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¿Qué herramientas se utilizan en el monitoreo de la calidad del agua?
El análisis de la calidad del agua implica evaluar su idoneidad química, física y biológica para una aplicación específica. Los requisitos de los parámetros del agua para una piscifactoría difieren de los de una planta de fabricación de productos farmacéuticos.
Para lograr un monitoreo preciso, se requiere una variedad de instrumentos de medición de la calidad del agua . Estos instrumentos deben tener diferentes rangos, resoluciones, precisiones, tiempos de respuesta y repetibilidad para adaptarse a la aplicación específica. Los sensores son una de las herramientas esenciales para monitorear la calidad del agua. También necesitará tiras reactivas, muestreadores de agua, registradores de datos y transductores para contar con un sistema completo de monitoreo del agua.
Para comprender la importancia del monitoreo de la calidad del agua, considere las regulaciones de la OMS y otras organizaciones globales y regionales sobre agua potable. La mala calidad del agua no solo causa productos deficientes, daños materiales y una reducción de la vida útil de la maquinaria, sino que, en algunos casos, también perjudica gravemente la salud humana y la economía en general. Este artículo tiene como objetivo brindarle todos los parámetros esenciales para el monitoreo de la calidad del agua, las herramientas de medición de la calidad del agua y su importancia en diversas aplicaciones.
Normas regulatorias y su papel en el monitoreo
Existen numerosas organizaciones que regulan los requisitos de calidad del agua para usos específicos. Algunas ofrecen un control más estricto que otras. Por ejemplo, si seguimos los requisitos de la EPA (EE. UU.) y la CE (UE), también cumplimos con los requisitos de las directrices de la OMS e ISO (globales). La EPA y la CE son organismos locales que ofrecen un control de calidad del agua mucho más estricto que las organizaciones globales. Para uso industrial, las normas pueden variar de un sector a otro.
Algunas organizaciones pueden requerir el monitoreo de los niveles de oxígeno disuelto (OD) en el agua, mientras que otras solo necesitan monitorear el pH y la temperatura. Las normas regulatorias garantizan que el agua sea apta para la aplicación específica. A continuación, se presentan algunos ejemplos:
▋Monitoreo ambiental
- OMS y PNUMA: directrices mundiales y vigilancia de los ecosistemas.
- ISO (serie 5667): métodos de muestreo estándar.
- EPA de EE. UU. (Ley de Agua Limpia) y Directiva Marco del Agua de la UE: principales reguladores regionales.
- Agencias nacionales (por ejemplo, USGS, China MEE, CPCB India, Pak-EPA, Japón MOE): implementan y hacen cumplir localmente.
▋Suministro y tratamiento de agua potable
- WHO:Directrices para la calidad del agua potable.
- Directiva sobre agua potable de la EPA de EE. UU. (SDWA) y la UE: normas exigibles.
- Ministerios/autoridades nacionales (por ejemplo, Salud Canadá, NHMRC Australia, SASO, PSQCA, BIS): Adopción local.
▋Aguas residuales y efluentes industriales
- U.S. EPA(Permisos CWA, NPDES)
- Directiva de la UE sobre aguas residuales urbanas
- Agencias Nacionales de Protección Ambiental (China MEE, CPCB, Pakistan EPA, Japón MOE): Estándares de efluentes.
▋Acuicultura y agricultura
- FAO:Directrices de acuicultura.
- Directiva de la UE sobre nitratos y EPA de EE. UU.: Normas de agua para la agricultura.
- Ministerios nacionales de Agricultura (por ejemplo, ICAR India, MARA China): aplicación local.
Según la OMS, el agua potable contaminada microbiológicamente puede transmitir enfermedades como la diarrea, el cólera, la disentería, la fiebre tifoidea y la poliomielitis, que se estima que causan aproximadamente 505.000 muertes por diarrea cada año. Esta es solo una de las muchas maneras en que la calidad del agua puede afectar nuestras vidas.
Instrumentos para medir parámetros físicos
Los parámetros físicos del agua se refieren a aquellos que afectan su apariencia, sabor y usabilidad. Son propiedades observables y tangibles del agua. A continuación, se presentan algunos parámetros físicos clave observables mediante sensores de calidad del agua:
▪ Temperatura
En términos generales, la temperatura mide la energía cinética del agua. Es un indicador clave del punto de ajuste del agua para el cambio de fase. Monitorizar la temperatura del agua tiene múltiples usos en la industria.
