Efecto de la potencia y número de aspas de un aireador rotativo sobre la transferencia de oxígeno disuelto en agua

Introducción

El oxígeno disuelto (OD) es el parámetro fisicoquímico más importante referente a la calidad del agua debido a que este gas es fundamental para la supervivencia y desarrollo de los organismos acuáticos aerobios. La ausencia de este en el agua se puede presentar por diferentes circunstancias entre las cuales se tiene: aumento de la temperatura, exceso de materia orgánica, exceso de plantas acuáticas, o descomposición descontrolada de organismos acuáticos bajo escenarios de alta toxicidad, entre otros ¹. En el tratamiento de aguas residuales, el OD influye considerablemente en los procesos biológicos aeróbicos ya que este gas es utilizado por los microorganismos como aceptor de electrones durante la reducción de la materia orgánica y para la posterior generación de nuevos microorganismos, manteniendo el tratamiento funcional a lo largo del tiempo ². Existen diferentes mecanismos y procedimientos que permiten transferir OD al agua, como son los aireadores de superficie, los aireadores de cepillos o aspas de rotación horizontal y la inyección directa de burbujas ³. Todos estos sistemas presentan diferentes tasas de transferencia y consumos energéticos en función de su operación y geometría ⁽²; sin embargo, no existen estudios recientes que propongan nuevas alternativas frente a la transferencia de OD de manera más eficiente desde un punto de vista energético. Este vacío de nuevo conocimiento científico en el área del tratamiento del agua, sumado a la problemática mundial de la desoxigenación de cuerpos de agua por efecto del cambio climático ⁴ - ⁶, hacen que este tema tome nuevamente importancia, por los graves efectos observados sobre diferentes ecosistemas acuáticos ⁷. Por otra parte, el crecimiento poblacional también va a ejercer una mayor presión sobre los actuales sistemas de tratamiento de aguas residuales, los cuales dependen de la transferencia de OD como alternativa de restauración parcial de efluentes contaminados con aguas residuales.

La pérdida de OD bajo diferentes escenarios en sistemas acuáticos se ha convertido en un tema de importancia durante el tratamiento y la restauración de cuerpos de agua; específicamente en lo referente a los sistemas, procesos y mecanismos utilizados para la transferencia del oxígeno disuelto (OD), donde se carece de este.

Con el objetivo de solucionar esta problemática, se han venido desarrollado diferentes equipos y procedimientos en busca de transferir de forma eficiente el OD con fines de tratamiento de aguas residuales, oxigenación de cuerpos de agua naturales o artificiales, y aquellos destinados a procesos de acuicultura ⁽⁸ - ¹¹. La función que cumplen los sistemas aireadores rotacionales es aumentar el área interfacial entre el agua y el aire, mejorando así la transferencia de oxígeno atmosférico y la circulación del agua previniendo la estratificación ¹². El impacto de las aspas sobre el agua rompe el equilibrio de la interfase aire-agua permitiendo el atrapamiento de aire en forma de burbujas ¹³, generando el transporte de las mismas dentro del cuerpo de agua, favoreciendo la difusión de oxígeno y generando turbulencia a medida que estas ascienden nuevamente a la superficie ¹⁴.

En la práctica de la acuicultura, los aireadores de rueda de aspas y los aireadores en espiral son los dispositivos más utilizados en la transferencia de OD ¹⁵; no obstante, la etapa de aireación es el tercer costo más grande en el sistema de acuicultura intensiva después del levante de larvas y de la alimentación, representando el 15 % del costo total de producción ¹⁶. El aireador mecánico horizontal utilizado en plantas de tratamiento de agua residual está conformado por un motor eléctrico anclado a una caja de transferencia reductora y un eje central en el cual se encuentran adheridas aspas (paletas, cerdas, ángulos o láminas), las cuales giran a una velocidad constante. La rotación y el impacto sobre la superficie del líquido generan las condiciones necesarias para transferir el oxígeno atmosférico dentro del cuerpo de agua ¹⁷;. Sin embargo, el consumo energético requerido en este proceso es elevado y representa entre 50 y 90 % de la energía total utilizada durante la restauración del cuerpo de agua ¹⁸. Por otra parte, la transferencia de OD también puede ser afectada por factores físicos, ambientales, y microbianos, los cuales dificultan y reducen la eficiencia del proceso ⁽¹⁹, ²⁰.

