Sensor de turbidez de alta precisión para plantas de tratamiento de aguas residuales

¿Cuáles son las diferencias entre los tres indicadores de claridad en las plantas de tratamiento de aguas residuales? Diferenciación entre turbidez, SS y transparencia

En las plantas de tratamiento de aguas residuales, se mencionan con frecuencia tres indicadores de claridad: turbidez, transparencia y sólidos en suspensión (SS). Estos representan tres dimensiones diferentes de la evaluación de la claridad: concentración en masa, propiedades ópticas y percepción sensorial. El método normalizado para analizar los sólidos en suspensión es el método gravimétrico, que consiste en hacer pasar una muestra de agua a través de una membrana filtrante con poros específicos y secarla hasta alcanzar un peso constante. La unidad de medida es mg/L. Teóricamente, este indicador de concentración en masa no puede monitorearse en línea y requiere secado y pesado. Las sustancias que afectan los sólidos en suspensión incluyen limo, arcilla y microorganismos de gran radio. La turbidez se define como el grado de dispersión de la luz causado por partículas en suspensión en el agua. El método normalizado de ensayo es el método de dispersión luminosa a 90°, que mide la capacidad de las partículas en suspensión para interferir en la propagación de la luz. La unidad es NTU (o FTU, unidad de turbidez de formaldehído). Muchas sustancias afectan la turbidez, como limo, microorganismos, algas, materia orgánica particulada y microburbujas.

¿Por qué el método de luz dispersa a 90° es la solución predominante para la medición en línea de la turbidez?

Este método consiste en emitir un haz de luz paralelo y direccional desde una fuente luminosa hacia una muestra de agua. Un fotodetector se coloca perpendicularmente al haz incidente, formando un ángulo de 90°. Cuando la luz incide sobre las partículas suspendidas en la muestra de agua, se dispersa. La luz dispersa viaja en todas las direcciones, pero el fotodetector solo recoge la intensidad de la luz dispersa lateral, a partir de la cual se calcula el valor de turbidez (la intensidad de la luz dispersa lateral es proporcional a la cantidad de materia particulada presente en el agua). Este es el método más extendido para la medición en línea de la turbidez y lo utilizan marcas líderes del mercado de monitoreo de calidad del agua, como E+H, Hach, JIDE y OPTEX.

Comparación de los estándares de turbidez para la calidad del agua en distintos países

Los estándares de turbidez de diversos países se centran en tres ámbitos:

1. Agua potable (estándares obligatorios, de alto nivel);

2. Aguas superficiales (clasificadas según la función del cuerpo de agua, normalmente gestionadas junto con la transparencia);

3. Aguas residuales industriales (normalmente calculadas como sólidos en suspensión).

A continuación se presentan ejemplos de normas de importantes países y regiones: La norma de la Agencia de Protección Ambiental de Estados Unidos (US EPA) establece que la turbidez de las aguas superficiales comunes, como ríos y lagos, debe controlarse entre 25 y 150 NTU; la turbidez del agua potable debe ser inferior a 1 NTU; la norma para los vertidos industriales se basa en los sólidos en suspensión totales (TSS), con un valor límite entre 30 y 100 mg/L.

Las normas chinas para aguas superficiales establecen una turbidez inferior a 25 NTU (agua clase V) e inferior a 10 NTU (agua clase III). Para las descargas de las plantas de tratamiento de aguas residuales urbanas, calculadas mediante TSS, el estándar más estricto de descarga es inferior a 10 mg/L, mientras que el límite para la descarga en redes de pretratamiento es de 50 mg/L; el límite de turbidez para los puntos de suministro de agua potable es de 1 NTU.

El sistema europeo EN ISO 7027 establece que el límite orientativo para el agua tratada debe ser inferior a 4 FNU; el requisito para el efluente convencional de las plantas de tratamiento de aguas residuales urbanas, calculado mediante SST, es inferior a 35 mg/L, y para los cuerpos de agua sensibles de alto estándar, es inferior a 15 mg/L; en el caso de las aguas superficiales, se requiere un control coordinado de la transparencia y la turbidez, y el requisito para el agua cruda suele ser inferior a 5 NTU.

¿Por qué sus mediciones de turbidez siempre son inexactas?

Punto problemático 1: Las aguas residuales industriales de ciertas industrias presentan coloración y baja transparencia, como sucede típicamente con las aguas residuales procedentes de la coquización, de la tintura o con altos niveles de partículas grandes. Esto provoca lecturas inestables del sensor de turbidez, con fluctuaciones significativas y una lectura general considerablemente más baja.

