Biopelículas - mecanismos y procesos para removerlas de los sistemas de distribución de agua potable

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(1)Universidad de los Andes Facultad de Ingeniería Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental. Tesis de Grado Ingeniería Ambiental Biopelículas: Mecanismos y Procesos para Removerlas de los Sistemas de Distribución de Agua Potable. Presentado por: Maria Alejandra Murcia Ocampo Asesor: Ing. Juan G. Saldarriaga Bogotá D.C., Enero de 2009.

(2) Universidad de los Andes IAMB 2008 II-08 Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental Centro de Investigaciones en Acueductos y Alcantarillados - CIACUA Biopelículas: Mecanismos y Procesos para Removerlas de los Sistemas de Distribución de Agua Potable. Tabla de Contenido 1. INTRODUCCIÓN......................................................................................................... 6 1.1 1.2. JUSTIFICACIÓN ............................................................................................................................. 7 OBJETIVOS ..................................................................................................................................... 8 1.2.1 Objetivo General ...................................................................................................................................... 8 1.2.2 Objetivos Específicos ............................................................................................................................... 8. 1.3. 2. ANTECEDENTES ........................................................................................................................... 8. BIOPELÍCULAS......................................................................................................... 10 2.1. DEFINICIÓN.................................................................................................................................. 11. 2.2. GENERALIDADES ....................................................................................................................... 12. 2.3. BIOPELÍCULAS EN REDES DE DISTRIBUCIÓN ..................................................................... 13 2.3.1 Obtención de Nutrientes ......................................................................................................................... 15 2.3.2 Etapas de Formación ............................................................................................................................. 16 2.3.3 Características del flujo ......................................................................................................................... 19 2.3.4 Factores que Favorecen su Formación.................................................................................................. 19 2.3.5 Desprendimiento .................................................................................................................................... 24 2.3.6 Efectos .................................................................................................................................................... 25. 3. 4. LIMPIEZA DE TUBERÍAS EN LA RED ................................................................ 27 3.1. PORQUÉ LIMPIAR LAS TUBERÍAS .......................................................................................... 28. 3.2. SELECCIÓN DEL MÉTODO DE LIMPIEZA .............................................................................. 28. 3.3. COMPARACIÓN DE MÉTODOS................................................................................................. 33. 3.4. SELECCIÓN DEL TUBO PARA LIMPIAR ................................................................................. 36. 3.5. OTRAS CONSIDERACIONES DEL SISTEMA........................................................................... 37. MÉTODOS MECÁNICOS ........................................................................................ 40 4.1. SWABBING Y PIGGING ................................................................................................................ 40 4.1.1 Dónde pueden ser usados....................................................................................................................... 42 4.1.2 Resultados .............................................................................................................................................. 42 4.1.3 Costos..................................................................................................................................................... 43 4.1.4 Casos de Estudio en Estados Unidos ..................................................................................................... 45 4.1.5 Empresas en Norte América y Asia ........................................................................................................ 46. 4.2. LIMPIEZA CON AIRE (AIR SCOURING) .................................................................................... 53 4.2.1 Descripción del Proceso ........................................................................................................................ 54. Maria Alejandra Murcia Ocampo. Tesis de Grado de Ingeniería Ambiental. 2.

(3) Universidad de los Andes IAMB 2008 II-08 Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental Centro de Investigaciones en Acueductos y Alcantarillados - CIACUA Biopelículas: Mecanismos y Procesos para Removerlas de los Sistemas de Distribución de Agua Potable. 4.2.2 Consideraciones ..................................................................................................................................... 55 4.2.3 Resultados y caso de estudio .................................................................................................................. 58. 5. LIMPIEZA QUÍMICA ............................................................................................... 61 5.1. CASO DE ESTUDIO ..................................................................................................................... 62. 6. TÉCNICAS DE LIMPIEZA Y FORRADO DE TUBERÍAS (LINING) ............... 63. 7. CONCLUSIONES ....................................................................................................... 67. 8. ANEXOS ...................................................................................................................... 72. 9. BIBLIOGRAFÍA ......................................................................................................... 77. Índice de Ilustraciones Ilustración 1. Estructura de una biopelícula en contacto con una superficie (Acuaristas).. 11 Ilustración 2. Biopelículas y corrosión en una tubería de agua potable.............................. 13 Ilustración 3. Proceso de crecimiento bacteriano sobre las paredes de la tubería ............. 17 Ilustración 4. Etapas de formación de la biopelícula en las tuberías (adaptado de (Dreeszen, 2003)................................................................................................................... 18 Ilustración 5. Análisis comparativo de materiales de tuberías en función de su capacidad para permitir el desarrollo de una biopelícula (Knobelsdorf & Mujeriego, 1997) ............... 21 Ilustración 6. . Nutrientes para el crecimiento bacterial encontrados en sistemas de distribución de agua .............................................................................................................. 22 Ilustración 7. Mecanismos de desprendimiento o movimiento de biopelículas (www.erc.montana.edu) ....................................................................................................... 24 Ilustración 8. Métodos para el control del crecimiento de biopelículas utilizados actualmente en los sistemas de distribución de agua potable, tomado de Centro de Investigaciones de Acueductos y alcantarillados- CIACUA, 2008 ...................................... 29. Maria Alejandra Murcia Ocampo. Tesis de Grado de Ingeniería Ambiental. 3.

(4) Universidad de los Andes IAMB 2008 II-08 Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental Centro de Investigaciones en Acueductos y Alcantarillados - CIACUA Biopelículas: Mecanismos y Procesos para Removerlas de los Sistemas de Distribución de Agua Potable. Ilustración 9. Métodos de limpieza de tuberías según el procedimiento del que se basan, tomado de Centro de Investigaciones de Acueductos y alcantarillados- CIACUA, 2008 ... 30 Ilustración 10. Métodos para limpieza de tuberías de agua potable ................................... 33 Ilustración 11. Comparación métodos de limpieza (Adaptado de Investigation of Pipe Cleaning Methods) ............................................................................................................... 34 Ilustración 12. Convenciones ilustración 11 ....................................................................... 35 Ilustración 13. Equipos necesarios, personal, uso de agua y productividad de los diferentes métodos de limpieza ............................................................................................ 35 Ilustración 14. Programación para la limpieza de tuberías ................................................. 37 Ilustración 15. Pigs para limpieza de tuberías (http://www.pipepigs.com/index.htm) ....... 41 Ilustración 16. Presiones y caudales aproximados requeridos para Pigging en redes de distribución ........................................................................................................................... 42 Ilustración 17. Casos de estudio de Pigging en Estados Unidos (Adaptado de Investigation of pipe cleaning methods)..................................................................................................... 45 Ilustración 18. Productos Pipeline Pigging Products para tuberias de agua potable .......... 46 Ilustración 19.Pigs una pieza Pipe-Tech ............................................................................. 48 Ilustración 20. Accesorios Pipe-Tech ................................................................................. 48 Ilustración 21. Pigs con cepillos Pipe-Tech ........................................................................ 49 Ilustración 22. Pigs de espuma Pipe- Tech ......................................................................... 49 Ilustración 23. Productos empresa Savay (Asia): ............................................................... 50 Ilustración 24. Pigging de la empresa Epcor: ..................................................................... 51 Ilustración 25. Proceso Walsh company ............................................................................. 52 Ilustración 26. Seguimiento proceso Walsh company ........................................................ 52 Ilustración 27. Air Scouring (Severn Tren services)........................................................... 54 Ilustración 28. Hidrante de salida (Water World ) .............................................................. 55 Ilustración 29. Procedimiento Limpieza con aire ............................................................... 55 Ilustración 30. Tamaño del compresor para diferentes diámetros de tuberías (Investigation of pipe cleaning methods)..................................................................................................... 56. Maria Alejandra Murcia Ocampo. Tesis de Grado de Ingeniería Ambiental. 4.

