La medición del oxígeno es un método esencial en la tecnología de aguas industriales y residuales para determinar el contenido de oxígeno disuelto (OD) en medios acuosos. Proporciona información clave sobre la calidad del agua, la eficacia de los procesos biológicos y el control de los sistemas técnicos. La concentración de oxígeno influye significativamente en los procesos biológicos, químicos y físicos, por lo que la medición y el control precisos son esenciales para muchas aplicaciones.
Índice
Importancia de la medición del oxígeno
Tratamiento del agua
- Control del agua clara:
- La concentración de oxígeno sirve como indicador de la calidad del agua en aguas naturales o tras el tratamiento del agua potable.
- Control de la corrosión:
- El oxígeno favorece los procesos de corrosión, especialmente en tuberías, intercambiadores de calor y calderas. Un control preciso del oxígeno permite adoptar medidas específicas, como el uso de ligantes de oxígeno.
Tratamiento de aguas residuales
- Procesos biológicos de limpieza:
- En las plantas de tratamiento biológico de aguas residuales, los microorganismos necesitan oxígeno para descomponer las sustancias orgánicas. La medición del oxígeno se utiliza para optimizar los sistemas de aireación.
- Evitar la anaerobiosis:
- La insuficiencia de oxígeno puede dar lugar a condiciones anaeróbicas que produzcan productos metabólicos indeseables como metano o sulfuro de hidrógeno.
Aplicaciones industriales
- Circuitos de agua de refrigeración:
- Unos niveles de oxígeno demasiado elevados favorecen la bioincrustación y la corrosión, mientras que unos niveles demasiado bajos aumentan el riesgo de microorganismos anaerobios.
- Control de procesos:
- Muchos procesos industriales (por ejemplo, la fermentación o el procesado de alimentos) requieren concentraciones de oxígeno definidas con precisión.
Fundamentos del oxígeno disuelto
Definición y solubilidad
- Oxígeno disuelto:
- Oxígeno que se disuelve físicamente en el agua sin formar un enlace químico.
- Solubilidad:
- Depende de la temperatura, la presión y el contenido de sal:
- Las temperaturas más altas y la salinidad reducen la solubilidad.
- Las temperaturas más bajas y la presión atmosférica más alta las aumentan.
- Depende de la temperatura, la presión y el contenido de sal:
Concentración de saturación
- La cantidad máxima de oxígeno que el agua puede absorber en determinadas condiciones se conoce como concentración de saturación.
- Ejemplo: A 20 °C y una presión atmosférica de 1013 hPa, la concentración de saturación en agua dulce es de unos 9 mg/L.
Factores que influyen
- Procesos biológicos:
- La respiración de microorganismos y plantas reduce la concentración de oxígeno.
- La fotosíntesis y la difusión desde el aire la aumentan.
- Procesos químicos:
- Las reacciones de oxidación consumen oxígeno.
- Influencias físicas:
- La turbulencia y la ventilación aumentan el aporte de oxígeno.
Foto: Tanque de aireación de nuestro ALMA BHU BIO
Métodos de medición del oxígeno disuelto
1. medición amperométrica de oxígeno (electrodo Clark)
- Principio funcional:
- Una célula electroquímica mide el contenido de oxígeno mediante la reducción del oxígeno en un cátodo.
- La corriente eléctrica resultante es proporcional a la concentración de oxígeno.
- Estructura:
- El ánodo (plata o platino) y el cátodo (oro o platino) están inmersos en una solución electrolítica.
- Una membrana permeable al oxígeno separa la célula de medición del medio.
- Aplicaciones:
- Uso en plantas de tratamiento de aguas residuales, aguas de proceso y acuicultura.
- Ventajas:
- Alta precisión, incluso a bajas concentraciones de oxígeno.
- Desventajas:
- Requiere mucho mantenimiento, ya que las membranas y el electrolito deben sustituirse periódicamente.
2. medición óptica del oxígeno (método de luminiscencia)
- Principio funcional:
- El oxígeno influye en la duración de la fluorescencia de un material sensor excitado por la luz.
- El cambio en la fluorescencia se utiliza para determinar la concentración de oxígeno.
