Los parámetros que se miden o se pueden medir en continuo normalmente en las plantas de tratamiento terciario, o en una EDAR en general, incluyen pH, cloro, temperatura, caudal y turbiedad. Los sistemas de alerta temprana, que son sistemas integrados con tecnología de instrumentación de medida, con capacidad para analizar e interpretar resultados en tiempo real, pueden medir o interpretar una serie de parámetros que pueden resumirse a continuación:
o Demanda biológica de oxígeno (DBO) o Carbono orgánico total (COT)
o Demanda química de oxigeno (DQO) o Carbono orgánico disuelto (COD) o Oxígeno disuelto (medición óptica) o Conductividad (salinidad)
o Clorofila
o Algas verde - azulado
o potencial de oxidación-reducción o Amonio (NH4+) y nitratos (NO3) o Dióxido de nitrógeno (NO2)
o Radiación activada fotosintéticamente: fotosíntesis, crecimiento de algas tóxicas y
eutrofización (carga de nutrientes)
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Los parámetros calculados por el software que incluyen los equipos de medición en continuo pueden ser:
o Resistividad
o Conductancia específica o Sólidos disueltos totales o Sólidos suspendidos totales
Estos equipos utilizan tecnologías variadas, como sistemas basados en laser para medir partículas en el agua en continuo, sensores sumergibles para medir múltiples parámetros de calidad en el agua incluyendo turbiedad, equivalente de COT, DBO, nitrato, nitrito y compuestos aromáticos. Otros equipos incluyen espectrometría de masas y cromatografía de gases (EM-CG) usadas en sistemas automáticos que permiten detectar trazas volátiles de microcontaminantes orgánicos, cromatografía líquida y espectrometría de masas (CL-CG) y cromatografía líquida de alto rendimiento (CLAR), para lograr mediciones de microcontaminantes, especialmente en aguas almacenadas, próximas al tiempo real. A continuación se resumen las principales técnicas de monitoreo existentes en el mercado (RB.99: Storey Michael V. et al., 2.010):
o Monitoreo bilógico utilizando bacterias bioluminiscentes (bacterias que reaccionan con las
toxinas rápidamente cambiando su metabolismo y emitiendo una cantidad de luz, p.e. Vibrio
fischeri),
o Monitoreo a partir de Daphnia (observando el comportamiento de la Daphnia magna y sus
cambios en el agua: velocidad, movimiento, altura que pueden subir nadando, y tasa de crecimiento, se pueden detectar pesticidas; el inconveniente es que la Daphnia es sensible al
cloro, por ello se han probado alternativas emergentes como la Simocephalus mixtus),
o Monitoreo a partir de células de algas (midiendo la actividad fotosintética de las algas para
detectar la presencia de sustancias tóxicas como herbicidas, ya que éstas reducen la actividad de las algas disminuyendo la cantidad de (auto) fluorescencia natural),
o Monitoreo de peces (se utiliza para detectar toxinas en el agua mediante el análisis de la
actividad de hasta 20 peces nadando a través de una serie de 80 barreras de luz de diodos fotoeléctricos en tiempo real; otros monitores analizan las señales eléctricas generadas por los movimientos de los músculos de los peces, así como la tasa de ventilación y la profundidad, la frecuencia de purga de las branquias y el movimiento de todo el cuerpo; su principal limitación es también que los peces son sensibles al cloro y que las pruebas no son selectivas ni específicas).
Existe por su parte un número de tecnologías emergentes en varias etapas de investigación y desarrollo. Entre los sensores biológicos se pueden mencionar (RB.99: Storey Michael V. et al.,
2.010):
o Basados en la detección de biomoléculas específicas, incluyendo el trifosfato de adenosina
(ATP), enzimas y otras proteínas, así como inmunoensayos y técnicas de reacción en cadena de la polimerasa (RCP). La principal limitación de estos y muchos otros sistemas biológicos radica en su sensibilidad y su capacidad de detectar bajas concentraciones de microorganismos, que a diferencia de los productos químicos, no se distribuyen uniformemente en ambientes acuosos.
o Basados en las propiedades ópticas del agua y de los analitos, e incluyen los basados en la
detección de la dispersión de luz evaporativa, la medición del índice de refracción, la detección de fluorescencia y la espectroscopia de Raman:
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Fluorescencia: usa la luz emitida para medir la excitación espectral de compuestos específicos tales como clorofila, compuestos aromáticos, pesticidas y ácidos húmicos, y puede identificar los compuestos usando la luz emitida y la longitud de onda la luz irradiada
Espectroscopia de Raman: se han desarrollado dos tecnologías para la detección microbiana: a) espectroscopia Raman de superficie mejorada (SERS) y b) espectroscopia Raman de pinzas láser (LTRS). SERS es la identificación de los microorganismos a partir de los espectros producidos en la superficie del organismo que ha reaccionado con anticuerpos. La técnica LTRS produce una "pinza" óptica
para “enganchar” un microorganismo y entonces la luz láser se utiliza para producir un espectro Raman único que se puede utilizar para discriminar entre diferentes cepas de bacterias o esporas bacterianas; a partir de este espectro de cambios dinámicos en las moléculas biológicas tales como proteínas, ácidos nucléicos, lípidos, e hidratos de carbono, pueden ser monitoreados.
o Basados en la espectroscopia infrarroja (IR) que se basa en la capacidad de los diversos
grupos funcionales orgánicos que incluyen proteínas, hidratos de carbono, lípidos y ácidos nucléicos para absorber la luz infrarroja de longitudes de onda específica.
o Sensores basados en dispositivos de onda acústica de superficie (OAS): incluyen la nariz y
lengua electrónica, y el µChemLab. En los dispositivos OAS se genera una onda acústica que produce una onda mecánica que viaja a través de la superficie del dispositivo; los cambios en la superficie debido a los analitos (elemento a determinar) que están delimitados en la superficie y los cambios en la frecuencia proporcionan información sobre la concentración del compuesto.