(5) Universidad de los Andes IAMB 2008 II-08 Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental Centro de Investigaciones en Acueductos y Alcantarillados - CIACUA Biopelículas: Mecanismos y Procesos para Removerlas de los Sistemas de Distribución de Agua Potable. Ilustración 31. Consideraciones para proyectos con Air Scouring (Adaptado de Investigation of pipe cleaning methods)............................................................................... 57 Ilustración 32. Casos de estudio empresa Severn Trent en la selección del método de limpieza (adaptado de Investigation of pipe cleaning methods) .......................................... 59 Ilustración 33. Caso de estudio en Cheyenne, Wyoming, antes y después de la limpieza química ................................................................................................................................. 62 Ilustración 34. Proceso de forrado (Lining) de tuberías (W.Walsh Company).................. 64 Ilustración 35. Proceso de forrado de tuberías de la empresa W.Walsh Company ............ 64 Ilustración 36. Ventajas y desventajas de los métodos de limpieza usados en tuberías de agua potable (tomado de Investigation of pipe cleaning methods) ...................................... 66 Ilustración 37. Anexo 1: Especificaciones de la empresa Pipiline Pigging Products e información técnica .............................................................................................................. 72. Maria Alejandra Murcia Ocampo. Tesis de Grado de Ingeniería Ambiental. 5.

(6) Universidad de los Andes IAMB 2008 II-08 Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental Centro de Investigaciones en Acueductos y Alcantarillados - CIACUA Biopelículas: Mecanismos y Procesos para Removerlas de los Sistemas de Distribución de Agua Potable. 1 INTRODUCCIÓN Es indispensable entregar agua de muy buena calidad desde la planta de tratamiento hasta la llave de los consumidores con el fin de evitar enfermedades dentro de una población. Hasta hace alrededor de unos 40 años se creía que el agua dentro el sistema de distribución permanecía inalterada desde su abastecimiento hasta la llegada a la llave; pero se ha evidenciado una pérdida de calidad dada la acción de los microorganismos en todo su recorrido; el agua deberá pasar a través de kilómetros de tubos antes de llegar al consumidor,. y las paredes de estos tubos proveen superficies adecuadas para la. colonización microbiana y la formación de biopelículas lo que causa varios problemas en las compañías distribuidoras de agua al igual que a los usuarios. Además de las paredes de los tubos que sirven de superficie para el crecimiento de las bacterias, el flujo del agua favorece el transporte de nutrientes y microorganismos; de esta forma se constituye un ambiente propicio para el desarrollo de biopelículas, que trae consigo varias consecuencias tales como el deterioro de la calidad del agua, alteración de sabor, color y olor, aumento de la turbiedad, y conforme va creciendo el espesor de la biopelícula se altera la capacidad hidráulica de la tubería, aumenta la cantidad de desinfectante residual ya que este es consumido por los microorganismos que viven allí y también se evidencia un aumento en la corrosión y liberación de polímeros y sustancias desechadas por los mismos microorganismos. (Hu, Yu, Feng, Tan, & Ong, 2005) El uso de tecnologías para remover estas incrustaciones de biopelículas se puede traducir a mediano y largo plazo en un potencial ahorro para las empresas prestadoras del servicio. Además del aumento de la capacidad y el mejoramiento de la calidad, se disminuye la cantidad de quejas y reclamaciones por parte de los usuarios con relación al color, olor y sabor del agua potable. También se ha evidenciado las presencia de bacterias potencialmente patógenas en redes de distribución de agua en algunos países como España y Estados Unidos (Sontag, 1986) (De. Maria Alejandra Murcia Ocampo. Tesis de Grado de Ingeniería Ambiental. 6.

(7) Universidad de los Andes IAMB 2008 II-08 Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental Centro de Investigaciones en Acueductos y Alcantarillados - CIACUA Biopelículas: Mecanismos y Procesos para Removerlas de los Sistemas de Distribución de Agua Potable. Leon, 1993), con lo cual se hace indiscutiblemente necesario el uso de estos mecanismos que se presentan a continuación para evitar consecuencias en la salud pública como enfermedades gastrointestinales y circulatorias que también se traducen en costos a la sociedad. ( Centro de Investigaciones de Acueductos y alcantarillados- CIACUA, 2008) La presente tesis se orienta hacia la recopilación de documentos sobre mecanismos y procesos que pueden ser utilizados en las redes de distribución de agua potable para eliminar y disminuir la presencia de biopelículas; además se presenta una evaluación económica de las diferentes alternativas presentadas las cuales comprenden métodos químicos, mecánicos y restauración de tuberías; finalmente se da un listado de empresas prestadoras de estos servicios en otros países y una amplia bibliografía sobre el tema.. 1.1 JUSTIFICACIÓN El agua es un bien que todos los consumidores necesitan, donde no solamente es necesario monitorear la cantidad adecuada sino la calidad de la misma; es por esto que el presente trabajo pretende identificar todas los mecanismos y procesos que se pueden realizar para eliminar o disminuir las formaciones de biopelículas en las redes de distribución de agua potable, haciendo una revisión bibliográfica del tema en diferentes países con lo cual se evidencia que el grado de desarrollo de los países se puede medir por la calidad de sus servicios, en este caso particular del agua.. Maria Alejandra Murcia Ocampo. Tesis de Grado de Ingeniería Ambiental. 7.

(8) Universidad de los Andes IAMB 2008 II-08 Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental Centro de Investigaciones en Acueductos y Alcantarillados - CIACUA Biopelículas: Mecanismos y Procesos para Removerlas de los Sistemas de Distribución de Agua Potable. 1.2 OBJETIVOS 1.2.1. Objetivo General. Por medio de este trabajo se busca recopilar información acerca del estado del arte de las alternativas que existen para remover biopelículas en las redes de distribución de agua potable, a excepción del lavado hidráulico; para de esta forma buscar soluciones al deterioro de la calidad del agua desde la fuente hasta el lugar de abastecimiento y explicar detalladamente cada una de las alternativas con sus implicaciones y costos.. 1.2.2 •. Objetivos Específicos. Conocer la formación, desarrollo y comportamiento de las biopelículas en las redes de distribución.. •. Explicar los lugares de formación y los factores que favorecen su reproducción dentro de las tuberías.. •. Porqué limpiar las tuberías y cuales son la implicaciones de hacerlo o no.. •. Explicar algunos de los mecanismos de limpieza o remoción y los procesos químicos que pueden ser utilizados.. •. Describir otros métodos como rehabilitación de tuberías.. •. Presentar una evaluación de las alternativas propuestas.. 1.3 ANTECEDENTES Desde el 2004 en la Universidad de los Andes se pueden encontrar tesis sobre el estado del arte de las biopelículas, la influencia de los materiales y sobre lavados hidráulicos en las. Maria Alejandra Murcia Ocampo. Tesis de Grado de Ingeniería Ambiental. 8.

(9) Universidad de los Andes IAMB 2008 II-08 Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental Centro de Investigaciones en Acueductos y Alcantarillados - CIACUA Biopelículas: Mecanismos y Procesos para Removerlas de los Sistemas de Distribución de Agua Potable. redes de distribución de agua potable, bajo la asesoría del Ingeniero Juan G. Saldarriaga y del Centro de Investigaciones de Acueductos y Alcantarillados (CIACUA), entre esas están: •. Aspectos Hidráulicos para el lavado de redes de distribución de agua potable, estado del arte, Paula Reyes del Toro, Universidad de los Andes 2004.. •. Deterioro de la calidad del agua por el posible desprendimiento de las Biopelículas en las redes de distribución de agua potable, estado del arte, Mario Fernando Gelves, Universidad de los Andes 2005.. •. Efecto hidráulico de la biopelículas en las tuberías de agua potable, Rubén Mauricio Latorre, Universidad de los Andes 2005.. •. Factores que favorecen el desarrollo y crecimiento de la biopelículas en las tuberías de distribución de agua potable, Andrea Vargas, Universidad de los Andes 2004.. No se han encontrado documentos a nivel nacional que hablen sobre mecanismos y métodos de limpieza de tuberías, ni tampoco en Latino América diferentes de lavados hidráulicos convencionales; por eso se recurre a agencias Estadounidenses como la AWWA o EPA, las cuales cuentan con alguna información sobre estos temas al igual que documentos de Universidades Europeas o Norte Americanas. Existe un Instituto dedicado al estudio de biopelículas en Bozeman (MT) en Estados Unidos llamado Center for Biofilm Engineering (Montana State University), también es importante nombrar a J.B. Boxall en la Universidad de Sheffield quien ha estudiado ampliamente las biopelículas en el Reino Unido y tiene gran información sobre este tema, en España y países Bajos también se encuentran estudios sobre el control de biopelículas.. Maria Alejandra Murcia Ocampo. Tesis de Grado de Ingeniería Ambiental. 9.

