como otras técnicas de aireación, como la aireación con burbujas gruesas. [4]
( Ver también Destratificación de lagos )
Los circuladores se utilizan comúnmente para mezclar un estanque o lago y así 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 se han visto desafiados durante mucho tiempo por los problemas causados por la estratificación térmica de los lagos. [2] [10] La mortandad de peces se ha asociado directamente con gradientes térmicos, estancamiento y capa de hielo. [11] El crecimiento excesivo de plancton puede limitar el uso recreativo de los lagos y el uso comercial del agua de los lagos. [12] Con una estratificación térmica severa en un lago, la calidad del agua potable también puede verse afectada negativamente. [13] [14] Para los administradores pesqueros, 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 mortandades de peces de importancia recreativa. [11]
Una herramienta comúnmente utilizada para reducir la gravedad de estos problemas de gestión de lagos es eliminar o disminuir la estratificación térmica mediante 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 caigan en picado y amenacen a las especies que sustenta. [15] Dos embarcaciones exclusivas 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 de invertebrados, plantas y aves más. . [15]
La concentración de oxígeno disuelto dentro de la Bahía de Cardiff se mantiene en 5 mg/L o más. El aire comprimido se bombea, desde cinco sitios alrededor de la Bahía, a través de una serie de tuberías de caucho reforzadas con acero, tendidas en los lechos de la Bahía y los ríos Taff y Ely. Estos están conectados a aproximadamente 800 difusores. En ocasiones esto resulta insuficiente 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. [dieciséis]
Se han propuesto opciones similares para ayudar a rehabilitar la Bahía de Chesapeake , donde el principal problema es la falta de organismos que se alimentan por filtración, como las ostras, responsables de mantener el agua limpia. Históricamente, la población de ostras de la Bahía ascendía a decenas de miles de millones y circulaban por todo el volumen de la Bahía en cuestión de días. [ cita necesaria ] Debido a la contaminación, las enfermedades y la sobreexplotación, su población es una fracción de los niveles históricos. El agua que antes era clara durante metros ahora es tan turbia y llena de sedimentos que un ave zancuda puede perder de vista sus pies antes de que sus rodillas se mojen. [ cita necesaria ] El oxígeno normalmente es 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, lo que hace que las áreas de la bahía no sean aptas para la vida acuática aeróbica. En una relación simbiótica, las plantas proporcionan el oxígeno necesario para que proliferen los organismos submarinos 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 solución para ayudar a mejorar la calidad del agua. La aireación de masas de agua hipóxicas parece una solución atractiva y se ha probado con éxito muchas veces en estanques de agua dulce y lagos pequeños. Sin embargo, nadie ha emprendido un proyecto de aireación tan grande como un estuario . [17]
Una parte de la bahía de 353 hectáreas conectada a Rock Creek se airea mediante tuberías desde 2016. El sistema comenzó como un sistema de grandes burbujas destinado principalmente a la destratificación, creando una zona óxica de 74 ha. Se actualizó en 2019 a inyectores de burbuja fina para proporcionar más oxígeno directamente. [18]
Muchos procesos de tratamiento de agua utilizan una variedad de formas de aireación para respaldar los procesos biológicos oxidativos. Un ejemplo típico es el lodo activado , que puede utilizar aireación de burbujas finas o gruesas o conos de aireación mecánica que extraen el licor mezclado desde la base de un tanque de tratamiento y lo expulsan a través del aire donde se arrastra oxígeno en el licor.