Dentro de todos los equipos disponibles para la aireación, los aireadores mecánicos de eje horizontal han presentado una gran eficiencia durante el proceso de transferencia de OD, logrando valores entre 1,5 y 2,1 kgO2·kW⁻¹ ·h ⁻¹ en condiciones estándar y 0,5 y 1,1 kgO2·kW⁻¹ ·h ⁻¹ en condiciones de campo ³. Algunos datos compilados por ¹⁶⁾ presentan resultados de SOTR y SAE en el rango de 2,6 -5,0 kgO2·h ⁻¹ y 3.485 -3.351 kgO2·kW⁻¹ ·h ⁻¹ para sistemas aireadores de 1 kW y 2 kW respectivamente, utilizados en acuicultura. Otros estudios revelan que la entrada de oxígeno al agua (SOTR) a partir de la implementación de aireadores de rueda de aspas presenta valores en el rango de 1,8 -3,1 kgO−2·h ⁻¹ y la SAE en el rango de 0,91 -1,41 kgO2·kW⁻¹ ·h ^{−1 (21}. Los trabajos realizados por ²² - ²⁵ mencionan que los aireadores de rueda de aspas son los sistemas más eficientes en términos de la SAE, estableciendo un rango entre 1,1 -3,0 kgO2·kW⁻¹ ·h ⁻¹ .

En un aireador mecánico de eje horizontal las características físicas del sistema, así como el tipo, la forma y la geometría de las aspas utilizadas, además de los parámetros de operación, representan un factor crucial durante el proceso de transferencia de OD ²⁰, p. ej. la aplicación de aspas de un mayor tamaño requerirá de un mayor consumo de potencia, debido a la fuerza de arrastre generada al momento de impactar y sumergirse dentro del cuerpo de agua, generando un mayor costo de operación del proceso. Otros parámetros como la velocidad de rotación y la profundidad de las aspas también afectan la transferencia de OD.

Por este motivo, el objetivo de este trabajo fue estudiar la influencia en la variación del número de aspas y la velocidad de rotación de un aireador mecánico de eje horizontal en la eficiencia energética y la transferencia de oxígeno atmosférico a un cuerpo de agua carente de oxígeno disuelto. Los ensayos fueron realizados a escala laboratorio, permitiendo controlar factores externos que pueden afectar la veracidad de los ensayos, enfocándose principalmente en el efecto de la potencia consumida, el número de aspas y la velocidad de rotación.

Materiales y detalles experimentales

Mediante diseño e impresión 3D se construyeron tres discos en material PETG (tereftalato de polietileno glicol) conformados por 6, 12 y 24 aspas respectivamente. Todos los discos fueron constituidos por aspas planas de 7 cm de largo, 4 cm de ancho y 3 mm de espesor. La profundidad de inmersión del aspa fue de 7 cm y el diámetro total del disco se estableció en 20 cm. Los discos fueron acoplados a un eje de aluminio de 9,9 mm de diámetro, conectado a un motorreductor con capacidad de rotación máxima de 110 RPM. Se instalaron dos rodamientos metálicos en los extremos del eje propulsor para reducir la influencia de la fricción. El sistema mecánico fue adaptado en un recipiente con capacidad de 30 L donde se introdujo una muestra de agua anóxica de 21 L con la finalidad de evitar pérdidas por salpicaduras laterales, producto de la rotación y el impacto de las aspas sobre la superficie del agua. La Figura 1 muestra un esquema del sistema utilizado en este estudio, conformado por un disco de 24 aspas. La misma configuración se utilizó para los discos de 6 y 12 aspas.