(10) Universidad de los Andes IAMB 2008 II-08 Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental Centro de Investigaciones en Acueductos y Alcantarillados - CIACUA Biopelículas: Mecanismos y Procesos para Removerlas de los Sistemas de Distribución de Agua Potable. 2 BIOPELÍCULAS Las biopelículas estarán presentes siempre que el agua esté en contacto con una superficie sólida, como un tubo de un sistema de distribución. Las biopelículas representan un grupo de microorganismos adheridos a una superficie e integrados en una matriz de polímeros orgánicos de origen microbiológico, también pueden contener sustancias inorgánicas como sedimentos y depósitos de corrosión que a su vez sirven como alimento para estos microorganismos, (CRC for water quality and treatment, 2004), estos depósitos alteran la calidad del agua transportada; mejorándola al remover remanentes de materia orgánica o deteriorándola al ser fuente de microorganismos. (Batté, Appenzeller, B.M.R, & Grandjean, 2003) La estructura química de los polímeros (EPS) varía dependiendo del tipo de organismos y de las condiciones ambientales; la formación de glycocalyx es determinante en la adhesión a las superficies para poder sobrevivir sin ser arrastrados y resistir esfuerzos cortantes. (Momba, Kfir, & Venter, 2000) . Las biopelículas responden a estos esfuerzos cortantes desarrollando unas tiras filamentosas como se ven en la Ilustración 1 llamados “streamers” que se van desarrollando aguas abajo y se pueden ver como se mueven dependiendo del flujo. (Charmain, Osborn, Richard, & Robson, 2003) A continuación en la Ilustración 1 también se puede ver la estructura de una biopelícula formada en una superficie como una tubería donde se ven diferentes elementos que conforman la biopelícula y donde se puede ver claramente que el flujo afecta su arquitectura. La composición y densidad de la biopelícula varían con la edad de los microorganismos y tienen diferentes niveles de actividad dependiendo de la posición que tengan. ( Centro de Investigaciones de Acueductos y alcantarillados- CIACUA, 2008). Maria Alejandra Murcia Ocampo. Tesis de Grado de Ingeniería Ambiental. 10.

(11) Universidad de los Andess IAMB B 2008 II-08 C y Ambienttal Departamento de Ingeniería Civil A s - CIACUA Centro de Inveestigaciones en Acueductos y Alcantarillados Biopelículas: Mecanismos M y Procesos P para Removerlas R de los Sistemas dee Distribución de Agua Potabble. Ilustración 1. Estructu ura de una bio opelícula en c contacto con una u superficie e (Acuaristas). 2 2.1 DEF FINICIÓN N más de 1500 años y haa sido estudiado en El cooncepto de biopelículaa existe deesde hace m diferrentes ecosiistemas, peero en general son unn complejoo estructuraal de bacteerias que funciionan comoo una comuunidad (Caamper, 20033). Son un conjunto de d microorgganismos rodeaados por loss lodos que secretan elllos mismos. Haciendo una reecopilación de muchos autores sobbre el tema de biopelícuulas; “se enncuentran 3 coomponentess básicos para p la forrmación dee biopelícuulas: microorganismoss, matriz extraacelular y ssuperficie, y si uno de d estos facctores es reemovido, noo se desarrrollará la biopeelícula” ( Centro de Inv vestigaciones de Acuedductos y alccantarillados- CIACUA A, 2008) La presencia p dee biopelículas en las redes r de diistribución puede caussar deteriorros en la caliddad del aguua que va a ser consuumida y la presencia de d microorgganismos puede p ser increementada por factores como: tem mperatura, disponibilid d dad de nutrrientes y tiempo de residdencia del aggua en la red.. Mariaa Alejandra Murcia M Ocam mpo. Tessis de Grado de d Ingeniería Ambiental A. 11.

(12) Universidad de los Andes IAMB 2008 II-08 Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental Centro de Investigaciones en Acueductos y Alcantarillados - CIACUA Biopelículas: Mecanismos y Procesos para Removerlas de los Sistemas de Distribución de Agua Potable. 2.2 GENERALIDADES ¿Qué ventajas tiene la adhesión a las superficies y la formación de biopelículas? En primer lugar, los nutrientes se concentrarán en las superficies, los colonizadores secundarios usarán los deshechos de sus antecesores para cementarse a las paredes y utilizarlo como alimento, al unirse los diferentes tipos de microorganismos podrán desarrollar un tipo de relación mutualista donde todos usarán sus encimas para poder sintetizar su alimento. (Dreeszen, 2003) Las células adheridas deben sintetizar polisacáridos con el fin de cementar la superficie para poder adherirse fuertemente a ella y de esa forma evitar ser arrastradas por el flujo de agua; también les sirven como protección contra desinfectantes como el cloro o las cloroaminas. Dependiendo de las especies involucradas en la biopelícula, pueden estar compuestas por (10%-25%) de células y (75%-90%) de material secretado por los microorganismos. (Costerton, 1999) Las Bacterias son las células predominantes en las biopelículas pero protozoos, hongos, algas y virus también pueden estar presentes, adicionalmente se han encontrado organismos patógenos oportunistas como pseudomonas, Mycobacter, Aeromonas, Legionella, Helicobacter Pylori y Salmonella. (Momba, Kfir, & Venter, 2000) Con lo anterior se evidencia que las biopelículas son fuente de bacterias flotantes en el agua potable, algunas de las cuales pueden causar infecciones o enfermedades, lo cual provoca un gran riesgo a la comunidad que recibe el agua y es necesario utilizar métodos alternativos para el control de biopelículas y así asegurar su calidad. A demás de los problemas que se han mencionado anteriormente por la presencia de biopelículas en las redes de distribución relacionados con olor y sabor, también se ha encontrado en algunas redes el desarrollo de algunos macro-invertebrados, la aparición de. Maria Alejandra Murcia Ocampo. Tesis de Grado de Ingeniería Ambiental. 12.

(13) Universidad de los Andes IAMB 2008 II-08 Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental Centro de Investigaciones en Acueductos y Alcantarillados - CIACUA Biopelículas: Mecanismos y Procesos para Removerlas de los Sistemas de Distribución de Agua Potable. color, turbiedad y fenómenos de biocorrosión. (Levy, 1990) (Piriou, Duncan, Levi, & P.A, 1997) Problemas con los cuales se afectan los indicadores de eficiencia de la empresa de acueducto y no se logran los niveles de calidad exigidos.. 2.3 BIOPELÍCULAS EN REDES DE DISTRIBUCIÓN Las biopelículas son formadas en sistemas de distribución cuando células microbianas se adhieren a la superficie de los tubos donde se multiplican y forman una película o capa de lodo hasta llegar a situaciones como en el tubo de la Ilustración 2 .. Ilustración 2. Biopelículas y corrosión en una tubería de agua potable. Es difícil saber el estado de la tubería o si se presentan situaciones como las de la Ilustración 2 hasta no hacer mediciones de microorganismos en la planta de tratamiento y en la llave del usuario, pues si no se presentan eventos de coloración o desprendimiento y las enfermedades presentadas en los usuarios no se asocian al consumo del agua, no se puede percibir la presencia de microorganismos y biopelículas en las redes de distribución.. Maria Alejandra Murcia Ocampo. Tesis de Grado de Ingeniería Ambiental. 13.