La nariz o la lengua electrónica se componen de una serie de sensores químicos o biológicos no específicos cuyas respuestas se analizan con las rutinas de reconocimiento de patrones o redes neuronales artificiales. Otros sensores utilizados en la nariz o lengua electrónica incluyen detectores ópticos químicos, dispositivos microbalanza de cuarzo, polímeros conductores, espectroscopia de masas y dispositivos electroquímicos.
Los monitores µChemLab consisten en tipos de fase líquida y gas que son capaces de detectar biotoxinas y otros compuestos químicos inorgánicos y de alto peso molecular. El tipo de fase de gas se compone de canales de GC y sensores OAS, mientras que el tipo de fase líquida combina varias técnicas basadas en un chip con detectores de fluorescencia.
Se están realizando progresos en esta tecnología para detectar virus y bacterias, y el objetivo final es el desarrollo de un sensor de bajo costo, de rápida implementación y en tiempo real para las mediciones de la calidad del agua en la línea.
o Sensores que se basan en técnicas de detección electroquímica e incluyen electrodos ion
selectivos, fotoionización / espectrometría de masas y sensores amperométricos. Los sensores amperométricos son ampliamente utilizados para detectar el cloro libre y comprenden un flujo a través de la célula y capa de electrodo que es capaz de llevar a cabo las mediciones amperométricas debido a los cambios en las concentraciones del analito. Los sensores amperométricos se pueden utilizar para mediciones en línea y su integración en la óptica del chip está actualmente en desarrollo.
Dentro de los equipos instalados en algunas plantas en España se encuentra el sistema de alerta temprana COLIGUARD® que permite la monitorización microbiológica del agua en línea a partir de la detección de la actividad enzimática mediante un LED fluorescente y el uso de reactivos como ß- Glucuronidasa (E. Coli) y ß-Galactosidasa (Coliformes Totales) determinando la correlación entre la actividad enzimática y el número de bacterias presentes. Permite reducir los tiempos normales
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requeridos por los métodos microbiológicos clásicos de 24-48 horas para las pruebas en laboratorio a 2 horas, con hasta 8 ensayos al día y un valor absoluto límite de detección de 3 E. coli, según datos
del fabricante (mbOnline GmbH).
Dentro del Proyecto VIECO (009/RN08/01.1), financiado por el Ministerio de Medio Ambiente y Medio Rural y Marino, liderado por CETaqua, Centro Tecnológico del Agua, con la colaboración del laboratorio de Aguas de Barcelona, la ingeniería Aquatec, el laboratorio Labaqua, el Instituto Catalán de Investigación del Agua (ICRA), el centro tecnológico CTM y la empresa de consultoría ambiental científica Amphos XXI, se han analizado equipos de determinación de toxicidad en medio acuático online a partir de bacterias luminiscentes, con tecnologías basadas en la medición de la inhibición de la bioluminiscencia del Vibrio fischeri (ISO 11348). Los resultados presentados muestran que la
metodología y el sistema son precisos y pueden ser utilizados como un sistema de alerta automática en línea para detectar concentraciones anormales de compuestos tóxicos en las aguas superficiales, descargas de efluentes o en agua potable. La principal desventaja para el uso del instrumento como un monitor de rutina de la calidad del agua se refiere a la sensibilidad de las bacterias luminiscentes para reaccionar cuando se exponen a pequeños niveles de sustancias tóxicas. Los valores de la Concentración Efectiva que causa el 50% (EC50) de inhibición de compuestos seleccionados (incluyendo compuestos farmacéuticos, surfactantes y metales detectados comúnmente en aguas superficiales o potables) determinados para una variedad de contaminantes potenciales están por encima de los niveles reportados de analitos objetivos que se miden actualmente en cuerpos de agua superficial y potable. Además, otra dificultad es cuando se aplica a las aguas algún desinfectante que permanece en la muestra (por ejemplo, cloro libre); los valores de toxicidad responderán al desinfectante, ocultando el verdadero efecto de los compuestos tóxicos (RB.70: López Roldán R. et al., 2012).
A pesar de los recientes avances en los monitoreos biológicos y las tecnologías de microsensores, no existe un equipo único que permita monitorear la calidad del agua y detectar los contaminantes. Los avances en nanotecnología y en el sector de sensores y microsensores no han permitido aún una fácil implementación dentro de las operaciones existentes. Las tecnologías de supervisión deberán evolucionar para satisfacer las numerosas limitaciones operacionales, buscando un equilibrio entre costo y facilidad de implementación. Para asegurar su validez en la operación de la planta, lo sistemas de alerta temprana deben demostrar que permiten beneficios operativos, tales como mejor calidad del agua, disminución de los costos de operación y reducir las quejas de los usuarios. El solo objetivo de seguridad del agua no es suficiente para su uso en las operaciones, debido al mantenimiento, experiencia técnica, y presupuesto requeridos, así como el número de falsas alarmas que a menudo se asocian a ellos (RB.99: Storey Michael V. et al., 2.010).