Figura 1: Esquema del aireador mecánico de eje horizontal utilizado en este estudio

Todos los ensayos se realizaron en condiciones controladas, utilizando muestras de agua potable de 21 L a las cuales se les generaron condiciones anóxicas agregando 1,60 g de sulfito de sodio (Na2SO3) y 0,005 g de cloruro de cobalto (CoCl2) como agente catalizador ⁽¹¹, ²⁶;. La reacción del sulfito de sodio con el OD del agua produce sulfato de sodio (Na2SO4), removiendo por completo el OD presente en el agua (Ecuación (1)). El área del recipiente utilizado se estableció en 0,1924 m2 y una profundidad del agua de 0,109 m.

Para todos los ensayos se estableció una concentración de saturación inicial de OD de 7,45 mg·L⁻¹ para una temperatura del agua de 15° C, siendo esta la temperatura de trabajo utilizada para todas las mediciones, y presión atmosférica de 740 hPa a una altura de 2.800 msnm. Este valor fue determinado por medio de oxímetro electrónico Hach Flexi HQ30d ⁽²⁷), ²⁸. La velocidad de rotación del motorreductor fue controlada por medio de una fuente de voltaje regulada DC, implementando valores de 3, 6, 9 y 12 voltios. La rotación y potencia consumida de todo el sistema fue medida durante el transcurso de la experimentación, verificando la potencia real consumida, mediante el uso de una fuente regulada en DC. El tamaño del recipiente, así como la geometría de los discos, generaron baja salpicadura, evitando las pérdidas del fluido por efecto de derrames, poco eficaces en los procesos de transferencia de OD ²⁹,³⁰.

El proceso de transferencia de OD producto del impacto y de la rotación de las aspas sobre la superficie del agua fue monitoreado en intervalos de 3 a 5 minutos, dependiendo de la velocidad de rotación de los discos, hasta lograr un estado de saturación correspondiente al 98 % de la concentración, siendo este valor equivalente a 7,30 mg·L⁻¹⁽²⁶. Las mediciones de OD fueron realizadas utilizando dos oxímetros, dispuestos a una profundidad de 5 cm e insertados en las esquinas opuestas del recipiente contenedor con la finalidad de reducir la incertidumbre durante la recolección de datos. Se establecieron cuatro réplicas, para asegurar validez y replicabilidad de la experimentación.

El método utilizado para el análisis de los datos de transferencia de OD se basó en el modelo de regresión no lineal, el cual es un método de mínimos cuadrados que reduce el error entre los datos modelados y los datos medidos ², ²⁶. Este modelo hace énfasis en que solo los valores de oxígeno disuelto obtenidos durante la etapa de reoxigenación se deben utilizar para el análisis de los datos. Por otra parte, si los datos contienen muchas variaciones pueden ser descartados. Es necesario tener en cuenta que la concentración más baja de oxígeno disuelto no debería exceder nunca el 20 % de la concentración de saturación de oxígeno disuelto, y la más alta concentración no debe ser inferior al 98 % de la saturación de concentración de oxígeno disuelto ²⁶. La teoría básica utilizada en el estándar está referenciada como “teoría de la doble película“³¹ en la que se establece que la tasa de transferencia puede expresarse en términos de un coeficiente de transferencia general y de resistencias a cada lado de la interfaz aire-agua. La transferencia se puede expresar de la siguiente manera:

Donde:

• K_La = Coeficiente de transferencia de masa volumétrico (1/t).

• C ^∗ _∞= Concentración final promedio de OD alcanzada en un tiempo infinito (mg/L).

• C = Concentración promedio efectiva de OD en la fase líquida.

La forma integrada se convierte en:

Donde:

• C₀= Concentración inicial de OD, cuando t = t₀.

Las ecuaciones (3) y (4) se utilizan para pruebas en agua limpia en estado no estacionario, para determinar la capacidad de transferencia de diferentes equipos de aireación. Teniendo en cuenta que la temperatura del agua puede variar al momento de realizar la experimentación de transferencia de oxígeno, el coeficiente de transferencia de masa volumétrico K_La siempre debe ser convertido a temperatura estándar (t = 20° C) por medio de la siguiente ecuación:

La tasa de transferencia estándar de oxígeno (Standard Oxygen Transfer Rate - SOTR₂₀ kgO₂· h ⁻¹ ) señala la cantidad de oxígeno transferido por hora en condiciones estándar, y se puede calcular con base en la siguiente ecuación:

Donde:

• KLa20 = Coeficiente de transferencia de masa volumétrico (1/t), a una temperatura de 20°

• C. Cs,20 = Concentración de saturación para un estado estable a una temperatura de 20° C.