(14) Universidad de los Andes IAMB 2008 II-08 Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental Centro de Investigaciones en Acueductos y Alcantarillados - CIACUA Biopelículas: Mecanismos y Procesos para Removerlas de los Sistemas de Distribución de Agua Potable. Para limitar la presencia de microorganismos las compañías distribuidoras de agua usan un desinfectante residual, como el cloro, que es el más usado; pero como el recorrido del agua es bastante largo, toca asegurar la presencia del desinfectante y una buena calidad de agua hasta el último usuario, por lo que es necesario agregar dosis muy grandes a la salida de la planta. Además debe garantizar la eliminación de microorganismos que puedan entrar a la tubería por grietas o fallas en la red, lo que provoca algunos inconvenientes como: toxicidad en el caso de la formación de trihalometanos, los cuales están clasificados como potencialmente cancerígenos; también se pueden presentar problemas de sabor y olor por exceso de cloro. Por otra parte los microorganismos pueden adquirir resistencia al desinfectante, el cual puede ser consumido por ellos y en algunos casos el material de la tubería puede ayudar a reducir su concentración. (Latorre, 2005) La colonización de microorganismos no solo ocurre en las tuberías sino también en los depósitos, tanques de almacenamiento y válvulas dentro de los sistemas de distribución de agua; el proceso de formación de microorganismos en las tuberías también se conoce como “biofouling”. ( Centro de Investigaciones de Acueductos y alcantarillados- CIACUA, 2008) Esta colonización de organismos no solo depende de factores hablados anteriormente como temperatura y tiempo de residencia del agua sino también de otros factores como: pH, material de la tubería, contenido de materia orgánica, nutrientes inorgánicos y finalmente la eficiencia del desinfectante residual. Como se habló anteriormente el flujo de agua favorece el transporte de los nutrientes por la tubería, los organismos que están adheridos tienen una mayor capacidad para absorber y son resistentes a la ausencia de estos en algunos ambientes. Para tener una idea de la magnitud del problema se estima una densidad de bacterias presentes en una biopelícula en una red de distribución entre 10. 10. é. dependiendo de las condiciones del medio, de la disponibilidad de nutrientes y del material,. Maria Alejandra Murcia Ocampo. Tesis de Grado de Ingeniería Ambiental. 14.

(15) Universidad de los Andes IAMB 2008 II-08 Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental Centro de Investigaciones en Acueductos y Alcantarillados - CIACUA Biopelículas: Mecanismos y Procesos para Removerlas de los Sistemas de Distribución de Agua Potable. mientras que la densidad de bacterias en suspensión oscila entre 10. 10. é. .. (Knobelsdorf & Mujeriego, 1997). 2.3.1. Obtención de Nutrientes. La asociación de las bacterias con la superficie y el desarrollo de la biopelícula se puede ver como un mecanismo de supervivencia; las bacterias se benefician adquiriendo nutrientes y protección contra desinfectantes. (Dreeszen, 2003) Los sistemas de distribución de agua potable proveen un ambiente oligotrófico (nutrientes limitados), pero aún así es suficiente para que las bacterias crezcan y se reproduzcan. Para crecer, los microorganismos deberán obtener del medio ambiente todas las sustancias que requieren para sintetizar material genético y generar energía. Para coliformes y bacterias heterotróficas,. los principales nutrientes requeridos son carbón orgánico,. nitrógeno y fósforo; en ese orden de importancia. Otros nutrientes en cantidades muy pequeñas también son requeridos por los microorganismos pero no han sido investigados en los sistemas de distribución de agua potable. (EPA, 1992) Controlar los niveles de nutrientes disponibles sería la manera más directa de resolver los problemas con las biopelículas ya que limitaría su crecimiento; por esa razón algunas compañías distribuidoras de agua en el Reino Unido y en otros países realizan mediciones constantes de carbón orgánico que es lo que les permite crecer a los microorganismos y en especial coliformes, mediante mediciones de COT (Carbón orgánico total), con lo que recomiendan niveles de carbón orgánico por debajo de 100. . (Charmain, Osborn,. Richard, & Robson, 2003). Pero de todas formas estos bajos niveles de comida no garantizan su ausencia. El carbón orgánico es utilizado por las bacterias que se encuentran en las redes de distribución para producir nuevo material celular y como fuente de energía; éste tipo de. Maria Alejandra Murcia Ocampo. Tesis de Grado de Ingeniería Ambiental. 15.

(16) Universidad de los Andes IAMB 2008 II-08 Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental Centro de Investigaciones en Acueductos y Alcantarillados - CIACUA Biopelículas: Mecanismos y Procesos para Removerlas de los Sistemas de Distribución de Agua Potable. bacterias del que se está hablando requerirá una proporción de nutrientes aproximada de 100: 10: 1 (C: N: P), por lo que el carbón orgánico puede ser en ocasiones el nutriente limitante. Las fuentes más comunes de carbón en las redes de distribución son de origen natural derivado de vegetación en descomposición; estos compuestos incluyen ácidos fúlvicos, carbohidratos, proteínas y ácidos carboxílicos. Con relación al nitrógeno, éste es usado para la construcción de aminoácidos y material genético; algunas veces este elemento puede ser sintetizado por ciertos tipos de bacterias. El fósforo en este ambiente puede ser encontrado como orto-fosfato (PO4. 3-. ); puede ser. derivado de la vegetación muerta o también se usa algunas veces en las plantas para remover corrosión. (EPA, 1992). 2.3.2. Etapas de Formación. La formación de biopelículas empieza con la adhesión de un reducido número de bacterias a la superficie de la tubería; las bacterias crecen diferente antes de adherirse a la superficie que al iniciar su formación. (Costerton, 1999) El desarrollo y acumulación de la biopelícula en la pared de de la tubería es el resultado de al menos 3 procesos: (Ver Ilustración 3) •. Transporte y adsorción de células en las paredes de la tubería.. •. Reproducción celular y formación de subproductos.. •. Desprendimiento parcial de la biopelícula por efecto de erosión y pérdida de adherencia. (Knobelsdorf & Mujeriego, 1997). Maria Alejandra Murcia Ocampo. Tesis de Grado de Ingeniería Ambiental. 16.

(17) Universidad de los Andes IAMB 2008 II-08 Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental Centro de Investigaciones en Acueductos y Alcantarillados - CIACUA Biopelículas: Mecanismos y Procesos para Removerlas de los Sistemas de Distribución de Agua Potable. Las primeras sustancias asociadas con la superficie no son las bacterias sino los nutrientes, casi inmediatamente después de que un tubo limpio entra en contacto con el agua, estos nutrientes forman una capa apta para la colonización de microorganismos, desarrollando el primer paso formación de una biopelícula, A continuación se describe el proceso en detalle (Ver Ilustración 4):. Ilustración 3. Proceso de crecimiento bacteriano sobre las paredes de la tubería. La adhesión de microorganismos a esa capa de nutrientes tiene dos etapas, empieza por una adhesión reversible seguida por una irreversible. (Charmain, Osborn, Richard, & Robson, 2003) Algunas de las células de adsorción reversible empiezan a desarrollar estructuras que permitirán su adhesión a la superficie; en este punto empiezan a secretar sustancias poliméricas extracelulares que las mantienen unidas a la superficie. Después los nutrientes se empiezan a acumular y las células pioneras tendrán que reproducirse y sus hijas también empezarán a excretar material extracelular lo que ayudará a incrementar su volumen. Las colonizadoras secundarias empiezan a metabolizar los deshechos de las primarias y también producen sus propios deshechos que usarán otras células, ya en éste punto la. Maria Alejandra Murcia Ocampo. Tesis de Grado de Ingeniería Ambiental. 17.

(18) Universidad de los Andes IAMB 2008 II-08 Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental Centro de Investigaciones en Acueductos y Alcantarillados - CIACUA Biopelículas: Mecanismos y Procesos para Removerlas de los Sistemas de Distribución de Agua Potable. biopelícula es un organismo viviente y complejo que se desarrolla como una comunidad dando paso a un nuevo ecosistema en miniatura que seguirá creciendo indefinidamente colonizando cada región de la tubería llegando a lugares de velocidades muy altas y de flujo turbulento. (Dreeszen, 2003). Ilustración 4. Etapas de formación de la biopelícula en las tuberías (adaptado de (Dreeszen, 2003)). Maria Alejandra Murcia Ocampo. Tesis de Grado de Ingeniería Ambiental. 18.