Monitorear la temperatura es vital en la vida acuática, las reacciones químicas y las centrales eléctricas. Su diseño simple los hace altamente confiables para tales aplicaciones. Generalmente, se utilizan materiales como platino en RTD o semiconductores en termistores. El cambio de temperatura del sensor provoca un cambio en la resistencia del material. Este cambio se detecta electrónicamente y se convierte en una lectura de temperatura.
▪ Turbidez y sólidos suspendidos totales (SST)
En el proceso de purificación de agua y el monitoreo de la salud ambiental, los sensores de turbidez y SST detectan la turbidez del agua. El grado de turbidez representa la cantidad de materia en suspensión en el agua, incluyendo limo, algas y organismos microscópicos. La presencia de estas materias puede reducir la calidad del agua potable y obstruir las branquias de los peces, bloqueando la luz solar necesaria para la fotosíntesis de las plantas acuáticas.
Estos sensores utilizan el efecto Tyndall, que consiste en la dispersión de la luz por el agua con partículas en suspensión. El sensor hace pasar la luz a través del agua y mide la cantidad de luz que la atraviesa. Si la cantidad de luz que pasa es baja, significa que la turbidez y los SST son altos. La turbidez y los SST se miden en Unidades Nefelométricas de Turbidez (NTU) y SST (generalmente en mg/L), respectivamente.
▪ Conductividad eléctrica (CE), salinidad y sólidos disueltos totales (TDS)
La presencia de sales en el agua aumenta su conductividad. Por lo tanto, un solo sensor que mide la conductividad del agua es capaz de detectar la CE, la salinidad y los TDS. La salinidad es la presencia de sales en el agua, y los TDS también son una medida de las sales disueltas (iones) en el agua. Dado que todos estos parámetros están estrechamente relacionados, un solo sensor es suficiente para obtener resultados.
Un sensor que mide CE, TDS y salinidad utiliza dos electrodos sumergidos en el agua. Estos hacen pasar corriente a través del agua y miden su resistencia. Una menor resistencia implica mayor conductividad, salinidad y TDS. Sin embargo, son sensibles a la temperatura y requieren calibración del factor de correlación según el tipo de solución.
▪ Nivel del agua
Aunque no está directamente relacionado con la calidad del agua, el nivel del agua es un parámetro crucial para monitorear el caudal de los embalses y los ríos. Se utiliza a menudo en el monitoreo de la calidad del agua. A continuación, se presentan algunos tipos de sensores de nivel de agua:
- Sensores de nivel hidrostáticos sumergibles
- Sensores ultrasónicos de nivel de agua
- Sensores de nivel de agua por radar
- Sensores de nivel capacitivos
- Sensores de nivel tipo flotador
Instrumentos para medir parámetros químicos
Más allá de la apariencia, el sabor y la facilidad de uso, está la presencia de sustancias químicas en el agua. Estas sustancias no son directamente observables por el ojo humano. Es posible que necesite sensores especializados que detecten la presencia de sustancias químicas en el agua. Algunos detectores combinan todos estos parámetros en una sola unidad. Existen algunos de los sensores más avanzados, como el RK500-09. Sin embargo, para facilitar su comprensión, los mencionaremos por separado:
♦ pH y ORP
El pH (Potencial de Hidrógeno) es un indicador clave de la capacidad del agua para reaccionar con sustancias químicas e indicar su capacidad para causar corrosión. El ORP (Potencial de Oxidación-Reducción) es la capacidad del agua para actuar como agente oxidante o reductor. Medir el pH y el ORP es fundamental para el monitoreo de la calidad del agua, ya que, en conjunto, proporciona información sobre la acidez o alcalinidad del agua, así como sobre su poder desinfectante y su estado general de salud.
Un sensor de pH utiliza un tubo de vidrio permeable a los iones de hidrógeno como electrodo, mientras que los sensores de ORP emplean un electrodo de medición de un metal noble, como el platino o el oro. Ambos requieren un electrodo de referencia con un voltaje estable. La diferencia de voltaje entre los electrodos proporciona el pH y el ORP, respectivamente. Suelen integrarse en un solo sensor, ya que utilizan hardware similar y un electrodo de referencia.