• V = Volumen del líquido.

La eficiencia estándar de aireación (Standard Aeration Efficiency - SAE) es expresada como la transferencia de oxígeno por unidad de potencia (kgO2·kW⁻¹ ·h ⁻¹ ), tal y como se señala en la siguiente ecuación:

Donde:

• SOT R = Tasa de transferencia estándar de oxígeno (kgO2·h ⁻¹ ).

• Potencia de entrada = Potencia consumida en kilovatios (kW).

La potencia en vatios (w) del motorreductor fue calculada como el producto de la tensión eléctrica (voltaje) multiplicada por la intensidad de la corriente eléctrica (amperaje); con base en la siguiente ecuación:

Donde:

• P = Potencia expresada en vatios (w).

• V = Voltaje.

• A = Amperaje

Para el desarrollo de esta investigación se realizó la correspondiente corrección por variación de la temperatura del agua.

Resultados y discusión

La Figura 2 muestra la variación del porcentaje de concentración de OD transferido para cada uno de los sistemas trabajados.

Figura 2: Comportamiento en la transferencia de OD para los discos aireadores a) 6 aspas, b) 12 aspas y c) 24 aspas

La Figura 2 a muestra una reducción del tiempo requerido para llegar al punto de saturación máxima al incrementar la potencia suministrada al sistema, alcanzando este punto a los 20 minutos de iniciado el proceso de aireación. Por el contrario, el peor comportamiento fue observado al utilizar la potencia más baja, en la que fueron necesarios 240 minutos para alcanzar la saturación de la muestra (no señalados en la gráfica). De manera general, para la potencia suministrada de 0,48 W, 1,32 W y 2,54 W se observó una saturación superior al 85 % en los primeros 30 minutos de operación. Este comportamiento también pudo observarse para el sistema conformado por un disco de 12 aspas, como se presenta en la Figura 2b. Se observó un aumento en el consumo de energía por el sistema, debido al incremento del número de aspas, las cuales presentan mayor resistencia al desplazarse dentro del agua, lo que se traduce en un incremento en la potencia ³².

La Figura 2c presenta el porcentaje de concentración de OD transferido al agua durante el proceso de agitación para el disco conformado por 24 aspas. Se observó que las potencias de 2,04 W y 3,90 W presentan un comportamiento similar, por lo que se infiere que existe una velocidad máxima de transferencia de oxígeno al agua, la cual es independiente de la velocidad de rotación de las aspas y del número de impactos sobre la superficie. Para este caso específico, se presume que las aspas consumen una mayor cantidad de energía debido a la resistencia asociada a su desplazamiento durante el momento de la inmersión. Esta energía consumida no se ve reflejada en una mayor velocidad de transferencia de OD.

En todos los casos de estudio, los porcentajes más altos de transferencia de OD fueron generados durante las primeras etapas de aireación. Esto se debió a que existe una mayor diferencia entre la presión parcial del oxígeno atmosférico con respecto al OD presente en el agua anóxica ⁽²⁷, ²⁹. A medida que ocurre el proceso de transferencia de OD, la diferencia de presión es regulada, generando así un comportamiento tipo Arrhenius, donde la transferencia de OD se va reduciendo gradualmente hasta obtener un valor de saturación máximo, cercano al valor de concentración de OD original ⁽²⁸, ³².

Los valores de SOTR y SAE fueron determinados teniendo en cuenta la corrección de los valores de KLa por medio del método de regresión no lineal, permitiendo establecer la transferencia de OD en función del consumo energético ⁽²⁶. La Figura 3a presenta la SOTR, expresada como la cantidad de kg de OD transferido por unidad de tiempo (h), para cada una de las condiciones analizadas.