(19) Universidad de los Andes IAMB 2008 II-08 Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental Centro de Investigaciones en Acueductos y Alcantarillados - CIACUA Biopelículas: Mecanismos y Procesos para Removerlas de los Sistemas de Distribución de Agua Potable. 2.3.3. Características del flujo. Según estudios de Dirk de Beer de la Universidad de Montana, los perfiles de velocidad en las biopelículas son lineales y la velocidad puede ser igual a cero en la superficie; los gradientes de velocidad dentro de la biopelícula pueden llegar a ser el 50% de las paredes que no están cubiertas por biopelículas. (Beer, Stoodley, & Lewandowski, 1994) Cuando el flujo de agua es bastante alto, puede llegar a alterar el crecimiento de la biopelícula pero no garantiza que nuevas bacterias se adhieran a las superficies de los tubos o que las existentes se remuevan por completo ya que no importa la velocidad del agua porque en las paredes de la superficie el flujo es muy bajo aún cuando el flujo es turbulento en el centro del tubo. Además de esto las bacterias se anclan muy bien a las superficies con los polímeros que excretan, lo que sí se puede lograr con un flujo turbulento es que el espesor de la biopelículas sea más pequeño. (Dreeszen, 2003). 2.3.4. Factores que Favorecen su Formación. Material de la tubería El material de la tubería tiene un pequeño efecto sobre el desarrollo de la biopelícula, pues puede favorecer el crecimiento bacteriano; todavía no se ha descubierto el material que no sea susceptible a la adhesión de microorganismos. Se han encontrado aditivos para aplicar a las tuberías plásticas que son sustancias antimicrobiales que retrasan o reducen la formación de biopelículas en las tuberías pero desafortunadamente son perjudiciales y tóxicas para el consumo humano. (Hamilton, 1988) La biopelícula es capaz de desarrollarse sobre las paredes de las tuberías, si los materiales que las constituyen pueden suministrar nutrientes para el crecimiento bacteriano, pues las superficies pueden aportar cationes esenciales para la actividad enzimática de las bacterias y compuestos promotores del crecimiento. (Knobelsdorf & Mujeriego, 1997). Maria Alejandra Murcia Ocampo. Tesis de Grado de Ingeniería Ambiental. 19.

(20) Universidad de los Andes IAMB 2008 II-08 Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental Centro de Investigaciones en Acueductos y Alcantarillados - CIACUA Biopelículas: Mecanismos y Procesos para Removerlas de los Sistemas de Distribución de Agua Potable. Los materiales para distribución de agua pueden ser clasificados en tres (3) grupos: los compuestos por cemento, metálicos o plásticos. Un amplio número de materiales existen para cada categoría y esos materiales son usados en diferentes proporciones dependiendo del país. En la actualidad, materiales como concreto, hierro, acero y plástico son utilizados. Nuevos materiales como polietileno de media densidad (MDPE) y PVC no plastificado (uPVC) están reemplazando tuberías viejas de hierro en las redes de distribución de agua potable. (Momba, Kfir, & Venter, 2000) Existen otros materiales de base orgánica o con aditivos orgánicos como revestimientos, sellantes, plásticos o mortero de cemento con compuestos orgánicos que pueden favorecer un incremento bacteriano. Los materiales inorgánicos como fibrocemento, hormigón, hierro colado, hierro dúctil y acero se han utilizado desde hace muchos años para la construcción de sistemas de abastecimiento de agua. Se han realizado experimentos para medir la sensibilidad de los diferentes materiales a la formación de biopelículas, encontrando por ejemplo que en 4 meses se puede detectar la formación de biopelículas sobre acero inoxidable, mientras que en hierro colado se detecta en 1 mes. ( (Donlan, 1994) A continuación en la Ilustración 5 se presenta la media del crecimiento bacteriano registrado en cada material al cabo de 28 días de ensayo en un estudio realizado por Rogers J. y Dowsett en 1994.. Material de la tubería. Película biológica UFC/cm2. Vidrio (control). 1.90x10 5. Acero inoxidable. 2.13x10 5. Polipireno. 4.54x10 5. PVCc (clorado). 5.14x10 5. Maria Alejandra Murcia Ocampo. Tesis de Grado de Ingeniería Ambiental. 20.

(21) Universidad de los Andes IAMB 2008 II-08 Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental Centro de Investigaciones en Acueductos y Alcantarillados - CIACUA Biopelículas: Mecanismos y Procesos para Removerlas de los Sistemas de Distribución de Agua Potable. PVCu (no plastificado). 6.23x10 5. Acero dulce. 1.69x10 6. Polietileno. 2.75x10 6. Etileno-propileno. 1.08x10 7 5.50x10 7. Látex. Ilustración 5. Análisis comparativo de materiales de tuberías en función de su capacidad para permitir el desarrollo de una biopelícula (Knobelsdorf & Mujeriego, 1997). En éste estudio se observó que todos los materiales tenían un alto nivel de colonización en comparación con el vidrio que era el patrón. Las mayores concentraciones se presentaron en los materiales elastoméricos (látex y etileno propileno).. Superficie Una superficie rugosa puede incrementar la adhesión de microorganismos porque provee una mayor área superficial para realizar el contacto y esas grietan pueden refugiar a las bacterias de los esfuerzos y del flujo turbulento. (Charmain, Osborn, Richard, & Robson, 2003) Por otra parte, una superficie lisa puede retrasar el crecimiento de la biopelícula, aunque como se dijo anteriormente no existe una superficie por más lisa que sea que este exenta de la formación de biopelículas.. Nutrientes Ya se habló en al numeral 2.3.1 sobre la obtención de nutrientes pero a continuación se presenta una tabla sobre los diferentes nutrientes y su fuente, encontrados en sistemas de distribución de agua potable según un estudio de Mittelman en 1985.. Maria Alejandra Murcia Ocampo. Tesis de Grado de Ingeniería Ambiental. 21.

(22) Universidad de los Andes IAMB 2008 II-08 Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental Centro de Investigaciones en Acueductos y Alcantarillados - CIACUA Biopelículas: Mecanismos y Procesos para Removerlas de los Sistemas de Distribución de Agua Potable. Nutriente Carbón Orgánico. Fuente Ácidos húmicos y fúlvicos Solventes y plastificantes en las tuberías Fibra de vidrio y plásticos reforzados Productos Microbiales Personal Polvo. Nitrógeno. Ácidos húmicos y fúlvicos Productos Microbiales Polvo Nitritos y Nitratos. Fósforo. Fosfatos Productos Microbiales Polvo. Azufre. Sulfatos Ácido Sulfúrico Polvo. Metales y sales. Materiales de la tubería Químicos de Pre-tratamiento Personal Polvo. Ilustración 6. . Nutrientes para el crecimiento bacterial encontrados en sistemas de distribución de agua. Desinfectantes Según un estudio realizado por LeChevallier y Norton el tipo de desinfectante tiene un claro efecto sobre el desarrollo de la biopelícula; al realizar una revisión de algunos factores que afectan el crecimiento de biopelículas como tipo de desinfectante, concentración materia orgánica, velocidad del flujo, tipo de material y temperatura, encontraron que el desinfectante residual mostró el mayor efecto en la reducción bacterial. ( Centro de Investigaciones de Acueductos y alcantarillados- CIACUA, 2008). Maria Alejandra Murcia Ocampo. Tesis de Grado de Ingeniería Ambiental. 22.

(23) Universidad de los Andes IAMB 2008 II-08 Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental Centro de Investigaciones en Acueductos y Alcantarillados - CIACUA Biopelículas: Mecanismos y Procesos para Removerlas de los Sistemas de Distribución de Agua Potable. La eficiencia de un desinfectante como el cloro sobre los microorganismos fijados en una biopelícula depende de los siguientes factores: -. Demanda de cloro del agua y de la biopelícula. -. Cantidad de película biológica acumulada. -. Concentración de cloro en la interface agua-materia. -. Dosis aplicada (Characklis & Marshall, 1990). Los desinfectantes residuales se comportan de otra forma en diferentes superficies de tuberías, el cloro por ejemplo, reacciona con el hierro y produce hidróxido férrico, por lo que requerirá mayores cantidades de cloro que para tuberías plásticas. (Charmain, Osborn, Richard, & Robson, 2003). Velocidad de flujo La velocidad puede regular el crecimiento de las biopelículas en diferentes formas; altas velocidades puede ocasionar un mayor flujo de nutrientes o transporte de desinfectante y también mayores esfuerzos cortantes. Por tanto, las biopelículas desarrolladas a bajas velocidades, muestran baja densidad y una alta difusividad, pero no pueden resistir altos esfuerzos cortantes. Por el contrario, las biopelículas desarrolladas a altas velocidades son más densas y pueden resistir altos esfuerzos cortantes con limitantes para el proceso de difusión. ( Centro de Investigaciones de Acueductos y alcantarillados- CIACUA, 2008). Temperatura Existen otros factores ambientales como la temperatura que proporcionan una ventaja para el crecimiento de las biopelículas, pues por una parte puede influenciar la eficiencia de la planta de tratamiento y la eficiencia de desinfección y por otro lado ya en la red de. Maria Alejandra Murcia Ocampo. Tesis de Grado de Ingeniería Ambiental. 23.