♦ Oxígeno disuelto (OD)
El OD es fundamental para la vida acuática, ya que es un indicador directo de la presencia de oxígeno en el agua. Sin embargo, en la industria de procesos, el OD suele ser indeseable, ya que puede intensificar el proceso de corrosión al entrar en contacto con metales. Por lo tanto, los rangos y las lecturas mínimas pueden variar en ambas aplicaciones.
Existen dos tipos de sensores de oxígeno disuelto (OD) que utilizan tecnologías electroquímicas u ópticas. El tipo electroquímico utiliza una membrana para permitir la difusión del oxígeno, lo que provoca una reacción química con electrodos para generar una señal eléctrica proporcional al nivel de OD. Los sensores ópticos, también conocidos como sensores de luminiscencia, utilizan un tinte fluorescente que se "extingue" (es decir, su emisión de luz se reduce) con el oxígeno.
♦ Nutrientes (amonio, nitratos y nitritos)
El monitoreo de nutrientes como el amonio, los nitratos y los nitritos es crucial en campos como el tratamiento de aguas, la monitorización ambiental, la agricultura y la acuicultura. El vertido de efluentes del tratamiento de aguas residuales, la eutrofización en ríos y lagos, y la medición de nutrientes en el suelo son áreas clave para monitorear la presencia de nutrientes.
Los mecanismos de funcionamiento de estos sensores son electrodos selectivos de iones (ISE), sensores ópticos y analizadores colorimétricos. Cada nutriente tendrá su sensor específico.
♦ Demanda química y biológica de oxígeno (DQO/DBO)
Algunos contaminantes del agua requieren oxígeno para descomponerse. Por lo tanto, es necesario determinar la cantidad de oxígeno que requieren para eliminarlos del agua y estabilizar los niveles de oxígeno. La DQO/DBO es la cantidad de oxígeno necesaria para descomponer los contaminantes en el agua. Es un indicador clave para evaluar el grado de contaminación del agua y la eficiencia de los procesos de tratamiento de aguas residuales.
La materia orgánica e inorgánica del agua absorbe la luz ultravioleta en diferentes longitudes de onda. Al pasar luz ultravioleta a través de una muestra de agua y analizar la emisión a diferentes longitudes de onda, se obtiene una visión general de la presencia de materia orgánica e inorgánica en el agua.
♦ Cloro residual
En el monitoreo de la calidad del agua, se añade cloro para eliminar microorganismos patógenos que pueden representar un riesgo para la salud. El cloro puede monitorearse en dos etapas: inicialmente, para eliminar microorganismos peligrosos para el consumo, y posteriormente, cuando se suministra para consumo humano. De acuerdo con los requisitos regulatorios, mantener un nivel seguro de cloro es crucial para garantizar la calidad del agua potable.
El electrodo de trabajo de un sensor reacciona con los iones de cloro del agua para producir una corriente eléctrica. La señal de corriente se envía a un controlador que la convierte en valores tangibles para los dispositivos HMI.
Instrumentos para medir parámetros biológicos
La presencia de ciertos organismos vivos en el agua puede ser peligrosa para el consumo humano. Monitorear estos parámetros en la producción de agua potable es fundamental. Analicemos estos parámetros y cómo podemos detectarlos:
● Cianobacterias (algas verdeazuladas)
Las algas verdeazuladas, también conocidas como cianobacterias, aparecen en forma de floraciones densas y visibles en aguas cálidas y ricas en nutrientes. Representan un grave problema de salud, ya que producen toxinas que pueden causar daño hepático, problemas neurológicos, irritación cutánea e incluso la muerte.
La detección de cianobacterias requiere sensores de fluorescencia óptica. Estos sensores emiten luz (excitación) a una longitud de onda específica (generalmente entre 590 y 630 nm). A cambio, la ficocianina de las cianobacterias absorbe esta luz y emite fluorescencia a una longitud de onda mayor (aproximadamente entre 650 y 660 nm). La detección de la luz indica la presencia de cianobacterias en el agua.
● Clorofila
La clorofila es un indicador clave de la presencia de biomasa de fitoplancton en el agua. Ofrece una visión general de la calidad del agua y la salud del ecosistema. La presencia de floraciones de algas puede causar problemas como mal sabor y olor en el agua potable, disminución del oxígeno y la creación de condiciones tóxicas.