Mecanismo de interferencia: Los turbidímetros tradicionales, basados en el principio de luz dispersa, miden la intensidad de la señal luminosa que regresa al detector. Si el agua está coloreada, parte de la luz dispersa se absorberá prematuramente, debilitando la señal luminosa recibida por el detector y provocando un valor de medición más bajo. Asimismo, las partículas suspendidas de gran tamaño pueden causar fluctuaciones en la lectura al atravesar la trayectoria de transmisión de la luz.

Solución: Los turbidímetros basados en luz infrarroja de 860 nm evitan eficazmente la interferencia causada por el color. Al mismo tiempo, es necesario configurar un algoritmo que utilice un método de medición por relación para ajustar el algoritmo de compensación de la señal luminosa y eliminar los errores provocados por el movimiento de partículas grandes y por el color. Actualmente, los modelos principales que emplean esta solución incluyen el HACH TSS-Sc, el CUS51D Turbimax de E+H y el WQ3000-TSS/Turb de JIDE.

Punto de dolor 2: En los procesos avanzados de tratamiento de aguas residuales, como el tratamiento por membrana, los reactores biológicos de membrana (MBR), el agua de alimentación para ósmosis inversa o el tratamiento en tanques de sedimentación secundaria, cuando el efluente es muy claro (típicamente con turbidez inferior a 1 UTN), la velocidad de respuesta del turbidímetro disminuye o la lectura aumenta bruscamente de forma repentina, incluso cuando la muestra de agua es estable.

Mecanismo de interferencia: Interferencia por burbujas. Las burbujas generadas por caudales inestables interfieren significativamente en las mediciones de turbidez a bajos niveles de turbidez, lo que provoca valores de ensayo falsamente elevados. Los instrumentos sin calibrar pueden introducir señales luminosas internas caóticas, afectando la ya muy pequeña cantidad de luz dispersa durante las mediciones a baja turbidez, lo que resulta en una disminución de la velocidad de respuesta del equipo.

Soluciones: Instalar un tanque desespumante de flujo (por gravedad o por principio de presurización) , optimizar el diseño del canal de flujo y realizar periódicamente la calibración del punto cero con agua ultrapura.

Existen muchos otros problemas desafiantes relacionados con las pruebas de turbidez en el sitio. Puede ponerse en contacto con nuestros ingenieros a través de nuestro sitio web para seguir discutiendo el tema. Damo la bienvenida a clientes de diversos sectores que nos proporcionen estudios de caso para mejorar nuestros productos y ampliar nuestra experiencia en aplicaciones in situ.

Punto crítico 3: El medidor de turbidez es muy preciso inmediatamente después de la calibración, pero tras menos de una semana en agua natural o aguas residuales, las lecturas fluctúan y se desvían hacia arriba.

Mecanismo de interferencia: Interferencia común causada por biopelículas en masas de agua naturales y océanos, o interferencia debida a compuestos de calcio y magnesio adheridos por la alta dureza de las aguas residuales. Esta interferencia puede fácilmente obstruir los componentes emisores y receptores de la señal luminosa, afectando los resultados de las pruebas.

Solución: Seleccione un turbidímetro con cepillo de limpieza automático. Este tipo de cepillo de limpieza de silicona es duradero, fácil de reemplazar y puede limpiar periódicamente la ventana óptica según sea necesario, reduciendo eficazmente la interferencia por biopelículas. Para aguas residuales con alta dureza, la frecuencia de mantenimiento debe aumentarse. Elija un turbidímetro encapsulado en materiales resistentes a la corrosión, como la aleación de titanio (aquí se recomienda la versión de turbidímetro en línea automática de limpieza JIDE WQ3000-turb-Ti, altamente rentable). Durante el mantenimiento rutinario, el lavado con ácido puede disolver eficazmente los compuestos de calcio y magnesio.

Punto crítico 4: Los datos de turbidez obtenidos en ensayos de laboratorio y los datos del analizador en línea no son comparables, con un error superior al 10 %, lo que impide que ninguna de las partes confíe en los resultados de las pruebas.

Mecanismos de interferencia: La turbidez y los sólidos en suspensión son parámetros dinámicos y activos que sedimentan fácilmente. Por lo tanto, es fundamental agitar vigorosamente la muestra antes del análisis, y puede ser necesario utilizar un agitador magnético para mantener la estabilidad durante la prueba. Además, al calibrar analizadores de turbidez en línea en el laboratorio, debe emplearse un vaso de calibración con protección contra la luz proporcionado por el fabricante, y la solución estándar de formalina debe ensayarse en un entorno completamente oscuro para evitar la interferencia de la luz ambiental. En algunas condiciones operativas complejas, si se requiere una coincidencia exacta con los datos obtenidos en el laboratorio y el instrumento no puede reproducir las pruebas realizadas con la solución estándar del laboratorio (cuyo principio de medición puede basarse en lámparas incandescentes, en lugar del método de luz infrarroja), se pueden utilizar muestras reales de agua para la calibración, garantizando así que los resultados comparativos cumplan los requisitos del ensayo.

