Aireación Venturi: del caudal de gas al oxígeno transferido

Aspiración, dispersión y transferencia

Un Venturi puede aspirar gas cuando su campo de presión y las condiciones de conexión lo permiten. El líquido transporta y dispersa ese gas, y una parte del oxígeno pasa a la fase acuosa. Estas son tres operaciones diferentes: admitir aire, crear contacto gas-líquido y transferir oxígeno. La observación de burbujas o la lectura de un caudalímetro de aire solo acredita una parte de esa cadena.

La presión de aspiración, la contrapresión, el nivel de líquido y las pérdidas de la conducción gaseosa condicionan el funcionamiento. Un caudal de agua nominal no fija el caudal de aire real. Una modificación del circuito puede alterar simultáneamente mezcla, aspiración y tiempo de permanencia de las burbujas; atribuir el resultado a «más oxígeno» exige medir la transferencia.

Para el método comercial propietario T1, la aireación se describe como un aporte potencial de oxígeno y una modificación del contacto entre fases. No constituye por sí misma mineralización. El oxígeno transferido puede acumularse, ser consumido biológicamente, reaccionar con especies reducidas o volver a salir del agua. Su destino requiere un balance temporal.

La fuerza impulsora y kLa

En una representación de tanque bien mezclado, la transferencia se expresa como:

OTR_vol = kLa * (C_estrella - C)
dC/dt = kLa * (C_estrella - C) - OUR

C es oxígeno disuelto, DO, en mg O2/L; C_estrella es la concentración de equilibrio correspondiente al gas y a las condiciones del líquido; kLa es un coeficiente volumétrico, por ejemplo en h-1. OTR_vol es la tasa volumétrica de transferencia, en mg O2/L/h, y OUR la tasa volumétrica de consumo de oxígeno en las mismas unidades. La ecuación supone que entradas, salidas y otras contribuciones son nulas o se contabilizan por separado.

El producto kLa reúne un coeficiente de transferencia y un área interfacial por volumen. No permite identificar ambos factores por separado a partir de una sola curva de DO. Una mayor área aparente tampoco garantiza un aumento equivalente del producto: cambian movilidad de interfaces, coalescencia, mezcla y condiciones del líquido.

Para volumen V en m3, la tasa total en kg O2/h es OTR = V*kLa*(C_estrella-C)/1000. Cerca de saturación, la fuerza impulsora disminuye aunque el gas siga circulando. Un registro de DO casi constante puede significar escasa transferencia o transferencia elevada compensada por consumo. La curva sola no distingue esas situaciones sin información adicional.

Agua limpia y matriz: alpha y beta

El factor alpha se define aquí como el cociente entre kLa en la matriz y en agua limpia a condiciones comparables. El factor beta es el cociente entre las concentraciones de equilibrio correspondientes. Sus definiciones operacionales deben indicar temperatura, presión, composición del gas, geometría y caudales; comparar ensayos incompatibles produce factores sin significado transferible.

alpha = kLa_matriz / kLa_limpia
beta = C_estrella_matriz / C_estrella_limpia

No se asigna un alpha universal al agua residual ni se adopta beta por simple inspección visual. Las propiedades interfaciales y la composición disuelta justifican medirlos o declarar explícitamente la incertidumbre de estimarlos. Tampoco deben mezclarse una tasa real de operación y una tasa normalizada, SOTR, sin especificar las condiciones de referencia de esta última.

Un estudio de sistemas Venturi y Venturi-Vortex cuantificó kLa, SOTR y eficiencia bajo configuraciones experimentales. Respalda evaluar transferencia con magnitudes definidas, no transportar automáticamente sus coeficientes a otra matriz. Estudio de aireación, 2022.

Ejemplo sintético 1: demanda y saturación

Supónganse, solo para ilustrar el balance, un tanque de 5 m3, kLa_limpia = 4 h-1, alpha = 0.60, C_estrella_limpia = 8 mg/L, beta = 0.95 y C = 2 mg/L. Los valores son entradas hipotéticas, no parámetros medidos de T1. Resulta:

kLa_matriz = 0.60 * 4 = 2.4 h-1
C_estrella_matriz = 0.95 * 8 = 7.6 mg/L
OTR_vol = 2.4 * (7.6 - 2) = 13.44 mg/L/h
OTR = 5 * 13.44 / 1000 = 0.0672 kg/h

Si OUR = 10 mg/L/h, la pendiente inicial es 3.44 mg/L/h. Con consumo constante y los demás supuestos mantenidos, el equilibrio sería C_equilibrio = 7.6-10/2.4 = 3.433 mg/L, no 7,6 mg/L. Airear no implica alcanzar saturación cuando existe demanda.