También utiliza sensores de fluorescencia óptica, similares a los utilizados en la detección de cianobacterias, mencionados anteriormente. El sensor suele emitir un LED azul (~470 nm) en el agua, que la clorofila-a presente en las algas absorbe y reemite como luz roja (~680 nm). La intensidad de la luz roja detectada indica la presencia de clorofila.
Sistema avanzado de monitoreo de la calidad del agua
El sensor por sí solo no es suficiente para iniciar el monitoreo de la calidad del agua. Para iniciar el proceso de monitoreo, necesitará los siguientes componentes. Cada componente del sistema de monitoreo de la calidad del agua cuenta con avances. Mencionaremos los más recientes y destacados:
- Registrador/controlador de datos: recopila datos de los sensores y los almacena mediante señales RS-485 Modbus, SDI-12 y 4–20 mA.
- Fuente de alimentación: red CA, baterías CC o paneles solares
- Sistema de Telemetría/Comunicación: Transmite datos al centro de monitoreo utilizando módems GSM/4G, LoRa, Wi-Fi y enlaces ascendentes satelitales.
- Hardware de montaje y carcasa: Las sondas sumergibles requieren cables o pozos de suspensión. Por otro lado, los sensores sin contacto (radar/nivel ultrasónico) requieren soportes estables. Algunos incluyen carcasas protectoras (anticorrosión, antiincrustaciones y antirrobo).
- Soluciones de calibración y accesorios: Es posible que necesite soluciones estándar (por ejemplo, tampones de pH 4.0, 7.0, 10.0; solución de oxígeno cero de DO; estándares de turbidez) y kits de limpieza o limpiadores autolimpiables para garantizar la repetibilidad y confiabilidad de los resultados.
- Software y panel de control: SCADA, paneles de control en la nube o aplicaciones para PC/móviles para visualizar tendencias de datos.
La capacidad de estas herramientas de monitoreo de la calidad del agua para transmitir datos de forma inalámbrica a una estación central de monitoreo permite la recopilación y el análisis de datos en tiempo real. Las autoridades pueden tomar medidas rápidas y garantizar el cumplimiento de los requisitos regulatorios.
Sensores recomendados para el monitoreo de la calidad del agua
Parámetro | Rango de detección típico del sensor | Rango de monitoreo recomendado (calidad del agua) | Sensor Rika recomendado |
Temperatura | –5 a +60 °C (precisión de ±0,3 °C; resolución de 0,1 °C) | 0–35 °C para la mayoría de las aguas naturales; hasta 40 °C en aguas residuales/industriales | Sensor de temperatura de líquido RK500-11 (también en multiparámetro RK500-09) |
Turbiedad | 0–1000 NTU (resolución de 0,1 NTU; precisión de ±5 % FS) | 0–5 NTU para agua potable (OMS); 25–80 NTU para ríos; >100 NTU para aguas residuales | Sensor de turbidez RK500-07 |
Sólidos suspendidos totales (SST) | 0–1000 mg/L o más | <10 mg/L (potable); 25–80 mg/L (ríos); >100 mg/L (aguas residuales) | Sensor de TSS RK500-20 |
Conductividad eléctrica (CE) | 0–200 mS/cm (±1–2%) | 0–2 mS/cm (bebida); 0–5 mS/cm (superficie); hasta 50 mS/cm (agua de mar) | Sensor de CE/salinidad RK500-13 |
Salinidad | 0–70 ppt (derivado de CE) | Agua dulce <0,5 ppt; Salobre 0,5–30 ppt; Agua de mar ~35 ppt | Sensor de CE/salinidad RK500-13 |
Sólidos disueltos totales (TDS) | 0–1000 mg/L a >10 000 mg/L | <500 mg/L (potable); 2000 mg/L (riego); >10 000 mg/L (salmuera/industrial) | Sensor de CE/salinidad RK500-13 (con conversión de TDS) |
Nivel del agua | 0–50 m (hidrostático); >70 m (radar/ultrasónico) | Resolución en cm para ríos y lagos; mm–cm para aguas subterráneas; escala m para embalses | Hidrostático sumergible, Sensores de nivel ultrasónicos o de radar |
pH | pH 0–14 (±0,1 pH; resolución 0,01) | 6,5–8,5 (bebida potable, OMS/UE); 6–9 (vertido de aguas residuales) | Sensor de pH RK500-12 (varios tipos A–D) |