- Estructura:
- Los sensores ópticos utilizan películas especiales sensibles al oxígeno que funcionan con LED y fotodetectores.
- Aplicaciones:
- Reactores aireados, control de procesos en fermentación, control de aguas potables y residuales.
- Ventajas:
- Bajo mantenimiento, no requiere solución electrolítica, tiempo de respuesta rápido.
- Desventajas:
- Mayores costes de adquisición en comparación con el método amperométrico.
3. método de winkler (valoración)
- Principio funcional:
- El oxígeno reacciona con los iones de manganeso (II) y forma óxido de manganeso (IV). El yoduro lo reduce, por lo que la cantidad de yodo liberada es proporcional a la concentración de oxígeno.
- Aplicación:
- Método de laboratorio, adecuado para mediciones de calibración y referencia.
- Ventajas:
- Muy preciso, independiente de influencias eléctricas.
- Desventajas:
- Lleva mucho tiempo, no es adecuado para mediciones continuas.
Ámbitos de aplicación y ejemplos prácticos
Depuradoras de aguas residuales
- Objetivo de la medición de oxígeno:
- Control de la aireación en el tanque de lodos activados.
- Evitar el exceso de ventilación para reducir los costes energéticos.
- Garantizar un suministro de oxígeno suficiente para los microorganismos.
- Lugares de medición:
- Entrada, tanque de aireación, clarificador secundario.
- Valores objetivo:
- Concentraciones típicas de oxígeno: 2-4 mg/L en tanques de aireación.
Tratamiento del agua potable
- Objetivo de la medición de oxígeno:
- Control del oxígeno para evitar la corrosión.
- Garantizar la estabilidad química.
- Lugares de medición:
- Entrada de agua bruta, etapas de oxidación, agua final.
- Valores objetivo:
- A menudo cerca de la concentración de saturación (aprox. 8-10 mg/L a 20 °C).
Circuitos de agua de refrigeración
- Objetivo de la medición de oxígeno:
- Evitar la corrosión por oxígeno.
- Control de la prevención de bioincrustaciones mediante reductores de oxígeno o biocidas.
- Lugares de medición:
- Entrada y salida de intercambiadores de calor, retornos de condensado.
- Valores objetivo:
- Oft < 0,5 mg/L, insbesondere in geschlossenen Systemen.
Control del agua
- Objetivo de la medición de oxígeno:
- Evaluación de la calidad del agua.
- Control del déficit de oxígeno bajo carga biológica.
- Valores objetivo:
- Un buen estado ecológico requiere al menos 5 mg/L de oxígeno en ríos y lagos.
Foto: El sistema de aireación de un tanque de aireación (proceso: ALMA BHU BIO)
Retos y optimizaciones
Influencia de los fallos
- Las interferencias de depósitos, biopelículas o suciedad en los sensores pueden falsear los resultados de las mediciones.
- Solución:
- Limpieza y calibración periódicas de los sensores.
- Uso de sensores de autolimpieza o mecanismos de cepillado integrados.
Fluctuaciones en el proceso
- Cargas dinámicas de oxígeno debidas a cambios en las cargas de entrada o a fluctuaciones de temperatura.
- Solución:
- Utilización de sistemas de medición en línea con supervisión en tiempo real y control automático de la ventilación.
Consumo de energía
- Los controles ineficaces de los sistemas de ventilación pueden aumentar las necesidades energéticas.
- Solución:
- Optimización de la ventilación mediante soplantes de frecuencia controlada, acoplados a sensores de oxígeno.
Conclusión
La medición del oxígeno es un instrumento indispensable en la tecnología industrial del agua y las aguas residuales. Permite supervisar y controlar con precisión los procesos biológicos, químicos y físicos que dependen de la disponibilidad de oxígeno. Los métodos de medición modernos, como el método de luminiscencia óptica, ofrecen gran precisión y facilidad de mantenimiento, mientras que los métodos clásicos, como la medición amperométrica, siguen convenciendo en muchas aplicaciones. Una medición fiable del oxígeno no sólo contribuye a la optimización de los procesos, sino que también es un factor decisivo para el cumplimiento de las normas medioambientales y de calidad.
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