Si se pretende mantener 4 mg/L, la transferencia disponible sería 2.4*(7.6-4) = 8.64 mg/L/h, inferior al consumo supuesto. Esa condición no sostendría la consigna. La conclusión es una incompatibilidad entre demanda y transferencia bajo esos supuestos, no un fracaso observado de un equipo. Si el cálculo produce DO negativo, el modelo de OUR constante deja de ser físicamente admisible cerca del agotamiento; no se debe publicar una concentración negativa como predicción operacional.

Ejemplo sintético 2: aire que entra y oxígeno que queda

Considérese 1 m3/h de aire seco medido a unas condiciones para las que se adopta un volumen molar ideal de 24,5 L/mol y fracción molar de O2 de 0,2095. La masa de oxígeno introducida sería:

n_aire = 1000 / 24.5 = 40.816 mol/h
m_O2_entrada = 40.816 * 0.2095 * 32 = 273.63 g/h

Si, como segundo supuesto sintético, un balance independiente asigna 40 g/h a transferencia neta gas-líquido, el cociente sería 40/273.63 = 0.1462. No se propone ese cociente como rendimiento de Venturi ni como cifra de eficacia T1. Se muestra que 273,63 g/h introducidos no son 273,63 g/h transferidos.

El caudal normalizado y el caudal real no se intercambian sin corregir condiciones. Para cerrar el lado gaseoso se necesitan salida, composición y humedad pertinentes; para cerrar el líquido, acumulación y consumo. Además, DO acumulado no equivale a transferencia total: cuando existe OUR, parte del oxígeno transferido desaparece de la lectura por consumo durante la prueba.

Mini-protocolo 3: reoxigenación en agua limpia y matriz

Primero se verifica la respuesta del sensor de DO, su calibración y la representatividad del punto de medida. Se caracteriza volumen útil, temperatura, presión y caudales de líquido y gas. En agua limpia sin consumo apreciable, y con kLa y C_estrella constantes, la integración del balance da:

ln[(C_estrella-C_t)/(C_estrella-C_0)] = -kLa*t

La pendiente permite estimar kLa si se cumple la mezcla supuesta y se considera el tiempo de respuesta del sensor. Los puntos muy próximos a saturación amplifican la influencia del error en la diferencia; no conviene tratarlos como información igualmente robusta. El procedimiento para establecer el DO inicial debe ser evaluado por personal competente y no introducir una demanda residual inadvertida.

Se repite después con la matriz conservando condiciones comparables. Si existe consumo, se estima OUR en un ensayo complementario compatible o se ajusta un balance que lo incluya con información suficiente. Forzar la ecuación de agua limpia a una curva con respiración atribuiría al transporte lo que corresponde a consumo. Un estudio con Jetventurimixer en agua y licor mezcla, con 1,5 m3 efectivos, muestra precisamente la importancia de interpretar conjuntamente transferencia y consumo. Su dispositivo no es intercambiable con cualquier inyector externo. Estudio JVM, 2022.

Si una pausa de aireación permite estimar consumo, debe mantenerse mezcla suficiente y contabilizar transferencia superficial residual. La hipótesis de OUR constante se comprueba en el intervalo utilizado; no se extiende automáticamente a horas de evolución biológica. Como recomendación inferida, conviene registrar DO en más de una posición durante la caracterización inicial para detectar gradientes antes de ajustar un único coeficiente de tanque.

Interpretación para el tren

Oxigenar es aportar oxígeno al líquido; oxidar es transferir electrones en una transformación; mineralizar es convertir materia orgánica en productos inorgánicos. Estas operaciones pueden relacionarse, pero no son equivalentes. Una bajada de olor o una mejora visual tampoco sustituye los análisis necesarios para distinguirlas.

Las preguntas comprobables son si el gas adicional aumenta OTR a igual hidráulica, si la matriz cambia alpha y si la demanda observada explica la evolución de DO. El tamaño de burbuja ayuda a describir contacto, pero no actualiza automáticamente la respuesta del motor. El dato útil para integrar aireación en T1 es una transferencia y una demanda documentadas, junto con su condición de medida, no la presencia visible de aire.