Cómo seleccionar un sensor de turbidez de alta precisión en condiciones operativas complejas en plantas de tratamiento de aguas residuales

En todo el sistema de proceso de una planta de tratamiento de aguas residuales industriales, la turbidez es un indicador de proceso fundamental que refleja directamente el efecto de eliminación de los sólidos en suspensión totales (TSS), el rendimiento de sedimentación de los lodos, la monitorización de la calidad del agua de entrada y si la calidad del agua de salida cumple con los estándares establecidos. El muestreo y análisis manuales no pueden proporcionar retroalimentación precisa sobre las fluctuaciones de la calidad del agua, lo que supone un riesgo de superar los límites permitidos para las descargas. Asimismo, los sensores de turbidez de baja precisión son susceptibles a diversos factores de interferencia, como el color, los depósitos viscosos, la materia orgánica y las burbujas de aire, lo que puede provocar inestabilidad frecuente con el uso prolongado, especialmente en condiciones operativas complejas, donde la incertidumbre aumenta significativamente.

Por otro lado, los sensores de turbidez de alta precisión están diseñados con principios fundamentales de monitorización y detalles técnicos orientados a eliminar las interferencias y mitigar posibles derivas y errores en los datos. En esta sección se utilizan como ejemplos el analizador de turbidez/materias en suspensión de la serie WQ3000 de JIDE y el medidor de turbidez de bajo rango de referencia para plantas de tratamiento de aguas residuales 1720E de Hach.

El analizador de turbidez/materias en suspensión de la serie WQ3000 de JIDE incorpora una fuente de luz LED de infrarrojo cercano de 860 nm que ilumina el agua sin verse afectada por el color amarillento-marrón de las aguas residuales ni por la cromaticidad de las aguas residuales de tintorería, evitando así los errores inherentes a la detección con luz visible.

Un módulo fotoeléctrico receptor está posicionado perpendicularmente a 90° respecto a la luz incidente para capturar específicamente la luz dispersa lateral generada por las materias en suspensión y las partículas coloidales presentes en el agua.

La intensidad de la luz dispersada es directamente proporcional a la turbidez del agua. El chip, mediante compensación de temperatura y filtrado algorítmico, convierte con precisión la turbidez en unidades estándar de turbidez NTU.

El diseño del circuito incorpora un sistema de aislamiento para evitar interferencias de la luz ambiental, logrando una precisión de detección ultraalta en el rango de baja turbidez (0-50 NTU), con una resolución de hasta 0,01 NTU.

El analizador de baja turbidez Hach 1720E funciona mediante el método de luz dispersa a 90° e incorpora un sistema desespumante y desgasificador para eliminar eficazmente la interferencia de burbujas de aire en ensayos de turbidez de bajo rango. Este dispositivo tiene un rango de medición de 0-100 NTU y una precisión en baja turbidez de 0,001 NTU, lo que lo hace adecuado para supervisar estándares extremadamente altos de agua potable y los más exigentes estándares de vertido de efluentes. Actualmente, este producto posee la mayor cuota de mercado y una alta reconocimiento en el sector, aunque algunos tanques de muestreo en campo son propensos a la formación de incrustaciones y requieren mantenimiento frecuente, lo cual constituye un problema reportado por la industria. Asimismo, sigue presentando ciertos requisitos respecto a la calidad del agua in situ.

Guía de comparación y selección

Métodos de medición	Principios Fundamentales	Ventajas	Desventajas/Limitaciones	Escenarios de aplicación en plantas de tratamiento de aguas residuales
método de dispersión a 90°	Captura de la luz dispersa lateral vertical a 90°	Compatible con rangos de medición tanto altos como bajos, con una precisión extremadamente alta para mediciones de baja turbidez	Debe tenerse en cuenta la interferencia de la escala o las burbujas.	Monitoreo estándar de la calidad del agua de entrada y salida
Método de transmisión	Medición de la atenuación de la luz que penetra en el agua	Adecuado para mediciones básicas de alta turbidez	Baja sensibilidad en el rango de baja turbidez y muy susceptible a la interferencia del color.	No adecuado para el monitoreo fino del efluente
Método de dispersión hacia atrás	Captura de luz dispersa en ángulo amplio cercano a 180°	Muy adecuado para mediciones de concentración ultraalta	Mala linealidad en el rango de baja turbidez.	Solo adecuado para lodos de alta concentración y agua de entrada