Figura 3: a) SOTR para los discos de 6, 12 y 24 aspas en función de la potencia (W), b) SAE para los discos de 6, 12 y 24 aspas en función de la potencia (W)

Se observa que el dispositivo conformado por 6 aspas presenta el mejor comportamiento SOTR frente a la transferencia de OD para cada una de las condiciones estudiadas. La aplicación de un sistema con una menor cantidad de aspas permite una reducción en la resistencia y fuerza de arrastre del aspa al desplazarse dentro del agua, favoreciendo un menor consumo de energía^;(30, ⁽³³. Por otra parte, a partir de los resultados obtenidos en este trabajo se infiere que el número de impactos que pueden generar las aspas sobre la superficie del agua no es una variable que se relacione directamente con una transferencia eficiente de OD desde el punto de vista energético.

A partir de los análisis realizados puede observarse que, para un valor de potencia equivalente a 2,5 kW, la SOTR generada por el disco de 6 aspas será un 20,4 % y 27,6 % más alto que aquel generado por los discos de 12 y 24 aspas, respectivamente. Esta situación confirma que un aumento en el número de aspas es un parámetro de diseño que influye determinantemente sobre la tasa y la velocidad de transferencia de OD, penalizando el sistema por un mayor requerimiento de energía asociada a la inmersión y al desplazamiento del agua a medida que las aspas rotan.

La Figura 3b muestra los valores de SAE en función de la potencia suministrada obtenidos en este trabajo para los dispositivos de 6, 12 y 24 aspas. A medida que incrementa la potencia suministrada al sistema, los valores de SAE disminuyen, es decir, aunque un incremento en la velocidad de rotación del sistema de aireación favorece una mayor tasa de transferencia de OD en el cuerpo de agua, el consumo energético se ve altamente perjudicado. El análisis de este parámetro es muy importante, ya que define qué tan eficaz es el sistema al momento de transferir OD, así como su relación con la potencia consumida. Los valores más altos se obtuvieron para los discos de 12 aspas (3,96 kgO2·kW⁻¹ ·h ⁻¹ ) y 6 aspas (3,69 kgO2·kW⁻¹ ·h ⁻¹ ). Por otra parte, el disco de 24 aspas presentó el menor valor, establecido en 2 kgO2·kW⁻¹ ·h ⁻¹ . Los altos valores de SAE no necesariamente se traducen en una alta tasa de transferencia de OD; por el contrario, la velocidad con la cual el OD se transfiere se ve drásticamente reducida, requiriendo una mayor cantidad de tiempo para alcanzar el estado de saturación.

La Figura 4a muestra la relación entre los coeficientes KLa(h⁻¹ ) en función de las RPM generadas por el sistema aireador. Se puede observar que los valores más bajos de KLa se obtienen para el disco de 6 aspas; sin embargo, la velocidad de rotación es más alta (86 RPM) en comparación con los datos obtenidos para los discos de 12 y 24 aspas (80 y 77 RPM). Por otra parte, los valores más altos de KLa se obtuvieron con el disco de 24 aspas, debido a que este valor depende del número de aspas utilizadas como lo reporta ³⁴; no obstante, la SAE presentó valores inferiores en relación con los obtenidos para los discos de 6 y 12 aspas, demostrando que un valor alto del coeficiente KLa no necesariamente se verá reflejado como un valor alto de la SOTR.

Figura 4: a) relación entre los coeficientes KLa (h−1) y potencia (W), b) relación entre las RPM y potencia (W)

Los valores altos del coeficiente KLa obtenidos para el disco de 24 aspas pueden estar íntimamente relacionados con la intensidad y la cadencia de los impactos individuales provocados por las aspas durante el proceso de rotación ³⁴;. La Figura 4b presenta la relación existente entre las RPM y la potencia consumida para cada uno de los sistemas estudiados. El sistema con disco de 6 aspas presenta una mayor cantidad de RPM, ya que se requiere una menor cantidad de potencia para hacer rotar el dispositivo, traducido en el consumo energético del sistema, así como una reducción en la resistencia generada por la inmersión y el arrastre generado por las aspas dentro del cuerpo de agua ³⁰, ³³. El resumen de todos los datos del proceso de aireación obtenidos en este estudio es presentado en la Tabla I. Los datos obtenidos de potencia fueron medidos en W, pero matemáticamente son expresados en kW.