(24) Universidad de los Andes IAMB 2008 II-08 Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental Centro de Investigaciones en Acueductos y Alcantarillados - CIACUA Biopelículas: Mecanismos y Procesos para Removerlas de los Sistemas de Distribución de Agua Potable. distribución puede permitir el crecimiento y desarrollo de la biopelícula ya que proporciona una condición ideal para estos hechos.. 2.3.5. Desprendimiento. Una vez una franja de biomasa es desprendida de la biopelícula será transportada por el flujo del agua y en algunos casos puede fijarse nuevamente aguas abajo de la tubería, estos desprendimientos pueden ser llevados a cabo por cuatro mecanismos diferentes (ver Ilustración 7): Abrasión, erosión, desprendimiento en masa o depredación. (Stewart, 1993). Ilustración 7. Mecanismos de desprendimiento o movimiento de biopelículas (www.erc.montana.edu). La abrasión y la erosión se refieren a la remoción de pequeños grupos de células provenientes de la superficie de las biopelículas. La erosión es causada por fuerzas cortantes, mientras que la abrasión es por la colisión entre las partículas de soporte de las biopelículas, por ejemplo en el caso de un lavado. Por otra parte, el desprendimiento en masa se refiere a grandes fracciones de biopelícula, si la longitud característica es mayor. Maria Alejandra Murcia Ocampo. Tesis de Grado de Ingeniería Ambiental. 24.

(25) Universidad de los Andes IAMB 2008 II-08 Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental Centro de Investigaciones en Acueductos y Alcantarillados - CIACUA Biopelículas: Mecanismos y Procesos para Removerlas de los Sistemas de Distribución de Agua Potable. que el espesor de la biopelícula se trata de un desprendimiento en masa, de lo contrario se clasifica como erosión. (Reyes, 2004) El desprendimiento de masa no es muy efectivo para remover la totalidad de la biopelícula ya que se formará más adelante cuando encuentre las condiciones apropiadas, la abrasión y erosión son efectivos para remover la totalidad de la biopelícula aunque queda la masa de la base de la estructura. La depredación es un mecanismo de selección natural que se presenta cuando hay escasez de nutrientes, y las bacterias más aptas se comen a las más débiles, reduciendo una pequeña fracción de la biopelícula. (Reyes, 2004) Existen dos mecanismos que conllevan al desprendimiento de biopelículas; el primero es un aumento del esfuerzo cortante y el otro es una disminución en la resistencia interna.. 2.3.6. Efectos. El crecimiento bacteriano está relacionado con tres problemas principalmente en las redes de distribución de agua potable; el primero es la salud pública, otro problema es la estética y calidad del agua, y el último es el deterioro de las redes y los costos que esto genera a las empresas prestadoras del servicio. (Charmain, Osborn, Richard, & Robson, 2003) Los fenómenos biológicos son los más estudiados en el deterioro de la calidad del agua en los sistemas de distribución de agua potable, cuando hay un gran número de microorganismos en una red significa que ésta es susceptible a colonización de microorganismos, algunos de los cuales pueden ser patógenos. La evolución de esta biomasa genera cambios en la apariencia del agua y puede dar paso a la generación de macro invertebrados, desarrollando turbiedad y corrosión.. Maria Alejandra Murcia Ocampo. Tesis de Grado de Ingeniería Ambiental. 25.

(26) Universidad de los Andes IAMB 2008 II-08 Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental Centro de Investigaciones en Acueductos y Alcantarillados - CIACUA Biopelículas: Mecanismos y Procesos para Removerlas de los Sistemas de Distribución de Agua Potable. Por ésta razón en la planta de tratamiento se deben monitorear parámetros de calidad constantemente para identificar estos problemas que en la mayoría de las veces son causados por las biopelículas y poderlas remover de los sistemas de distribución. Para algunos patógenos, los sistemas de distribución de agua representan un ambiente, físico, químico y biológico ideal para su desarrollo y estos microorganismos son los responsables de varias enfermedades en animales y humanos. (Vargas, 2005) La presencia de estos puede deberse a la pérdida de desinfectante residual, conexiones cruzadas, roturas y reparaciones en las tuberías. Payment en 1997 encontró que entre el 10-30 % de las enfermedades gastrointestinales y respiratorias eran causadas por el consumo del agua de la llave. (Charmain, Osborn, Richard, & Robson, 2003) Los problemas estéticos según las quejas de los usuarios se deben a sabor, color y olor del agua a demás de manchas en la ropa y presencia de algunos macro invertebrados en el agua potable. Con relación a los materiales de la tubería, se puede decir que se van erosionando con el tiempo y la velocidad a la que esto ocurre depende del material de la tubería, la corrosividad del agua que transporta y del suelo. Con el tiempo la corrosión puede llegar a taponar por completo las tuberías e impedir el paso del agua, causar rupturas y acelerar el proceso de formación de biopelículas. (Vargas, 2005). Maria Alejandra Murcia Ocampo. Tesis de Grado de Ingeniería Ambiental. 26.

(27) Universidad de los Andes IAMB 2008 II-08 Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental Centro de Investigaciones en Acueductos y Alcantarillados - CIACUA Biopelículas: Mecanismos y Procesos para Removerlas de los Sistemas de Distribución de Agua Potable. 3 LIMPIEZA DE TUBERÍAS EN LA RED Ningún método de desinfección aplicado en las plantas de tratamiento de agua potable elimina por completo los microorganismos presentes en el agua ni la totalidad de las sustancias inorgánicas y orgánicas que favorecen el crecimiento de la biopelícula. Además, la presencia de la subcapa laminar propicia la formación y crecimiento de biopelículas debido a las bajas velocidades del flujo que la caracterizan. Estas características constituyen una clara evidencia de que la superficie interna de todas las tuberías que conforman los sistemas de distribución de agua potable están colonizadas por microorganismos y en particular por bacterias. (Servais, 2004) Las tuberías requieren una limpieza periódica para remover lodos y depósitos de sedimentos acumulados, ya que pueden proporcionar olores y sabores al agua tratada; esos depósitos pueden ser: coagulantes, polímeros bacteriales, precipitados químicos o corrosión. La limpieza dependerá de las condiciones de la tubería, como edad, materiales y calidad del agua. Estas son limpiadas generalmente en la instalación, después de reparaciones, antes de rehabilitaciones y como respuesta a problemas de calidad. (Kimeyer, 2000) Existen varias alternativas para lograr un funcionamiento óptimo de las redes distribución de agua potable, las cuales se basan en la implementación de estrategias de manejo para el control de la calidad del agua y mejoramiento del comportamiento hidráulico del sistema. Entre estas alternativas se encuentran limitar la cantidad de nutrientes presentes en el agua potable, optimizar el régimen de desinfección para controlar las actividades biológicas dentro de la red, adoptar regímenes de flujo a altas velocidades a través del sistema y optimizar el tipo y frecuencia de lavado de la red. ( Centro de Investigaciones de Acueductos y alcantarillados- CIACUA, 2008). Maria Alejandra Murcia Ocampo. Tesis de Grado de Ingeniería Ambiental. 27.