Oxígeno disuelto (OD) | 0–20 mg/L (±0,1 mg/L) | >5 mg/L (ríos y lagos saludables); >4 mg/L (acuicultura); >2 mg/L (descarga de aguas residuales) | Sensor óptico de oxígeno disuelto RK500-04 |
Potencial de oxidación-reducción (ORP) | –1500 a +1500 mV (±1–6 mV) | +200 a +400 mV (agua limpia); <+100 mV (agua contaminada/anaeróbica); >+500 mV (tratamiento oxidante) | Sensor de ORP RK500-06 |
Demanda química de oxígeno (DQO) | 0–500 mg/L (±5 % FS) | <10 mg/L (agua limpia); 50–200 mg/L (efluentes de aguas residuales) | Sensor de DQO RK500-25 o multiparámetro RK500-09 |
Demanda Biológica de Oxígeno (DBO) | 0–300 mg/L (±5 % FS) | <5 mg/L (río en buen estado); 10–30 mg/L (río contaminado); >50 mg/L (aguas residuales sin tratar) | RK500-09 Multiparámetro (módulo BOD) |
Amonio (NH₄⁺) | 0–100 / 0–1000 mg/L (±10 % o ±1 mg/L) | <0,5 mg/L (potable); <1–2 mg/L (agua superficial); >5 mg/L (preocupación por aguas residuales) | Sensor de iones de amonio RK500-15 |
Nitrato (NO₃⁻) | 0–1000 mg/L (±5 % FS) | <50 mg/L (potable, límite de la UE); <10 mg/L (objetivo de calidad del agua superficial) | Sensor de iones de nitrato RK500-16 |
Nitrito (NO₂⁻) | 0–100 mg/L (±5 % FS) | <0,2 mg/L (potable, OMS); <1 mg/L (agua superficial) | RK500-09 Multiparámetro (módulo NO₂⁻) |
Clorofila | 0–400 µg/L (±3%) | <25 µg/L (lago sano); >50 µg/L (riesgo de floración de algas) | Sensor de clorofila RK500-17 |
Cianobacterias | 0–300k células/L (±3%) | <20 000 células/L (recreativo seguro); >100 000 células/L (riesgo de floración tóxica) | RK500-09 Multiparámetro (módulo de cianobacterias) |
Cloro residual | 0–5 mg/L | 0,2–0,5 mg/L en agua potable (OMS/EPA) | Sensor de cloro residual RK500-29 |
Conclusión
Mantener la calidad del agua requiere un sistema integral de equipos que funcionen en conjunto para producir resultados precisos. Para garantizar resultados confiables, se necesitan sensores, registradores de datos, transmisión, montaje, fuente de alimentación y procesos de calibración. Lo más importante es el sensor. Cada sensor puede ser único en su mecanismo de funcionamiento y aplicación. Cumplir con los estándares de calidad del agua, regulados por organizaciones globales y regionales, requiere una evaluación cuidadosa de los parámetros físicos, químicos y biológicos del agua. Esto permite tomar medidas oportunas para controlar o eliminar la presencia de sustancias nocivas.
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Preguntas frecuentes
1) ¿Puede el monitoreo de la calidad del agua prevenir enfermedades transmitidas por el agua?
Sí, monitorear continuamente la calidad del agua mediante sensores que detectan parámetros físicos, químicos y biológicos puede ayudar a prevenir enfermedades transmitidas por el agua. Detectar microorganismos dañinos y contaminantes químicos permite un enfoque proactivo para tratar el agua o cerrar sistemas dañados antes de que llegue al consumo humano.
2) ¿Qué es un índice de calidad del agua?
Para simplificar la calidad del agua, el índice de calidad del agua (ICA) convierte datos complejos en una única puntuación numérica. Ayuda al público y a los responsables políticos a comprender la calidad del agua de inmediato. Representa parámetros como el pH, el OD y la turbidez.
3) ¿Cuál es la diferencia entre los parámetros biológicos y químicos de calidad del agua?
Los elementos biológicos presentes en el agua son organismos vivos que pueden tener efectos nocivos para el cuerpo humano o la vida acuática. Por lo tanto, su detección es fundamental para la calidad del agua. Asimismo, la presencia de sustancias químicas como nutrientes, cloro, oxígeno disuelto (OD), pH y ORP es vital para garantizar que el agua siga siendo apta para el consumo humano.
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