Sumario: La producción de acuicultura, un gran mercado en las economías latinoamericanas, depende del manejo efectivo de la calidad del agua. Uno de los principales parámetros es la concentración de oxígeno disuelto. A continuación se discute la manera en que la teoría y el diseño de aireación son aplicados en la acuicultura.
La industria de la acuicultura en Centro y Sur América ha crecido de manera continua durante los últimos 20 años. A pesar de una leve decadencia en algunas partes de América del Sur a finales de 1999, la industria ha crecido considerablemente durante los últimos años. Las principales especies de producción son el camarón marino y el salmón, aunque también se producen otros crustáceos y peces.
Las estadísticas (INFOPESCA, 1999) de la Organización de Alimentos y Agricultura de las Naciones Unidas (FAO *) muestran que la acuicultura en Latinoamérica ha disfrutado una tasa anual de crecimiento de aproximadamente 11 %,1O La industria sigue siendo pequeña en comparación con la acuicultura asiática. Sin embargo, con abundancia de agua dulce y salada en la región, la producción seguirá creciendo en el futuro.
Panorama de las aplicaciones El manejo de calidad del agua es de vital importancia para la acuicultura. El agotamiento de oxígeno puede ser un problema serio en acuicultura, especialmente para las aplicaciones intensivas. La producción en densidad elevada de las especies cultivadas requiere altas tasas de alimentación que pueden resultar en acumulación de residuos y alimentos no consumidos. Además, producen altas concentraciones de materiales nutritivos de plantas disueltos en el agua y, por consiguiente, un denso crecimiento de algas planctónicas. Estas condiciones por sí mismas pueden ejercer una demanda desequilibrada sobre las reservas de oxígeno de un estanque; y los niveles de oxígeno disuelto pueden decaer a niveles letales para los peces o crustáceos cultivados, de no tomarse acción correctiva. Además, estas decadencias catastróficas ocurren a veces debido a la disminución masiva de algas. El agotamiento de oxígeno puede causar la mortalidad parcial o total de las especies cultivadas—y una pérdida sustancial par el productor.5789
Ejemplos de casos Las instalaciones de acuicultura utilizan tanto sistemas de aireación de superficie como de fondo. Los aireadores de superficie incluyen sistemas de rueda de paletas y sistemas de aireación por aspiración. Los sistemas de fondo incluyen sopladores, bombas de aire, o compresores conectados a difusores colocados en el fondo de la cuenca. A menudo se utilizan combinaciones de distintas tecnologías para mejorar la eficiencia general de la aireación. La Figura 1 muestra dos técnicas de aireación utilizadas en conjunto para la producción de camarón marino.
En cada caso, el primer paso del diseño de un sistema de aireación consiste en determinar la cantidad total de oxígeno requerida— generalmente expresada en kilogramos de oxígeno por hora (Kg. 021h). Una vez que se conoce el requerimiento de oxígeno, el diseño es similar para la mayoría de las aplicaciones. La siguiente sección describe la teoría en la cual se basa la transferencia de oxígeno. Esta información es necesaria para determinar el tamaño apropiado de los sistemas de aireación para varias aplicaciones.
Teoría de aireación Existen varias teorías que han sido propuestas para el mecanismo de transferencia de oxígeno en el agua. Estas teorías son ampliamente utilizadas al modelar la cinética de la transferencia de oxígeno. De manera interesante, las formas más sencillas han probado ser efectivas en el diseño de aireación, cediendo resultados cercanos a modelos más complejos y que, por lo general, proporcionan predicciones equivalentes de transferencia de oxígeno.
La primera ley de Fick describe la tasa de movimiento de gas dentro de un líquido. Esta relación describe la tasa de transferencia de masa como directamente proporcional al gradiente de la concentración. Esto se expresa de la manera siguiente:
Ecuación 1. dm/dt = D A dC/dt
En la ecuación anterior, dm/dt es la tasa de transferencia de masa en gramos por segundo (g/s), Dm es la constante de difusión molecular (o coeficiente) del gas en centímetros cuadrados por segundo (cm2/s), A es el área a través de la cual ocurre la transferencia (cm2), y dC/dt es el gradiente de concentración del gas.
Uno de los modelos iniciales para la transferencia de gas sugiere que existen dos películas laminares de gas y líquido en la interfase que existe entre dos fases. Este modelo se conoce como el “modelo de dos películas”, o modelo de Lewis y Whitman, en honor a las personas que lo presentaron originalmente. El gas se moviliza por difusión molecular a través de la película líquida y se distribuye por difusión turbulenta a través del líquido. El modelo de dos películas para la transferencia de oxígeno describe la tasa de transferencia de la manera siguiente:
Ecuación 2 Dm/dt/A = Dm x (Cs-C) / Lf
En esta ecuación, dm/dt/A es la tasa de transferencia por unidad de área, Cs es la concentración de saturación de gas, Lf es el grosor de la película líquida, yC es la concentración de gas. El modelo está basado en una película laminar estable en la interfase, requiriendo condiciones de flujo tranquilo. Estas condiciones rara vez se encuentran en el campo; aún así, la Ecuación 2 ha sido ampliamente utilizada para describir efectivamente la transferencia de oxígeno y el diseño de aireación para muchas aplicaciones. El modelo básico de transferencia de oxígeno, utilizado para determinar el tamaño de los sistemas de aireación, está basado en el modelo de Lewis y Whitman. Las siguientes ecuaciones presentan el modelo en formato diferencial (ver Ecuación 3) y formato exponencial (ver Ecuación 4):
Ecuación 3. dC/dt = KLa (Cs -C) Ecuación 4. C =Cs - (Cs - C0) exp (-Kla x t) En estas ecuaciones, C es la concentración de oxígeno disuelto (OD) en miligramos por litro (mg/L), Cs es la concentración de equilibrio de OD que se logra cuando el tiempo se acerca al infinito, C0 es la concentración de OD en el tiempo cero, y Kl a es la transferencia de masa o coeficiente de re-aireación (h-1) definido como la tasa de transferencia de masa por unidad de volumen dividida entre el gradiente diferencial de concentración (Cs - C0), y t es el tiempo en horas (h).
Factores de concentración de saturación Varios factores afectan la tasa de solución de oxígeno en el agua. A.L. Downing y G.A. Truesdale discutieron muchos de estos factores incluyendo el grado de agitación, efectos de temperatura, y la concentración de contaminantes solubles e insolubles, en un artículo en el Journa/ of Applied Chemistry. Existen varios parámetros de calidad del agua que afectan las concentraciones de saturación de los gases disueltos. La Tabla 1 presenta un resumen de las concentraciones de saturación del OD, basado en la temperatura y salinidad. Para mayor información acerca de los valores de saturación de OD, consulte Standard Methods for the Examination of Waterand Wastewater.
Pruebas estándar de tanque El rendimiento de los aparatos de aireación puede ser comparado basado en la evaluación de las tasas de reaireación conseguidas a través de pruebas en agua limpia. Posteriormente, los resultados son convertidos a condiciones estándar. Este procedimiento fue preparado por el subcomité de estándares de transferencia de oxígeno de American Society of Civil Engineers. La prueba estándar de aireación
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