(28) Universidad de los Andes IAMB 2008 II-08 Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental Centro de Investigaciones en Acueductos y Alcantarillados - CIACUA Biopelículas: Mecanismos y Procesos para Removerlas de los Sistemas de Distribución de Agua Potable. Existen varios métodos para la limpieza de las tuberías en tres categorías diferentes: mecánica, lavado hidráulico y limpieza química, que van desde chorros de agua a presión, uso de materiales abrasivos, dragado de las tuberías y el uso de diferentes químicos.. 3.1 PORQUÉ LIMPIAR LAS TUBERÍAS Desde la perspectiva de los usuarios, la limpieza de las tuberías afecta: -. Las cualidades estéticas del agua que les llega. -. La presión de distribución del agua. Por el lado de la empresa prestadora del servicio, la limpieza de las tuberías afecta: -. Las propiedades físico-químicas del agua. -. El cumplimiento de los parámetros de calidad del agua. -. Costos de distribución y de bombeo. -. Caudales para cumplir la demanda de los usuarios y para incendios. -. La vida útil de las tuberías. Por estas razones es necesario desde cualquiera de las dos perspectivas hacer limpiezas rutinarias de los sistemas de distribución. (Reyes, 2004). 3.2 SELECCIÓN DEL MÉTODO DE LIMPIEZA En el esquema (Ilustración 8) que se muestra a continuación, aparecen los. métodos. utilizados en la actualidad para disminuir la tasa de crecimiento de biopelículas en sistemas de distribución de agua potable. Seguidamente se presenta la Ilustración 9 que hace. Maria Alejandra Murcia Ocampo. Tesis de Grado de Ingeniería Ambiental. 28.

(29) Universidad de los Andes IAMB 2008 II-08 Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental Centro de Investigaciones en Acueductos y Alcantarillados - CIACUA Biopelículas: Mecanismos y Procesos para Removerlas de los Sistemas de Distribución de Agua Potable. referencia a los métodos de limpieza de las tuberías según el procedimiento en el que se basan: ( Centro de Investigaciones de Acueductos y alcantarillados- CIACUA, 2008). TIPO DE CONTROL DE CRECIMIENTO DE PELÍCULA. QUÍMICO. Uso de sustancias químicas o biocidas. Desinfección por coagulación química. HIDRÁULICO. Control químico de tubérculos. Operación de la red manteniendo altas velocidades del flujo.. MONITOREO DE CALIDAD DE EFLUENTES DE PTAP. BIOLÓGICO. Radiación UV. Ozonización. Lavado hidráulico. Virus controladores de bacterias. Nanofiltración. Ilustración 8. Métodos para el control del crecimiento de biopelículas utilizados actualmente en los sistemas de distribución de agua potable, tomado de Centro de Investigaciones de Acueductos y alcantarillados- CIACUA, 2008. El lavado con flujo a presión ó hidráulico se lleva a cabo para restituir la calidad normal del agua, incrementar la concentración del desinfectante ó resolver quejas de los usuarios. Por su parte, mediante el flujo unidireccional se logra una alta efectividad en la remoción de sedimentos y biopelículas, aunque este método de limpieza de tuberías no es efectivo para remover tubérculos y otras incrustaciones duras; por lo tanto para retirar este tipo de adherencias es necesario un método más agresivo y algunas veces, la rehabilitación de la tubería. Igualmente, el lavado hidráulico no es efectivo en tuberías con diámetros. Maria Alejandra Murcia Ocampo. Tesis de Grado de Ingeniería Ambiental. 29.

(30) Universidad de los Andes IAMB 2008 II-08 Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental Centro de Investigaciones en Acueductos y Alcantarillados - CIACUA Biopelículas: Mecanismos y Procesos para Removerlas de los Sistemas de Distribución de Agua Potable. superiores a 12 pulgadas (300 mm) ya que las velocidades necesarias para erosionar las paredes internas de las tuberías no serían alcanzadas fácilmente.. Unidireccional Lavado con flujo a presión (Lavado hidráulico). Convencional Continuo Limpieza con aire. MÉTODOS DE LIMPIEZA DE TUBERÍAS. Limpieza mecánica. Limpieza con materiales absorbentes y abrasivos Dragado de sedimentos. Limpieza química. Uso de ácido inhibidor Limpieza con chorros de agua o Jetting. Ilustración 9. Métodos de limpieza de tuberías según el procedimiento del que se basan, tomado de Centro de Investigaciones de Acueductos y alcantarillados- CIACUA, 2008. La limpieza con aire a presión es una variación al lavado hidráulico unidireccional ya que el procedimiento de lavado es el mismo pero la diferencia está en que se inyecta aire a la columna de agua, generando un flujo muy turbulento y de gran velocidad lo que lo hace más efectivo que el lavado unidireccional cuando se quiere remover incrustaciones y. Maria Alejandra Murcia Ocampo. Tesis de Grado de Ingeniería Ambiental. 30.

(31) Universidad de los Andes IAMB 2008 II-08 Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental Centro de Investigaciones en Acueductos y Alcantarillados - CIACUA Biopelículas: Mecanismos y Procesos para Removerlas de los Sistemas de Distribución de Agua Potable. biopelículas que no están adheridas firmemente a la superficie interna de las tubería, aunque presenta una gran desventaja desde el punto de vista económico porque su costo es casi el doble del lavado tradicional. En este método se alternan volúmenes de aire y agua a través de un hidrante, creando una turbulencia que erosiona la película, ya sea de microorganismos o de partículas incrustadas que recubre las paredes internas de las tuberías, y luego la transporta en el flujo de agua hasta que sale totalmente de la red. Existe otra técnica de limpieza más agresiva que utiliza dispositivos de materiales absorbentes y abrasivos, cuya efectividad es mayor cuando los sedimentos, biopelículas e incrustaciones se encuentran fuertemente adheridos a la superficie interna de las tuberías. Otras técnicas menos usuales de limpieza de tuberías pueden ser la limpieza química, mediante chorros de agua o jetting. La limpieza química se basa en el uso de ácido inhibidor que se inyecta en el sistema de distribución, el cual disuelve las incrustaciones minerales y los productos de la corrosión, a la vez que detiene el crecimiento de biomasa. ( Centro de Investigaciones de Acueductos y alcantarillados- CIACUA, 2008) Antes de cualquier método de limpieza es usual instalar líneas de bypass para no interrumpir el flujo de agua a los consumidores. La limpieza mecánica involucra arrastrar una serie de raspadores cónicos a través de la tubería; cada raspador está hecho de láminas de acero montadas una sobre otra para permitir la rotación y el paso por el tubo. El raspador va removiendo el material incrustado y fluyendo a través del tubo removiendo los residuos, después una especie de esponjilla circular pasa para asegurar que no quede material y que esté seco el tubo. Cuando esta limpieza mencionada anteriormente no es seguida por un proceso de rehabilitación, se deben seguir otras alternativas como otras esponjillas y materiales abrasivos o inyecciones de aire para remover los sobrantes como limo y lodo de las biopelículas.. Maria Alejandra Murcia Ocampo. Tesis de Grado de Ingeniería Ambiental. 31.

(32) Universidad de los Andes IAMB 2008 II-08 Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental Centro de Investigaciones en Acueductos y Alcantarillados - CIACUA Biopelículas: Mecanismos y Procesos para Removerlas de los Sistemas de Distribución de Agua Potable. La limpieza puede remover parte de la capa laminar; una película insoluble en la superficie del tubo que ayuda a controlar la corrosión. La limpieza de las tuberías con frecuencia crea problemas de calidad temporales como manchas y mala calidad por el lavado de algunos minerales. Las esponjillas de poliuretano están disponibles en todos los grados de aspereza y son cortadas a la medida para el comercio. Existen otros elementos llamados “Pigs”que tienen forma de bala y están disponibles en varias densidades de poliuretano; pueden ser equipados con varias capas y accesorios como cerdas y correas dependiendo de las condiciones del tubo, flujo, presión y el método de lanzamiento y recuperación del “pig”. Estos elementos pueden viajar por curvas, intersecciones y válvulas, al igual que por varios tipos de materiales y tamaños. (Kimeyer, 2000) Todos estos métodos se resumen en la Ilustración 10: Método Lavado hidráulico unidireccional. Descripción La técnica en la cual las válvulas están cerradas y bocas de riego abiertas en una manera sistemática, fregar los tubos con el agua a alta de la velocidad, expulsa el agua turbia de los segmentos aislados de los sistemas.. Inyección de aire. En este método, grandes volúmenes de aire y luego agua, son introducidos al tubo por un hidrante de incendios, creando la turbulencia que remueve la película y levanta y transporta sedimentos.. “Pigging” de esponja suave. Mediante el flujo del agua se introduce una espuma en el tubo que viaja hasta un punto de recibimiento. Para tuberías de diámetro pequeño el “pig” se puede recuperar en los hidrantes.. Maria Alejandra Murcia Ocampo. Tesis de Grado de Ingeniería Ambiental. 32.