Tabla I: Valores de funcionamiento obtenidos para cada uno de los dispositivos trabajados en este estudio

A partir de las observaciones hechas sobre las diferentes experimentaciones, se puede postular que la transferencia de OD mediante el uso de discos conformados por aspas se desarrolla en tres etapas, las cuales se definen como impacto, desplazamiento y salida. Al momento de impactar, el aspa rompe el equilibrio de la superficie del agua, favoreciendo el atrapamiento de aire en forma de burbujas. Esta situación puede influir de manera significativa durante el proceso de transferencia de OD, representado en los valores de los coeficientes KLa ¹³. Durante el desplazamiento, el aspa en proceso de rotación dentro del agua genera transporte de las burbujas de aire atrapadas con anterioridad. En este momento el contacto del aire con el agua es más estrecho, favoreciendo la difusión de oxígeno dentro del cuerpo de agua. Las burbujas atrapadas también pueden generar fenómeno de turbulencia a medida que ascienden ²⁸. En la salida, el aspa rompe la superficie del agua de manera ascendente, generando levantamiento del agua, exponiendo parte del volumen al aire ambiente. En esta situación también puede presentarse difusión de oxígeno.

Discernir qué tanto influyen estos procesos de manera individual en la transferencia de OD puede ser muy complejo, ya que interfieren diferentes situaciones que dificultarían el correspondiente análisis. Entender cómo se lleva a cabo la transferencia de OD puede favorecer y mejorar el diseño de aireadores mecánicos haciéndolos más eficaces frente a la potencia de energía consumida ⁽¹⁸, ⁽³⁵.

Conclusiones

En este estudio se evaluó la influencia de la potencia requerida y el número de aspas utilizando un sistema de aireación mecánico de eje horizontal. Los análisis se realizaron a partir de muestras de agua potable anóxicas, las cuales fueron sometidas en agitación por medio del sistema aireador rotacional de eje horizontal. Los resultados obtenidos muestran que el número de aspas tiene una influencia directa en la transferencia de OD. La aplicación de altas velocidades de rotación favorece una mayor tasa de transferencia del OD en el cuerpo de agua, lo cual se ve reflejado en los valores del coeficiente KLa (h⁻¹ ). Sin embargo, el aumento en la velocidad de rotación del dispositivo requirió de un mayor consumo de energía, afectando la SOTR. El aumento de la potencia consumida por el sistema, requerida para mantener una rotación constante, generó una disminución en estos valores, penalizando el sistema aireador.

Los valores más altos del coeficiente KLa fueron de 15,24, 14,60 y 13,04, obtenidos para los discos de 24, 12 y 6 aspas, respectivamente. Por otra parte, los valores más altos de la SOTR fueron 2,90, 2,82 y 2,52 kgO2 ·h⁻¹ para los discos de 24, 12 y 6 aspas. Por último, los valores más altos de SAE fueron de 0,99, 0,78 y 0.75 kgO2·kW⁻¹ ·h⁻¹ para los discos de 6, 12 y 24 aspas

Esto último demuestra que el proceso más eficiente fue alcanzado por el dispositivo de 6 aspas obteniendo los mejores valores en cuanto a SOTR y SAE se refiere. A partir de las proyecciones lineales de la SOTR, se pudo establecer que, para una potencia de 2,5 kW, el disco de 6 aspas es 20,4 y 27,6 % más efectivo comparado con los discos de 12 y 24 aspas, respectivamente. Esta investigación puede mejorar el entendimiento del funcionamiento de estos sistemas de aireación, favoreciendo el desarrollo de nuevas tecnologías aplicadas a tratamientos del agua que requieren procesos de reoxigenación.