(33) Universidad de los Andes IAMB 2008 II-08 Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental Centro de Investigaciones en Acueductos y Alcantarillados - CIACUA Biopelículas: Mecanismos y Procesos para Removerlas de los Sistemas de Distribución de Agua Potable. El. Multi “Pigging”. método. aquí. es. el. mismo. pero. la. construcción del “pig” es diferente. A veces el “pig” es simplemente la espuma cubierta por una cáscara plástica, pero para niveles más altos y limpieza más agresiva, cualquier número de materiales abrasivos es adherido o integrado en el exterior del “pig”, como correas de carburo, cepillos plásticos y cepillos de alambre. En este método, un ácido inhibidor es difundido. Limpieza química. por el sistema cerrado, disolviéndose en la corrosión y las biopelículas y después de varias horas de circulación, el tubo es lavado. El tubo entonces es desinfectado, llenado con agua limpia y colocado nuevamente en servicio. Chorros de agua a presión. Una manguera con varios chorros es introducida por el tubo. Las altas velocidades del agua destruyen los depósitos y formaciones de biopelículas.. Limpieza mecánica. Varios métodos mecánicos son usados para limpiar las tuberías. Generalmente estos son usados en conjunto con la rehabilitación de tuberías. Los más comunes son el raspado de tuberías.. Ilustración 10. Métodos para limpieza de tuberías de agua potable. 3.3 COMPARACIÓN DE MÉTODOS En la Ilustración 11, tomadas del libro Investigation of pipe cleaning methods de Ellison Dan, se muestran cada uno de los métodos mencionados y todas sus características como efectividad, costo y algunas otras recomendaciones:. Maria Alejandra Murcia Ocampo. Tesis de Grado de Ingeniería Ambiental. 33.

(34) Universidad de los Andes IAMB 2008 II-08 Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental Centro de Investigaciones en Acueductos y Alcantarillados - CIACUA Biopelículas: Mecanismos y Procesos para Removerlas de los Sistemas de Distribución de Agua Potable. Lavado Convencion al. Lavado Unidireccio nal. Lavado con aire. Swabbing y Pigging. Pigging abrasivo. Limpieza Química. Limpieza y forrado (Lining) Noestructura l. Hierro o acero en buenas condicio nes. Hierro o acero en buenas condicio nes. Todos. Recomendado para:. Tipo de tubería. Limpieza y forrado (Lining) Estructural. Todas. Todas. Todas. Todas. Hierro o acero en buenas condicio nes. Tamaño de tubería. 300mm o menor. 300mm o menor. 250mm o menor. Todas. Todas. Todas. 75mm o mayor. 75mm o mayor. Condición estructural Responder a quejas de usuarios sobre apariencia, olor y sabor Responder a baja calidad incrementan do el desinfectant e residual Remover sedimentos sueltos Remover Biopelículas Remover incrustacion es duras Aumentar la vida útil de la tubería. Cualquiera. Cualquiera. Mala. Cualquiera. Buena. Mala. Buena. Cualquiera. 3. 0. 0. 0. 0. 0. 0. 0. 3. 0. 0. 0. 0. 0. 0. 0. 1. 3. 3. 3. 3. 0. 3. 3. 0. 2. 2. 3. 3. 3. 3. 3. 0. 0. 0. 1. 3. 3. 3. 3. 0. 0. 0. 0. 0. 0. 2. 3. 1 año o más. 6 meses1 año. 1-5 años. 3-7 años. 3-10 años. 3-10 años. 25-50 años. 25-50 años. 1°. 2°. 3°. 4°. 5°. 5°. 6°. 7°. Tiempo de beneficio esperado Ranking de costos (1° el más bajo). Maria Alejandra Murcia Ocampo. Tesis de Grado de Ingeniería Ambiental. 34.

(35) Universidad de los Andes IAMB 2008 II-08 Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental Centro de Investigaciones en Acueductos y Alcantarillados - CIACUA Biopelículas: Mecanismos y Procesos para Removerlas de los Sistemas de Distribución de Agua Potable. Consideracione s para el consumidor. El uso de las instalacion es deberá ser interrumpi do durante el lavado. El uso de las instalacion es deberá ser interrumpi do durante el lavado. Interrupc ión de 14 horas. Interrupción de 1-4 horas. Interrupc ión de 14 horas, será necesario una línea de Bypass. Requiere líneas de Bypass. Requiere líneas de Bypass. Requiere líneas de Bypass. Ilustración 11.Comparación métodos de limpieza (Adaptado de Investigation of Pipe Cleaning Methods). 0 1 2 3. Convenciones No Recomendado Poco efectivo Efectivo Muy efectivo. Ilustración 12. Convenciones ilustración 11. Ahora en la Ilustración 13 se presenta la productividad de cada uno de los métodos usados, desde el punto de vista del agua usada, materiales y avance en un día de labor típico.. Método. Personal. Materiales y equipos. Cantidad. Producción por. mínima de. día. agua Lavado. 1. convencional Lavado. Manómetros, válvulas,. 3 veces el. llaves. volumen del tubo. 2. 2 veces el. Unidireccional Air Scouring. 3-5Km. volumen del tubo 2-3. Manómetros, válvulas,. 2 veces el. llaves, compresor,. volumen del tubo. 3-5Km. enfriador de aire, filtros, mangueras y contenedores de agua Swabbing. &. 2-3. Maria Alejandra Murcia Ocampo. Manómetros, válvulas,. 3-5 veces el. 1-1.5Km. Tesis de Grado de Ingeniería Ambiental. 35.

(36) Universidad de los Andes IAMB 2008 II-08 Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental Centro de Investigaciones en Acueductos y Alcantarillados - CIACUA Biopelículas: Mecanismos y Procesos para Removerlas de los Sistemas de Distribución de Agua Potable. Pigging. llaves, Pigs, Swabs y. volumen del tubo. dispositivos de lanzamiento y de salida Limpieza. 2-3. Químicos. química Limpieza. 2-3 veces el. 100-1000m. volumen del tubo y. 8-12. forrado (Lining) de tuberías. Bypass, mortero-. 4 veces el. cemento, materiales de. volumen del tubo. 60-90m. construcción. Ilustración 13. Equipos necesarios, personal, uso de agua y productividad de los diferentes métodos de limpieza. 3.4 SELECCIÓN DEL TUBO PARA LIMPIAR Casi todos los tubos para la distribución de agua potable deben ser limpiados en un punto; en la mayoría de los tubos, los sedimentos se acumulan y se desarrollan las biopelículas desarrollando los problemas ya mencionados. Por muchos años el lavado hidráulico se ha considerado indispensable pero no es siempre una buena práctica realizarlo una vez por año; en algunos años no puede ser suficiente. Si la degradación ocurre rápidamente, los sedimentos se acumulan, necesitando una frecuencia mayor de lavado. En algunos casos las tuberías no se han lavado ni limpiado por décadas y aún no presentan problemas de acumulación de biopelículas. Para determinar cual tubo deberá ser limpiado y como limpiarlo se deberá recolectar la información necesaria, incluyendo quejas de los usuarios, calidad del agua, datos hidráulicos. (ver Ilustración 14):. Maria Alejandra Murcia Ocampo. Tesis de Grado de Ingeniería Ambiental. 36.

(37) Universidad de los Andes IAMB 2008 II-08 Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental Centro de Investigaciones en Acueductos y Alcantarillados - CIACUA Biopelículas: Mecanismos y Procesos para Removerlas de los Sistemas de Distribución de Agua Potable. Ilustración 14. Programación para la limpieza de tuberías (Adaptado de Investigation of Pipe Cleaning Methods). 3.5 OTRAS CONSIDERACIONES DEL SISTEMA Se debe contar con la información de todo el sistema a la hora de seleccionar el método de limpieza; se deberán seguir las siguientes recomendaciones generales: •. Técnicas de limpieza más agresivas incrementan el riesgo de una rotura o un escape.. •. El mejor indicador de la integridad de su tubería es la historia de otros acontecimientos en la misma área y de tubos similares.. Maria Alejandra Murcia Ocampo. Tesis de Grado de Ingeniería Ambiental. 37.